Bir Kara Delik Ne Kadar Büyük Olabilir?
Doç. Dr. Selçuk Topal, Bilim Genç sesli yayınının yeni bölümünde, yakın tarihte keşfedilen en büyük kütleli kara delikten ve kara deliklerle ilgili önemli bilgilerden bahsediyor.
29 Mart 2023 tarihinde yayımlanan bir çalışma bugüne kadar belirlenmiş en büyük kütleli kara deliklerden birinin keşfedildiğini duyurdu. Peki bir kara deliğin kütlesi ne kadar büyük olabilir? Kara delikler için bir kütle sınırı var mı? Yoksa kara delikler madde yuttukça durmaksızın büyüyen cisimler mi? Doç. Dr. Selçuk Topal, Bilim Genç sesli yayınının yeni bölümünde kara deliklerle ilgili merak edilen soruları cevaplıyor.
Bilim Genç sesli yayınlarını SoundCloud, YouTube, Spotify, Google ve Apple podcast kanallarımız üzerinden dinleyebilir ve güncel içeriklerimizden anında haberdar olmak için kanallarımızı takip edebilirsiniz.
Bu sesli yayını
Sesli Yayın Metni
Uzaya ve bilime meraklı dostlar merhaba. Ben Selçuk Topal. Bilim Genç sesli yayınının bu bölümünde harika bir keşif haberinden bahsedeceğim. Ayrıca bu keşifle bağlantılı ve kara deliklerle ilgili önemli bir soruya yanıtlar vereceğim. Bir kara deliğin kütlesi ne kadar büyük olabilir? Kara delikler için bir kütle sınırı var mı? Yoksa kara delikler madde yuttukça durmaksızın büyüyen cisimler mi?
29 Mart 2023 tarihinde yayımlanan bir çalışma bugüne kadar belirlenmiş en büyük kütleli kara deliklerden birinin keşfedildiğini duyurdu. Süper kütleli kara deliklerden bile daha büyük, 33 milyar Güneş kütlesinde, aşırı kütleli sınıfına giren bir kara delik...
Bildiğiniz gibi gök adamız Samanyolu’nda farklı türde ve yaşta birkaç yüz milyar adet yıldız olduğunu düşünüyoruz. Gök adamızdaki yıldızların ortalama 30 milyar tanesi Güneş’imize benziyor olabilir. Yani keşfedilen bu aşırı derecede büyük kütleli kara delik, ortalama olarak, Samanyolu Gök Adası’ndaki tüm Güneş benzeri yıldızların toplam kütlesine sahiptir. İşte bu derece büyük kütleli bir kara delikten bahsediyorum.
Peki Keşif Nasıl Yapıldı?
Keşif, Abell 1201 isimli bir gök ada kümesinde yapılıyor. Abell 1201 bizden yaklaşık 2,5 milyar ışık yılı uzaklıkta bulunuyor. Kümedeki bir gök adanın merkezindeki bir kara delik, sahip olduğu devasa kütle nedeniyle, bakış doğrultusu üzerinde ancak kümenin arkasında yer alan, çok daha ötedeki bir başka gök adanın ışığını büküyor. Yani kütle çekimi nedeniyle ışığın yönü değişiyor. Kısaca anlatmak gerekirse, büyük bir kütleye yakın geçen bir ışık demeti, kütlenin uzayzaman dokusunu bükmesi nedeniyle, ölçülebilecek kadar yön değiştiriyor ve kütle etrafında bir ışık yayı veya ışık halkası oluşturuyor. Buna kütleçekimsel mercekleme deniyor. Bu mercekleme modellenerek gök adanın merkezindeki o dev kara deliğin kütlesi hesaplanabiliyor. 33 milyar adet Güneş’in toplamına eşit bir kütle!
Kütleçekimsel mercekleme normal şartlarda göremeyeceğiniz bir gök adayı ve hatta yıldızı görebilmenizi sağlar. Mercekleme sadece çok uzakta, fondaki bir ışık kaynağının görülebilmesini sağlamaz. Uzakta olduğu için aslında sönük olan o kaynağın aynı zamanda ışığının şiddetini de artırır ve böylece daha kolay görünmesini sağlar. İşte bu iki önemli avantajı nedeniyle kütleçekimsel mercekleme evrenin doğal mercekleri gibidir.
