Kara Deliklerin Evrenin Derinliklerindeki Rolü

Kara delikler, evrenin en gizemli ve ilgi çekici olgularından biridir. Muazzam kütlelere sahip ve ışığı bile yakalayabilen bu cisimler, evrenin evrimi ve yapısı hakkında önemli ipuçları sunar. Aynı zamanda temel fizik prensiplerini zorlayarak kuantum fiziği ve Genel Görelilik Kuramı’nın birleştirilmesine ilham verir. Kara deliklerin içindeki yoğunluk ve çekim alanı, zaman ve uzayın nasıl etkilendiğine dair olağanüstü durumlar barındırır. Bu nedenle kara deliklerin araştırılması gelecekteki uzay keşifleri ve teknolojik gelişmeler için kapılar açabilir. Bu makalede (Overview article) kara deliklerin bilimsel önemini ve ilgi çekici yönlerini bir kez daha keşfedeceksiniz. Evrenin oluşumu ve evrimi, temel fizik prensipleri ve uzay yolculukları açısından önemiyle birlikte kara deliklerin özellikleri, oluşumu ve gözlem yöntemleri hakkında bilgi sahibi olabileceksiniz.

APA 7: Çarıkçıoğlu, A. E., Cepe, D., Göktaş, S. M., Esenli, B., & Çetin, A. (2023, July 31). Kara Deliklerin Evrenin Derinliklerindeki Rolü. PerEXP Teamworks. [Article Link]

Martian Team: Kara Deliklerin Evrenin Derinliklerindeki Rolü

Kara Deliklerin Evrenin Derinliklerindeki Rolü, TWs Digital Library bünyesinde oluşturulmuş Martian Team kategorisine ait bilim makalesidir.

Bu makalede (Overview article) kara deliklerin bilimsel önemini ve ilgi çekici yönlerini bir kez daha keşfedeceksiniz. Evrenin oluşumu ve evrimi, temel fizik prensipleri ve uzay yolculukları açısından önemiyle birlikte kara deliklerin özellikleri, oluşumu ve gözlem yöntemleri hakkında bilgi sahibi olabileceksiniz.

Evrenin en gizemli ve ilgi çekici olgularından biri… Bu muazzam kütlelere sahip ve çekimleriyle ışığı bile yakalayabilen cisimler, bilim insanlarını yüzyıllardır büyülemektedir. Kara deliklerin keşfi ve anlaşılması modern astrofizikte önemli bir dönüm noktası olmuştur ve hâlâ büyük bir araştırma ve keşif potansiyeline sahiptir.

Kara deliklerin bilimsel anlamdaki genel önemi birçok farklı yönüyle açıklanabilir. İlk olarak evrenin evrimi ve yapısı hakkında önemli ipuçları sunarlar. Büyük Patlama Teorisi’ne göre evrenimiz; bir noktadan gerçekleşen, büyük bir patlama ile oluşmaya başlamıştır. Bu süreçte yoğun madde bulutları oluşmuş; yıldızlar, gezegenler ve galaksiler gibi yapılar gelişmiştir. Kara delikler, yıldızların son evrelerinde ortaya çıkar. Bu, evrim sürecinde önemli bir rol oynar. Dolayısıyla kara deliklerin incelenmesi, evrenin oluşumu ve evrimi hakkında derin bir anlayış sağlar. [1]

Büyük Patlama’dan itibaren kara deliklerin evrimi (Astronomi Diyarı) (ESA)

Kara delikler, temel fizik prensiplerini zorlamakta ve kuantum fiziği ile Genel Görelilik Kuramı’nın birleştirilmesine yönelik çalışmalara ilham vermektedir. Genel Görelilik, kütle çekimi yasalarını açıklamak için kullanılan bir kuramdır ve kara delikler tam anlamıyla bu kuramın sınırlarına dayanmıştır. Kara deliklerin içindeki yoğunluk ve çekim alanı, zaman ve uzayın nasıl etkilendiğiyle ilgili birtakım sıra dışı duruma ev sahipliği yapmaktadır. Bu nedenle kara deliklerin incelenmesi, kuantum kütle çekimi ve evrenin temel doğası hakkında derin bir anlayış oluşturma potansiyeline sahiptir.

Kara deliklerin varlığı ve özellikleri gelecekteki uzay yolculukları ve astrofizik araştırmaları için büyük öneme sahiptir. Kara delikler, uzay-zaman dokusunda uzun yolculuklara olanak tanıyabilecek “Solucan delikleri” gibi ilginç görüngülere (Fenomen) kapı aralayabilir. Ayrıca kozmik ışınlar ve galaktik jetler gibi yüksek enerjili olayları daha detaylı bir şekilde açıklama konusunda yardımcı olabilir. Bu nedenle kara deliklerin araştırılması, uzay keşiflerinde yeni kapılar açabilir ve gelecekteki teknolojik gelişmelere ilham verebilir. [2]

Kara delik nedir?

Kara delikler, genellikle büyük kütleli yıldızların hidrostatik dengelerinin bozulmasından ötürü (Yani füzyon/birleşme tepkimelerinin yavaşlayarak bir yerden sonra durması ve buna karşın kütle çekimi kuvvetinin üstünlük kurması) yıldızın kendi çekirdeği üzerine çökmesi ile oluşan gök cisimleridir. Bu olayların sonucunda kara delik, oluşması için gerekli kütleye ihtiyaç duyar. [3]

Güneş’in hidrostatik denge gösterimi (Woodahl Physics)

Tarihçesi

“Kara delik” kavramının ilk olarak XVIII. yüzyıl sonunda Newton’un Evrensel Kütleçekim Kanunu kapsamında doğduğu kabul edilmektedir. Fakat o dönemde mesele yalnızca “Kaçış hızı”nın ışık hızından daha büyük olmasını sağlayacak derecede kütleli cisimlerin var olup olmadığını bilmekti. Dolayısıyla kara delik kavramı ancak XX. yüzyılın başlarında ve özellikle Albert Einstein’ın Genel Görelilik Kuramı’nı ortaya atmasıyla hayalî bir kavram olmaktan çıkmıştır. [4]

Evrensel Kütleçekim Kanunu’nun mucidi Isaac Newton ve Genel Görelilik Kuramı’nı öne süren Albert Einstein (Evrim Ağacı)

Einstein’ın çalışmalarının yayımlanmasından kısa süre sonra Karl Schwarzschild tarafından “Einstein alan denklemleri”nin merkezî bir kara deliğin varlığını içeren bir çözümü yayımlanmıştı. Bununla birlikte kara delikler üzerine ilk temel çalışmalar, varlıkları hakkındaki ilk sağlam belirtilerin gözlemlerini izleyen 1960’lı yıllara dayanmaktadır.

Einstein alan denklemlerini geliştiren, olay ufku yarıçapının isim kaynağı Karl Schwarzschild (İTÜ Astronomi Kulübü)

Kara delik içeren bir cismin ilk gözlemi, 1971’de “Uhuru” (TR: Özgürlük) uydusu tarafından yapıldı. Uydu, Kuğu Takımyıldızı’nın en parlak yıldızı olan “Cygnus” (TR: Kuğu) X-1 çift yıldızında bir X ışınları kaynağı olduğunu saptamıştır. Fakat “Kara delik” terimi daha önceden, 1960’larda Amerikalı fizikçi John Wheeler aracılığıyla ortaya atılmıştır. Bu terimin terminolojiye yerleşmesinden önce ise kara delikler için “Schwarzschild cismi” ve “Kapalı yıldız” terimleri kullanılmıştı. [5]

Bir sanatçının, ilk X ışını astronomi uydusu olan Uhuru’nun Dünya yörüngesindeki izlenimi (NASA Space Science Data Coordinated Archive)
Bir sanatçının Cygnus X-1 sistemi hakkındaki izlenimi. Bu sistem, kütleçekim dalgaları kullanılmadan şimdiye kadar tespit edilen ve 21 Güneş kütlesiyle en büyük yıldız kütleli kara deliği içerisinde barındırır. (ICRAR)
Bilim camiasında “Varsayımların öncüsü” olarak kabul edilen, Niels Bohr ile nükleer fisyon tepkimelerinin arkasındaki temel kuralları açıklamak için çalışan John Wheeler (Physics World)
“Chandra” (Sanskritçe: Ay/Parlayan) uydusu tarafından X ışınlarıyla oluşturulmuş Cygnus X-1 görüntüsü (Chandra X-Ray Observatory)

Kara deliklerin kavramsal arka planı

Kara delik oluşumu için gereken en alt kütle sınırını “Chandrasekhar limiti/sınırı” açıklar. Bu limit, yaklaşık olarak 1,4 Güneş kütlesine eşittir. Ancak çoğu durumda 2 veya 3 Güneş kütlesi olarak kabul edilir. Yani bir yıldızın ölümü sırasında kara delik oluşturabilmesi için (Chandrasekhar sınırına göre) Güneş’ten en az 1,4 kat büyük bir kütleye sahip olmalıdır. Bu kütle tam olarak 2.784.488.001.602.417.000.000.000.000.000 kilogram veya yaklaşık 2,8 nonilyon kilogramdır. [6] Bu limiti destekleyen denklem şudur:

Mkrit = 1,45727 × 2η2 × M

Burada “M” Güneş kütlesini, “η = AZ” eşitliği de beyaz cücelerin elektriksel olarak nötr olduğu farz edilirse nükleon başına ortalama kaç elektron düştüğünü gösterir. Yıldız maddesi, nükleon (A) ve buna bağlı proton (Z) içeren atomlardan oluşmuştur. Örnek verilecek olursa:

126C (karbon) veya 168O (oksijen) izotoplarından meydana gelen beyaz cüceler için:

η = 126 = 168 = 2

oranı geçerlidir. Yukarıdaki oranla doğrudan zikredilen kritik kütleye yani 1,457 Güneş kütlesine varılır. Başka bir örnekse “Sirius B” yıldızından çıkarılabilmektedir. Çekirdeği 5626 oranıyla demirden meydana gelmiş bir yıldız içinse:

η = 5626  2,154

oranına ulaşılabilmektedir. Böylece oranı verilen bu yıldızın kütlesi, 1,256 Güneş kütlesine eşit olur. Yani Chandrasekhar limiti, her yıldız için aynı olmayıp yıldızın oluştuğu maddelerin oranına göre değişmektedir. [7]

“Tip Ⅰa” termonükleer süpernovası, Chandrasekhar limit kütlesini aşmanın bir sonucu olarak yorumlanır. Bu süpernovalar, ışık eğrisinde ve mutlak kadirlerinde (Yıldızların parlaklık sırasını belirten ölçek)  oldukça düzgün bir seyir gösterir. Ⅰa tipi süpernovaların bir alt grubu olan “Süper Chandrasekhar Ⅰa” süpernovaları, önemli miktarlarda daha yüksek parlaklık seviyelerine sahip olup 2,5 Güneş kütlesine kadar varan çökmüş beyaz cüce meydana getirebilir.

Tip Ⅰa” süpernovanın nasıl oluştuğunu açıklayan bir görsel (Kozan Demircan)
Süper Chandrasekhar Ⅰa Süpernovası (NGC 4526 galaksisinde yer alan Süpernova 1994D), bu görseldeki parlak yıldız düşündüğünüzden daha önemliydi. (ESA Hubble)

Yüksek manyetik alan yoğunluklarına sahip beyaz cüceleri modellemek için girişimlerde bulunulmuştur. Bu sayede bozunmuş madde çökmeye karşı kararlı hâle getirilebilmektedir. Ancak Lorentz kuvvetleri (Elektromanyetik alanların noktasal yük üzerinde oluşturduğu elektrik ve manyetik kuvvetlerin bileşkesi), Chandrasekhar limit kütlesinde güçlü bir artışa engel olmaktadır. Yukarıda bahsedilen konuda olduğu gibi Güneş’ten 3,4 ila 5 kat daha büyük yıldızların da kara delik oluşturabileceği unutulmamalıdır. [8]

Lorentz kuvvetinin basit bir gösterimi. Anlık hız (v) ile hareket eden, yüklü bir parçacığa etki eden Lorentz kuvveti (F). E elektrik alanı ve B manyetik alanı uzay ve zamanda değişkendir. (YouTube)

Kara delikler, sahip oldukları devasa kütle ve yoğunluk ile (Evrendeki astronomik tanımıyla “Kompakt” yani “Sıkışık” cisimlerdir.) uzay-zaman dokusunu öylesine büker ki bu durum, kara deliklerin bulunduğu yerde muazzam bir kütle çekimi etkisi yaratır. Yarattığı kütle çekimi öylesine güçlüdür ki ışık dâhil bu kütleçekim etkisiyle doğrultuları bambaşka olsa bile kara deliğe doğru çekilir. Daha sonra çekilen madde veya enerji “Olay ufku”na yaklaşır. “Olay ufku” olarak adlandırılan bölgelerde kütleçekim öylesine güçlüdür ki ışık bile buralardan kaçamaz. Işığın kaçamaması sebebiyle kara deliklerin renkleri ya da gözle görünür ışımaları yoktur. Bu nedenle “Kara delik” olarak adlandırılırlar.

Bazı gök cisimlerinin uzaydaki bükülmelerinin karşılaştırması (Donanım Haber)

Bir kara deliğin yapısını daha anlaşılır şekilde ele alınması için “Tekillik” denilen noktanın doğru anlaşılması gerekir. Kısaca “Tekillik”, kara deliğin merkezidir. Kara deliğe giren bir maddenin dönüp dolaşacağı en son noktadır.

Tekillik, bir yandan kara deliğin merkezi olduğu gibi kütle çekimi ve etkilerinin sonsuz olduğu noktadır. Ayrıca tekillikte kara deliğin sonsuza yakın kütle çekimi sebebiyle orada zaman durmuştur. Bununla birlikte kara deliğin yuttuğu cisimler eninde sonunda tekilliğe ulaşacağı için yutulan cisimler tekillikte toplanır ve yoğunlaşmaya devam eder. Tekillik ile kara delik doğru orantılıdır: Tekillik büyüdükçe kara delik de büyür. İç içe geçmiş iki balondan ilkine yani iç kısımdaki balonun içerisine hava tanecikleri üfleyince (Onu şişirince) ikincideki yani dış kısımdaki balonun da şişmesine benzer. Eğer dış kısmı şişirirseniz bu sefer tekillik boş kalır. Ama boş tekilliğe sahip bir kara deliğin büyümesi olanaksızdır. Çünkü kara delik, tekillik ile beraber büyür. [9]

Kara deliğin bölgelerini basitçe açıklayan bir görsel (ResearchGate)

Kara deliklerin yapısını daha iyi anlamak için “Schwarzschild çapı”ndan da söz edilmesi gerekmektedir. Bu kısımda da aktarıldığı gibi kara delik oluşturmak için sadece kütle yeterli değildir. Aynı zamanda yoğunluk gereklidir ve genellikle bu yoğunluğu oluşturmak için belirli bir kütleyi belirli bir çapa sıkıştırmak gerekir. Peki bu kütle, ne kadar büyüklükteki bir çapa sıkıştırılmalıdır? İşte, Schwarzschild denklemleri bu soruyu yanıtlamaktadır.

rs = 2GMc2

rs” Schwarzschild çapı, “G” Gravitasyon sabiti, “M” cismin kütlesi, “c” ise ışık hızı anlamına gelmektedir. Buradaki “G” ve “c2” sabitleri, kilogramdan metreye dönüşüm yapılmasına yardım eden sabitlerdir. Denklem, 2G‘nin “1,49 × 1027” açılımıyla da yazılabilir. Bahsedilen durumda denklem daha basit bir hâl alır. 2G, doğrudan “1,49 × 1027 × M” şeklinde yazılıp hesaplama buna uygun şekilde yapılabilir. Denklemden çıkarılabilecek başka bir sonuç, Schwarzschild çapının cismin kütlesi ile doğru orantılı olduğudur. Cismin kütlesi arttıkça Schwarzschild çapı da artar.

Somut veriler üzerinden hesaplama yapmak gerekirse Güneş’in Schwarzschild yarıçapı yaklaşık 3 kilometre, Dünya’nın Schwarzschild yarıçapı yaklaşık 1 santimetre ve bir kedinin Schwarzschild yarıçapı ise 0,01 yoktometre (1027 kilometre) civarındadır. Bir insanı kara deliğe dönüştürmek için bir protonun 10 milyarda birine denk gelecek kadar sıkıştırmak gerekir. Ancak cisimleri kara delik yapmak için iki türlü yol vardır: Ya cisim Schwarzschild çapına kadar sıkıştırılmalı ya da cisme kütle eklenmeli. Aslına bakılırsa ikinci yolun uygulanması teoride daha zahmetsiz gibi görünüyor.

Cismin kütlesi artarken Schwarzschild yarıçapı, cismin yarıçapından daha hızlı artar. Kütle iki katına çıkarken Schwarzschild yarıçapı iki katına, cismin yarıçapı ise sadece 1,26 katına çıkar. Schwarzschild yarıçapının ilk başta zerre büyüklüğünde olduğunu hatırlamakta fayda var. Tüm cisim Schwarzschild yarıçapının içine sığana kadar sıkıştırma işleminin sonuçlanması mümkün değildir. [10]

Einstein’a göre kara delikler

Einstein’ın Özel Görelilik Kuramı, yalnızca gözlemcilerin birbirlerine göre durağan olduğu veya sabit hızla hareket ettiği durumlarda geçerliydi. Diğer bir deyişle ivmelenmenin ya da kütle çekimin hesaba katılmaması koşuluyla işlerlik kazanıyordu. Einstein, bu konu hakkında düşünüp 1905 yılında kaleme aldığı Özel Görelilik Kuramı’nın kapsamını genişletmesi gerektiğini fark etti.

Einstein, eş değerlilik ilkesinden yararlanarak kütle çekimi ile ivmelenmenin eş değer olduğunu fark etti. “Kütle çekimi” kavramını “Kuvvet” sözcüğüyle açıklamasının bir fazlalık olduğunu düşündü. Kütle çekimi denen kuvvetin aslında uzay-zamandaki yamulmalardan, diğer bir deyişle bükülmelerden, başka bir şey olamayacağını fark etti ve Genel Görelilik Kuramı’nı hazırladı. Ama bu süreç, Einstein’ın 10 yılına mâl oldu. 1915 yılında gelindiğinde Genel Görelilik Kuramı ile evrenin işleyişi hakkındaki anlayışı değiştirdi. Uzay-zamana olan bakış açısında çağ atlattı.

İlk alt başlıkta da ifade edildiği üzere kara delikler yeterli büyüklüğe ulaşmış yıldızların kendi çekirdekleri üzerine çökmesi ile oluşur. Bu sırada gerçekleşen olaylar kütle artışı ve yoğunlaşmadır. İki kritik eylem gerçekleşirken yıldız, büyük bir kütlenin tek bir alana toplanmasını sağlar. [11]

Kütle artışı ve yoğunlaşmanın nasıl gerçekleştiğine dair basit bir benzetme (University of Oregon)

Görüldüğü gibi belirli bir alana yoğunlaşma olduğunda uzay-zamandaki bükülme artar. İşte, bir kara delik oluşurken büyük kütleli yıldızlar kendi çekirdekleri üzerine çökerek yoğunlaşır ve dolayısıyla Genel Görelilik’e göre uzay-zaman dokusunu bükerek muazzam bir kütleçekim etkisi oluşturur. Bununla birlikte olay ufkunda bükülme o kadar fazladır ki uzay-zaman dokusu kendi üstüne katlanarak olay ufkundan geçen cisimlerin eninde sonunda tekillikte sıkışıp tekrar dışarı çıkamamasına sebep olur. [12]

Kısacası kara delikler, yıldızların çökmesi sonucu oluşan uzay-zamanı muazzam şekilde büken gök cisimleridir.

Kara deliklerin oluşumu

Bir yıldız, ömrünün sonuna geldiği zaman kütlesine bağlı olarak farklı şekillerde yaşamını yitirebilir ve ölümünden sonra cesedinin neye dönüşeceği de yine yıldızın kütlesine, başka bir deyişle kütleçekim kuvvetine, göre değişir.

Yıldızların ölümü ve sonrası

Önceki bölümde de değinildiği üzere bir yıldızın oluştuktan sonra kararlılığını koruması için içindeki füzyon ile ürettiği enerjiyle kütleçekim etkisi dengede kalmalıdır. Eğer iç enerji fazla gelirse dışarıya doğru genişler. Benzer şekilde kütleçekim baskın kalırsa içine çöker.

Yıldız, içindeki hidrojen bittiği zaman milyon/milyar yıldır koruduğu dengeyi kaybeder; çünkü yıldızın muazzam kütlesini dengeleyebilecek bir kuvveti kalmadığından yıldız çöküşe geçer. Küçüldükçe küçülür, belli bir noktaya geldiği zaman ise çekirdeğindeki basınç ve sıcaklık bir eşik değere ulaşır. Bu değerde artık helyum füzyonu mümkün hâle gelir. Böylece “Helyum füzyonu” başlar. Ayrıca çekirdeğin dışındaki helyum da füzyona uğrar; çünkü sıcaklık artışı çekirdeğin dışında da gerçekleşmiştir.

Helyum füzyonu. Füzyon (“Nükleer kaynaşma” veya “Nükleer füzyon” şeklinde de ifade edilmektedir.), kütle numarası düşük iki elementin nükleer etkileşimler neticesinde birleşerek kütle numarası daha yüksek bir element meydana getirmesidir. Fizikte “Çekirdek tepkimesi” olarak da adlandırılan bu tepkimeyle muazzam miktarda enerji açığa çıkar. (Kozan Demircan)
Yıldızlarda helyum füzyonundaki süreç, bir diğer deyişle “Helyum parlaması” (Bilsen Beşergil)

Periyodik tabloda demire kadar gidildikçe füzyon sonucu açığa çıkan enerji arttığı için yıldız, ölümüne yaklaştıkça genişler; çünkü çekirdeğinden daha yüksek ısı çıkar. Bu evreden sonra ne olacağı ise yıldızın kütlesine bağlıdır. Eğer Güneş’in yaklaşık 2,5 katı veya daha fazla kütleye sahipse yıldızın kütlesi, çekirdekte demir füzyonu başlatacak kadar basınç oluşturabilir. Ancak bu kütleden daha küçük ise bu füzyon karbona kadar devam eder ve ondan sonra yeterli ısıya ve basınca ulaşılamadığı için durur.

Elementlerin füzyonda çıkardıkları enerji miktarlarının periyodik cetvele göre grafiği. Bir “MeV” (Milyon elektronvolt), bir milyon elektronun, boşlukta bir voltluk elektrostatik potansiyel farkı katederek kazandığı kinetik enerji miktarıdır. yaklaşık olarak 1,6 x 10-13 J enerjiye eşittir. (Texas Getaway)

Bu kısımda sadece ilk olarak bahsedilen yani Güneş’ten 2,5 kat veya daha yüksek kütleye sahip yıldızlar ele alınacaktır. Bu yıldızlar, demire kadar giden yolda birkaç kere parlaklıklarını artırdıktan sonra tekrar sönükleşir. Son olarak çekirdeklerinde demir füzyonu gerçekleştiğinde enerji denklemi tersine döner ve dışarıya enerji çıkamaz. Kendi yüksek kütle çekimi altında kararlı (Stabil) tutacak herhangi bir kuvvet kalmadığı için yıldız çöker.

Dış katmanlar, demir çekirdeğe çarptığı anda Newton’un Üçüncü Yasası gereği çarptığı hızla etrafa saçılır. Bu olayı izleyen bilim insanları da ona “Süpernova” adını vermiştir. Saçılan dış katmanların haricinde merkezdeki çekirdeğin kütlesi hâlâ o kadar büyüktür ki uyguladığı gravitasyonu hiçbir kuvvet durduramaz ve sonunda her şey tek bir noktaya, tekilliğe çöker. Bu olayı başka bir yolla açıklamak gerekirse: Bir yıldız, çekirdeği kara delik olma yolunda giderken protonlar ile elektronlar bir noktada çarpışıp nötronları oluşturur ve atomlar arası boşluk ortadan kalkar.

Ayrıca dış katmanlar, demir çekirdeğe çarptığı anda Newton’un Üçüncü Yasası gereği çarptığı hızla etrafa saçılır. Bu olayı izleyen bilim insanları da ona “Süpernova” adını vermiştir. Saçılan dış katmanların haricinde merkezdeki çekirdeğin kütlesi hâlâ o kadar büyüktür ki uyguladığı gravitasyonu hiçbir kuvvet durduramaz ve sonunda her şey tek bir noktaya, tekilliğe çöker. Bu olayı başka bir yolla açıklamak gerekirse: Bir yıldız, çekirdeği kara delik olma yolunda giderken protonlar ile elektronlar bir noktada çarpışıp nötronları oluşturur ve atomlar arası boşluk ortadan kalkar.

Basitçe yıldızların sonunu anlatan bir görsel

Ama bu kadar yüksek yoğunluklu yapı bile gravitasyonun etkisini durdurmaya yetmez, sonucunda bir kara delik oluşur. Şunu bir kez daha eklemek gerekir ki “Kara delik” denilen şey, aslında merkezdeki tekillik değil, gravitasyon etkisinin yüksekliği yüzünden ışığın bile kaçamayıp çekirdeğe düştüğü küresel alandır. Ayrıca o alandan bize hiçbir ışık gelemediği için orası tamamen karanlık görünür. [13]

Özetle yıldızların yaşam evreleri. Şu an okumakta olduğunuz makale, doğrudan sağ alt köşedeki gök cismiyle ilgilidir. (Sea and Sky)

Kara delikler nasıl sınıflandırılır?

Kara delikler, boyutlarına ve dönüp dönmemesine göre sınıflandırılır.

Boyutlarına göre kara delikler

  • Süper kütleli kara delikler: Bu kara delikler, genellikle milyarlarca Güneş kütlesine sahiptir ve çoğunlukla galaksi merkezlerinde yer alır. Örneğin, Güneş Sistemi’nin de yer aldığı Samanyolu Galaksisi’nin merkezinde Sagittarius (TR: Yay) A* (Okunuşu: Sagittarius A yıldız) süper kütleli kara deliği bulunur. Süper kütleli kara deliklerin boyutları o kadar fazladır ki herhangi bir yıldız tarafından oluşturulmamıştır. Çünkü Büyük Patlama’dan (Big Bang) bugüne kadar Güneş’in milyarlarca katı kadar kütleye ulaşmak için yeterince zaman geçmemiştir. Bu sebeple süper kütleli kara deliklerin evrenin erken dönemlerinde oluştukları ve yıldızlardan gelmedikleri düşünülmektedir.
Bu grafiğin geneli, kara deliğin yakınındaki büyük yıldızlardan fışkıran sıcak gazı betimleyen ve Chandra uydusundan gelen (Mavi bölge) X ışını verilerini içerir. NASA’nın Hubble Uzay Teleskobu’ndan iletilen, farklı dalga boylarındaki iki kızılötesi ışık görüntüsü yıldızları (Turuncu bölge) ve soğuk gazı (Mor bölge) göstermektedir. (NASA)
Bir sanatçıdan Samanyolu’nun merkezinde yer alan Sagittarius A* kara deliği izlenimi (NOIRLab)
Sagittarius A*’ın 2017 yılında elde edilen ilk görüntüsü, Mayıs 2022’de yayımlanmıştır.
(Event Horizon Telescope)

  • Yıldızsal kara delikler: Boyutları Güneş’inkinin milyonlarca katı civarına ulaşabilen kara deliklerdir. Güneş’in 2,5 katı veya daha büyük yıldızların patlaması sonrası kalan çekirdeğin yukarıda bahsedildiği gibi kendi içine çökmesi sonucu oluşurlar. Galaksi merkezlerinde olacak kadar büyük değildirler ve galaksinin içerisinde normal bir yıldız gibi dolanırlar.
Hubble Uzay Teleskobu’nun 2001 yılına ait GRO J1655-40 gözlemi. Scorpius (TR: Akrep) Takımyıldızı’ndaki GRO J1655-40 kara delik sistemi, yıldızsal kara deliklere bir örnektir. (ESA Hubble)
Bir sanatçının GRO J1655-40 izlenimi (Felix Mirabel)

  • Mikro kara delikler: Teorisel olmakla birlikte Stephen Hawking tarafından öne sürülen “Hawking ışıması” ile öngörülen kara delik türüdür. Bu tarz kara delikler, atom altı parçacıklar seviyesine hatta Planck uzunluğuna (Vakumda ışık hızı ile Planck zamanı çarpımına eşit olan doğal birimdir. Yani fizik sabitleri sonucunda hesaplanabilir.) kadar küçülebilir. Hawking ışımasına göre bir kara delik, zamanla kütle kaybeder ve belli bir noktadan sonra atom altı seviyelere ve hatta evrendeki en kısa mesafe olan Planck uzunluğuna kadar düşebilir. Sözü edilen seviyelerde kuantum teorisi de devreye girdiği için henüz bu cisimlerin olup olmadığını doğrulanamamıştır.
Bir sanatçının ATLAS tarafından meydana getirilebilecek olası bir mikro kara delik tahmin maketi (CERN)
Hawking ışımasının sade bir biçimde anlatımı (Kozan Demircan)

Diğer özelliklerine göre kara delikler

Kara delikler, boyutları haricinde dört farklı türe ayrılır ve iki temel özelliğin bulunup bulunmamasına göre sınıflandırılır: Yükü ve açısal momentumu. Kara deliklerin açısal momentum (J), elektriksel yük (Q) ve hep sıfırdan büyük olan kütle (M) parametrelerine göre belirlenen, varsayıma dayalı dört türü tablodaki gibidir. 

M > 0 
J = 0 J ≠ 0 
Q = 0 Schwarzschild kara deliğiKerr kara deliği
Q ≠ 0 Reissner-Nordström kara deliğiKerr-Newman kara deliği
Öncelikle bu dört tür kara delik de Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi’nin farklı çözümleri sonucu ortaya çıkmıştır. Schwarszchild kara delikleri günümüzde en çok keşfedilmiş türdür. Kütlesi harici diğer özellikleriyle ayırt edilemezler. Kerr kara deliklerininse boyutlarıyla birlikte açısal momentumu vardır. Yani kendi etraflarında dönerler. Reissner-Nordstörm kara delikleri kendi etraflarında dönmez, bu kara deliklerin açısal momentumları yoktur. Ancak bir elektrik yüküne sahiptirler. Son olarak Kerr-Newman kara delikleri hem kendi etraflarında döner hem de bir elektrik yüküne sahiptir. [14]
Türlerine göre kara delikler. Görseller, yukarısındaki tabloyla uyumlu olacak şekilde yerleştirilmiştir. Sol üst köşeden başlayarak saat yönünde: Schwarzschild kara deliği, Kerr kara deliği, Kerr-Newman kara deliği ve Reissner-Nordström kara deliği. Aralarında ancak Schwarzschild kara deliği türü gözlemlenebilmiştir. En belirgin örneği, kardeş galaksimiz Andromeda’nın merkezindeki M31*’dır. Diğer üç görsel, sanatçıların izlenimlerini yansıtmaktadır. (Chandra X-Ray Observatory) (Space Engine) (Colorado University)

Kara deliklerin özellikleri

Bir önceki bölümde kara deliklerin oluşumundan ve sınıflandırılmalarından bahsedilmişti. Bu bölümde bir kara deliğin ne olduğu ile ilgilenilecektir.

Olay ufku

İlk başlıkta (Kara deliklerin kavramsal arka planı) anlatıldığı şekilde bir yıldız ömrünün sonuna gelip patladığında çöken çekirdeği, oluşan kütle çekime dayanamayıp tek bir noktaya (Tekillik) çöktüğü zaman hacim tek bir noktaya kadar sıkışır. Ama çekirdeğin kütlesinde herhangi bir değişim olmadığı için gravitasyon değişmeden aynı kalmaya devam eder. Bunun sonucunda merkezdeki tekilliğin etrafındaki uzay-zamanın belli bir bölümü (Schwarszchild yarıçapı), ışığın dahi kaçamayacağı kadar bükülür. Işık olmadan da görme olayı gerçekleştirilemeyeceği için alan tamamen siyah görünür ve çoğu insan bunu kara delik sanar; ancak tüm bunların aksine kara deliği ya da diğer bir ismiyle “Tekilliği” bilinen uzay-zamandan ayıran ‘’Olay ufku’’dur. Ek olarak içinde yaşanılan evrende hiçbir madde ışık hızından daha hızlı gidemeyeceği için bu alandan hiçbir bilgi sızmaz (Hawking ışıması ihmâl edilirse). Bu da yeni bir fenomeni doğurur: Bilgi paradoksu. Evrende hiçbir bilgi kaybolmaz, peki karadeliğe giren cisimlere ne olur? Bilgileri cidden kaybolur mu, yoksa o bilgi hâlen bir yerlerde var olmaya devam eder mi? [13]

Kara delikten içeri giren bilginin izleyeceği iki yol mevcuttur. Bu iki yol, en kısa anlatımıyla yukarıdaki görselle açıklanabilir. (Evrim Ağacı)

Gravitasyon

Gravitasyon ya da daha genel bilinen ismiyle “Kütleçekim”, bilinen dört temel kuvvetin en zayıf olanıdır. Bilim camiasında yer alan kimi isme göre “En garibi” olarak da nitelendirilmektedir. Genellikle lise seviyesindeki fizik derslerinde Newton’un Evrensel Çekim Yasası’ndan bahsedilir. Newtonsal düşünceye göre kütle çekimi, iki nesne arasında görünmez bir ip varmış gibi anlık olarak etki eder; ancak Einstein ve Görelilik Teorileri, bu düşünceyi geliştirip gravitasyonun aslında evrendeki diğer bütün kuvvetler gibi ışık hızında yayıldığını ve alansal bir kuvvet olduğunu (Dalgalar hâlinde yayıldığını) gösterdi. Bu yayılım, kolayca akılda kalması için çoğunlukla “Çarşaf analojisi” şeklinde ifade edilir. [14]

Gravitasyonu açıklamada kullanılan bazı analojilerin (benzetme) yer aldığı bir video (YouTube)
  • Gravitasyonun etkilerini iki madde üzerinde incelemek mümkündür.

Gravitasyonun geometrik boyutlardaki etkileri: Çarşaf analojisinin de diğer bütün analojiler gibi bazı eksiklikleri ve hataları vardır. Her şeyden önce çarşaf yüzeyi iki boyutludur; fakat yaşanılan evren dört boyutludur. Bunun haricinde uzayda sürtünme yokken çarşaf düzleminde vardır. Eksiklik ve hatalar listesi uzatılabilir; ama en kullanışlı yanına gelinecek olursa analoji, gravitasyon etkisinin uzayı nasıl büktüğüne dair anlaşılabilir bir kanıt sunar. Bu konu biraz daha detaylı bir şekilde anlaşılmak istenirse su yüzeyi akla getirilebilir.

Bu görsel, su yüzeyi analojisini temsil etmektedir. (El Confidencial)

Nasıl ki su yüzeyi dalgalıysa (Yükseltili alçaltılı) evrenin dokusu da düz değildir. Kütle çekimi tarafından bükülmüş durumdadır; ancak su yüzeyinde yaşayan iki boyutlu bir canlının su yüzeyinin üçüncü boyutundaki dalgalanmaları anlayamayacağı gibi üç geometrik boyutu olan bir evrende yaşayan canlılar, evrenin başka bir geometrik boyuttaki bükülmesini algılayamaz; lâkin hissedebilir. Yine su yüzeyi analojisine dönülecek olursa yüzeyde yaşayan iki boyutlu canlı, yüksek bir dalga tepesine tırmanırken onu geri iten bir kuvvetle karşılaşır; ama bunun onu üç boyutta etkilediğini anlayamaz. Evrende de uzay-zaman, bilinemeyecek bir boyutta büküldüğünde bu olay fark edilemez. Öte yandan uygulanan kuvvet tespit edilebilir.

Şimdi işler biraz daha karışsın ve bu iki boyutlu su yüzeyine bir girdap eklensin. İki boyutlu yüzeyde yaşayan canlılar, bu girdabın merkezini göremez. Dahası artık girdabın, suyun iki boyutlu düzlüğünden tamamen ayrıldığı ve dikeyleştiği bir daire vardır. Girdap merkezinin çevresinde yer alan iki boyutlu yüzeyde yaşayan canlılar da kendi uzaylarının başka bir boyuta doğru kıvrılmasını anlamlandıramaz. Suyun akış hızı bir noktada o kadar hızlanır ki o canlılar için o girdaptan kurtuluş olmaz. Paragrafın bu cümlesine kadarki kısmı kara delikler ile ilgili yaygın olarak bilinen bilgiler ile karşılaştırılınca birtakım benzerlikler fark edilebilir. İki boyutlu su yüzeyi dört boyutlu uzay-zaman hâline getirilirse, girdabın da boyutu artırılırsa merkezinde kendi iki boyutlu su yüzeyinden çıkar ve orasıyla haberleşme imkânsız olur. Durum evrendeki kara delikler için de böyledir. [13]

Gözlemlenebilir evrenin üç boyutlu modellemesi. Tabii ki bizler, baktığımız düzlemin iki boyutlu olması dolayısıyla bu görseli iki boyutlu algılayabiliyoruz. (University of Waterloo)

Gravitasyonun zaman üzerindeki etkisi: Evet, kara delikler zamanı da büker, kütlesi olan diğer bütün cisimler gibi. Kara deliklerin zamanı nasıl büktüğünü anlamak için zamanın ne olduğunu kavramak gerekir.

Zaman, çoğu kişinin düşündüğü gibi mutlak değildir. Yani evrenin her yerinde aynı değildir. Bu farkı oluşturan şey ise ivme değişimidir. Gelinen noktada bir soruya cevap aranması gerekmektedir: Bir asansörün içerisinden düşüldüğü, bir uzay roketinde hareketsiz kalındığı nasıl ayırt edilebilir? Başka bir deyişle Dünya’da durulduğu, Dünya’nın çekim ivmesi ile eşit değerde hızlanan bir roketle nasıl ayırt edilebilir? Dışarıya göz atılmadığı sürece iki sistemde de bir fark hissedilmez. Esasında bu soru Einstein tarafından yöneltilmiştir. Soru üzerine düşünen Einstein’ın keşfine göre gravitasyon alanına girmek ile ivmelenmek aynı şeydir. Aslında Dünya’nın merkezine doğru düşülüyor; ama “Yer” denilen şey Dünya’daki tüm varlıkları tutuyor. Kara deliklerin zamanı bükmesine gelinirse: Zaman da bir boyuttur ve bükülebilir. Hatta zaman, uzay ile iç içe bulunur. Bu yüzden genelde “Uzay-zaman” olarak ifade edilir. Bir kara delik, etrafındaki uzayı akılalmaz boyutlarda büktüğü için uzayla birlikte zaman da bükülür. Bükülen zaman boyutuna girildiğinde ise zamandaki hareket yavaşlar veya hızlanır. [14]

Kara deliklerin etkileri

Yakınındaki maddeler ve yörüngeleri üzerindeki etkileri

Kara deliklerin etkileri genellikle diğer cisimler üzerinde fark ediliyor, bu farkındalıklar sonucu aktarılan verilere göre çıkarımlar yapılıyor ve hipotezler, kanunlar, kuramlar ortaya çıkarılıyor. Önceki ana başlıklarda bahsedildiği gibi kara delikler, uzay-zaman dokusunu muazzam şekilde büken gök cisimleridir. Bu bölümde Genel Görelilik Kuramı’nı kullanarak kara deliklerin diğer cisimler üzerindeki etkisi ele alınacaktır.

Kütlesi olan her cisim, uzay-zamanda eğriliğe sebep olur. Bununla birlikte bazen kendilerinden daha büyük kütleli cisimler, kendilerinden yaptıkları yamulmadan daha büyük bir yamulmaya sebep olur. Bu durum da büyük kütleli cisimlerin küçük kütleli cisimlerde yörüngeden çıkarma veya doğrultudan sapma gibi etkilere yol açmaktadır. Ama iş kara deliklere geldiğinde kaçış yoktur. Işık dahi bu kütle çekimden kaçamaz. Kara delikler, yörüngede olan cisimleri yörüngeden çıkarabilir. Uzayda giden bir cismi ya da ışığı doğrultusundan saptırabilir hatta cismi büküp kendi alanına çekmeye başlayabilir. Özetle bir cismin & enerjinin kara deliğin kütleçekim kuvvetinden kaçınma olanağı yoktur.

Cisimlerin kütlelerinin artması sonucu uzay-zaman bükülmesinin de arttığını betimleyen bir görsel. Bu kısımda bahsi geçen olay şudur: Uzay-zaman bükülmesi daha az olduğundan yapacağı etki daha az olmalıdır (a); ama görüldüğü gibi kara delik, düz bir doğrultuda ilerlemek isteyen cismin gideceği doğrultuyu bükerek (Bozarak) kütleçekim etkisi ile bu cisme bir etki uygulamıştır (b) (University of Oregon)

Peki, olaya başka bir açıdan yaklaşmak gerekirse: Kara deliklere yaklaşmaya çalışılırsa bu etkileri nasıl deneyimlenir? Çoğu kişi kara delikleri genel olarak “Her şeyi yutan gök cisimleri” olarak biliyor. Fakat bu eksik bir nitelendirmedir. Kara delikler önüne geleni yutan kozmik elektrik süpürgeleri değildir. Bununla birlikte kara delik yörüngesinde bulunan bir cisim ile kara delik ile aynı kütleye sahip bir yıldızın yörüngesinde bulunan bir cismin hareketinin tamamen aynı olduğu söylenebilir. Cisim kara deliğe sadece birkaç Schwarzshild çapı kadar yaklaşırsa yörünge hareketi, Newton kütle çekiminden sapar. [15]

Açıkçası kara delikler bir nevi birer turnikedir. Bu benzetmenin yapılış sebebi ise kara deliklerin maddenin sadece içeri doğru olmak üzere tek yönlü geçişine izin vermesidir. Kara deliğin içine doğru düşen maddeye çok güçlü gelgit kuvvetleri etki eder (Kara deliğin merkezinin yakınlığından ötürü kara deliğin bir kişi üzerindeki kütleçekim kuvvetinin, serbest düşüşe bağlı olarak baş ile ayak parmağı arasında 1 trilyon kat fark olacağı anlamına gelir.). Bu tür kuvvetlere aynı zamanda “Gelgit kuvvetleri” denir. Diğer bir deyişle kişi, olay ufkuna ayakları önden bir şekilde düşecek olursa ayaklarına uygulanacak olan çekim kuvveti, kafasına uygulanacak olan kütleçekim kuvvetinden kat kat daha büyük olacaktır.

Örnek verilecek olursa: Şanssız bir kişi en az 1,4 Güneş kütlesine sahip bir kara deliğin içine doğru balıklama bir biçimde düşecek olsaydı boyu gelgit kuvvetleri sebebiyle uzar, yatayda ise bunun aksine vücudu sıkışırdı (Sıkışma olayına bu durumun yaşanması sonucu oluşan şekle ithafen “Spagettifikasyon” da denir.). Ek olarak aşırı bir şekilde hızlanmaya başlar. Kişi sözü edilen olayları yaşarken eş zamanlı olarak kara deliğe yaklaştığından bu etkileri gittikçe daha fazla deneyimleyecektir.

Süper kütleli bir kara deliğin içerisine düşmeniz durumunda gerçekleşebilecek iki senaryo (Hürriyet)
Spagettifikasyon olayının özeti (Bilsen Beşergil)

Uzama, sıkışma ve hızlanma olayları sonucunda kara deliğe düşen bir cisim, aşırı ısınmaya başlar. Süreç devam edecek olursa madde, daha olay ufkuna bile ulaşmadan “Işınım (Radyasyon)” yaymaya başlar. Güneş kütlesindeki bir kara delik için bu enerji, X-ışını dalga boyundadır (109 ila 1011 cm). Madde, kara delik dışındayken kendisini etkileyen kütleçekim enerjisi, madde karadeliğe düşerken ısıya dönüşür. Sonuç olarak kara delikler, hiçbir şeyin ondan kaçamayacağı cisimlerden beklenenin aksine etraflarındaki bölgeler büyük birer enerji kaynağıdır. Öte yandan unutulmaması gereken bir gerçek var: Olay ufkunu geçen sıcak maddenin yaydığı radyasyon. Çünkü bu enerji, artık kara delikten dışarı çıkamaz. [16]

Aktif galaksi çekirdekleri (AGÇ) ve kara delik-jet etkileşimleri

Evreni keşif yolculuğunda uzay teleskoplarını kullanırken Hubble Uzay Teleskobu (HUT/HST) ile gerçekleştirilen gözlemler, Samanyolu Galaksisi dışında farklı galaksilerin de olduğunu fark ettirmiştir. Bu teleskopla galaksileri incelerken bir keşif gerçekleştirildi. Bu keşif, “Aktif Galaksi Çekirdekleri (AGÇ/AGN)” olarak bilinmektedir. Bu keşfin uzaycılık adına konumu, bazı örneklerle daha iyi anlaşılacaktır.

Sanatçının “Birleşik model”e göre AGN izlenimi (ESA)

Evrende adeta: “Biz buradayız.” diyen, büyük emisyon (Salınım) patlamalarıyla elektromanyetik spektrum içerisinde kendilerini megaparseklerce (1 megaparsek 3.262.000 ışık yılı) gösteren galaksiler mevcuttur. Bu galaksilerin tespit edilebilmesinin sebebi, merkezlerindeki bir şeyin yaptığı ışımanın Dünya’ya ya da yakınlarına kadar ulaşmasıdır. Bu ışımanın kaynağı nedir? Kaynağı öğrenmek için evrenin başlangıcını öğrenme amacında olduğu gibi zaman geriye sarılarak galaksilerin geçmişteki hâllerine odaklanılması gerekir.

O zamanlara bakılacak olursa “Merkez (Çekirdek)” denen kısımda yoğun bir şekilde yıldız bulunuyordu. Yıldızlar, kütleçekimsel etkiler aracılığıyla çarpışarak şiddetli yıldız patlamaları gerçekleştirdi. Bu patlamalar sonucunda kara delikler oluştu. Kara delikler, merkezdeki yıldızları yuttu. Kara delikler, diğer kara delikleri yutmaya başladı ve en sonunda bir kara delik galip geldi, çoğu gök cismini yuttu. Galaksinin merkezine yavaş yavaş geçmeye başlayan galip kara delik, eş zamanlı olarak aynı şekilde madde yutmaya devam etti. Milyarlarca Güneş kütlesine ulaştığında adeta bir canavara dönüştü. Galaksinin merkezinde yer alan tahtına oturdu ve zamanla etrafını yıldızlar arası madde yani sıcak gazlar (Örneğin: hidrojen, helyum…), yıldızlar ve diğer maddeler çevirmeye başladı. Bu maddeler, kara deliğin kütle çekimi etrafında yüksek hızlarda ve sürtünme dolayısıyla aşırı yüksek sıcaklıklarda dönmeye başladı. Kara deliğin etrafında bir “Akresyon (Toplanma) diski” oluşturdu. Disk ve etrafındaki maddeler o kadar ısınıp hızlandı ki ışıma yapmaya başladı. Işımalar, güçlü radyo dalgaları ve x-ışınları şeklinde yayılır. Tüm bunlarla birlikte akresyon diski ve kara deliğin çevresi güçlü bir manyetik alana sahip olur.

S. Dagnello tarafından oluşturulmuş bir “İlkel galaksi” izlenimi (NRAO)
Bu görüntü, kara delik görselleştirmesinin çeşitli yönlerini vurgulamaktadır. (NASA)

Gelinen noktada jetlerden bahsedilmesi son derece önemlidir. Bu makaleyi okuyanlar arasında belgeselseverler varsa şu anki paragraf tam olarak kendilerine hitap ediyor. Öncelikle kış uykusundan yeni uyanmış, büyük bir yılan akıllara gelsin. Aşırı derecede aç ve önüne gelecek her şeyi yemek istiyor. Açlıktan o kadar gözü dönmüş ki karşısına bir fare çıkmış ve onu kolaylıkla yiyip sindirmiş. Bir tavşan görmüş, onunla da beslenmiş ve yedikçe daha da büyümüş. Bu yılan dışında kuzu veya benzeri hayvanlar yutan ve zor da olsa sindirmeyi başaran yılanlar vardır. Ya bu yılanlar bir fil yutmayı deneseydi?.. Evet, kulağa absürt gelebilir; ancak sonuç olarak yılan, filin tamamını yutamazdı. Yutmayı deneseydi bile hızlı bir şekilde kusardı ve az bir kısmını sindirebilirdi. [17]

Bir örnek daha vermek gerekirse: Hava çok sıcak ve susadınız. Hemen bir çeşmeye ya da evinize gittiniz ve susuzluğumuzu gidermek amacıyla suyu sonuna kadar açıp içmeye çalıştınız. Ama bir sorun oldu: Su çok fazlaydı ve yanaklarınız şişti. Bir yandan içmeye çalışıyorsunuz. Ancak ne yaparsanız yapın su size fazla geldiği için onu fışkırtmanız (Tükürmeniz) gerekir (Küçük ağıza büyük lokma sığmaz.). Özetle kara delikler de bazı canlılar gibi kusmaktadır.

Jet açığa çıkaran M87* kara deliğinin izlenimi (Chandra X-Ray Observatory)

Makale boyunca kara deliklerin kütleçekim kuvvetiyle maddeleri yutarak büyümesi olayı, farklı