Peki Bu Derece Büyük Kütleli Bir Kara Delik Fizik Yasalarına Göre Gerçekten Var Olabilir mi?
Kara deliklere net bir kütle sınırı konulmasa da bir kara deliğin kütlesi 50 milyar Güneş kütlesine yaklaşınca kara deliğin büyümesinde bazı sorunlar ortaya çıkabiliyor. O nedenle, teorik olarak 50 milyar Güneş kütlesinin bir kara delik için maksimum kütle olması gerektiğini söyleyen birçok çalışma var.
Neden Bir Kara Delik 50 Milyar Güneş Kütlesinden Daha Büyük Olamaz?
Şimdi gelin bu soruya bugün sahip olduğumuz bilgiler ışığında yanıt verelim.
Bugüne kadar kara deliği temsil eden bir model görüntüsünü hatta bir kara deliğin gerçek görüntüsünü görmüş olmalısınız. M87 Gök Adası’nın merkezinde bulunan 6,5 milyar Güneş kütlesindeki kara deliğin veya gök adamızın merkezindeki Sagittarius A* isimli kara deliğin görüntüsü gibi...
O görüntülerdeki dairesel parlak bölge, merkezdeki karanlık bir bölge etrafında, ışık hızının hatırı sayılır bir oranında hızla hareket eden sıcak gazı temsil ediyor. Demek ki kara delik denilince aklımıza gelmesi gereken görüntü şu olmalı: karanlık bir bölge etrafında dolanan ve zamanla kara deliğe düşen gaz. Kara deliğin etrafındaki bu gaz diskine “birikim diski” denir.
Kara deliklerin bir kütle limitine sahip olmasının nedeni, kütlesi arttıkça daha fazla maddenin daha kısa sürede birikim diskinin etkisine kapılıyor olmasıdır. Örneğin birkaç 10 milyar Güneş kütlesindeki bir kara deliğin birikim diskine, yılda 1.000 Güneş kütlesine eş değer gaz düşebilir. Bu gaz kara deliğe yüzlerce ışık yılı uzaklıktan, galaksinin başka köşelerinden geliyor olabilir.
Burada iki önemli parametre var: kara deliğin birikim diskine, ne kadar zamanda ne kadar gaz düştüğü. Yani gazın birikim diskine düşüş verimliliği önemlidir. İşte sorun bu iki parametre ile alakalı. Kara delik 50 milyar Güneş kütlesine yaklaştığında çok kısa sürede çok büyük miktarlarda gaz birikim diskine doğru, tabiri caizse, çekiliyor. İşte sorun da burada başlıyor.
Yılda 1.000 Güneş’e eş değer bir gaz kütlesinin birikim diskine düştüğü bir senaryoda, gazın büyük bir çoğunluğu birikim diskine çok yaklaşamadan önce yıldız oluşturabilir ve yıldızlar kara deliğin birikim diskinin bir parçası hâline gelmeden önce kara delik etrafında güvenli bir mesafede bir yörüngeye oturabilir. Veya birikim diskinin bazı bölgelerinde, artan kütle nedeniyle gaz kendi içine çöküp yıldız oluşturmaya başlayabilir.
Ayrıca yeni bir yıldız oluşurken veya oluştuktan sonra, yıldızın kütlesine bağlı olarak, etrafındaki gazı ve tozu savuracak derecede şiddetli ışınım yapabilir veya şiddetli yıldız rüzgârlarına sahip olabilir. Bu rüzgârlar aşina olduğumuz rüzgârlar gibi değildir. Yüksek hızlarla hareket eden yüklü parçacık rüzgârlarıdır. Az önce bahsettiğim etkiler nedeniyle birikim diskine düşecek madde azalabilir veya birikim diski yıldız oluşum süreçleri nedeniyle dağılıp artık kara deliği besleyemez hâle gelebilir.
Yani aşırı derecede büyük kütleli kara delikler, adeta çok kısa sürede çok fazla yemek yemeye çalışan birine benziyor. O nedenle yemeğin hepsi kara deliğin ağzına giremiyor. Burada ağız ile kastettiğim şey kara deliğin birikim diskidir. İşte bu nedenle kara deliğin büyümesi bir limite ulaşıyor ve kara delik daha fazla büyüyemiyor.
Diğer yandan, teorik hesaplamaları ekstrem değerler için yaparsak maksimum kütle birkaç yüz milyar Güneş kütlesine ulaşabilir. Ancak 50 milyar Güneş kütlesinden daha büyük kütleli bir kara delik henüz gözlemsel olarak keşfedilmemiştir. Yani bu derece büyük bir kara deliğin çevresine yaptığı fiziksel etkiler henüz gözlenmiş değil. Mesela 100 milyar Güneş kütlesinde olduğu iddia edilen Phoenix A Kara Deliği’nin buna benzer gözlemsel bir kanıtı yoktur. O nedenle, bir kara delik için genel olarak kabul gören maksimum kütle değeri 50 milyar Güneş kütlesidir.
Kara deliklerin ne kadar büyük kütleye sahip olacağı evrenin yaşı ile de ilgilidir. Evren 13,8 milyar yaşındadır. Evrende oluşan ilk gök adaların merkezindeki ilk süper kütleli kara deliklerin bugünkü kütlelerine ulaşmaları için sahip oldukları toplam zaman da budur. Ve sınırlı bir süre içinde büyümeye devam eden bir kara deliğin o süre içerisinde büyüyebileceği maksimum bir kütle olmasını beklemek gayet mantıklıdır.
Keşfedilen 33 milyar Güneş kütlesindeki aşırı kütleli kara deliği, Samanyolu’nun merkezindeki 4 milyon Güneş kütleli süper kütleli kara delik Sagittarius A* ile kıyaslarsak ortaya ne çıkar?
1) Eğer Abell 1201 Kara Deliği’ni Güneş’in olduğu yere koysaydık kara deliğin olay ufku Güneş’ten 590 astronomi birimi uzaklıkta yani Kuiper Kuşağı’nın dışında bir yerde olurdu. Diğer yandan Sagittarius A*’ı Güneş’in olduğu yere koysaydık onun olay ufku ise Güneş’ten sadece 11,8 milyon km uzaklıkta olurdu. Yani Merkür’e kıyasla Güneş’e 3 kat daha yakın olurdu.
2) Abell 1201’in kütlesi, Sagittarius A*’ın kütlesinin yaklaşık 7.500 katıdır. Yani Sagittarius A* bir futbol topu olsaydı Abell 1201 bir araba olurdu.
3) Eğer Sagittarius A*’ın Hawking ışıması ile yok olmasını bekleseydik 10 üzeri 87 yıl beklememiz gerekirdi. Abell 1201 Kara Deliği için bekleme süremiz ise 10 üzeri 98 yıl olurdu. Yani Sagittarius A* kaybolduktan 100 milyar yıl sonra Abell 1201 Kara Deliği kaybolurdu.
Küçük bir not: Burada kara deliğin kaybolması ile kastedilen şey Hawking ışıması yoluyla kara deliğin kütle kaybetmesidir. Çünkü kara deliğin etrafında büktüğü uzayzaman dokusu zamanla enerji kaybeder. Uzayzamanı büken şey de kara deliğin kendisi olduğu için o da enerji yani kütle kaybeder. Bunun sonucu olarak kara deliğin olay ufku giderek küçülür. Ve yeterince uzun, 10 üzeri 100 yıl mertebesinde bir süre beklerseniz kara delik yok olur. Bir başka ifadeyle, kara deliğin sahip olduğu her şey uzayzamanın dokusuna yayılır.
Veda etmeden önce, kara delikler hakkında daha fazla bilgi edinebileceğiz önceki bölümlerimizden üçünü tavsiye ediyorum. Bu bölümlerin isimleri şöyle: “Kara Delik Gerçekten Bir Delik mi?”, “Kara Deliğe Düşülürse Ne Olur?”, “Gök Adamızın Merkezindeki Kara Deliğin Görüntüsü Nasıl Elde Edildi?
Bilim Genç sesli yayınlarının bir bölümünün daha sonuna geldik. Bu bölümde önemli bir keşif haberini sizlerle paylaştım. Keşfe konu olan aşırı kütleli kara delikle bağlantılı olarak, kara delikler hakkındaki önemli bir soruya da yanıt verdim.
Bilim Genç sesli yayınlarının bir sonraki bölümünde, etrafımızı saran evreni keşfetmeye devam edeceğiz. Şimdilik hoşça kalın!
Kaynaklar:
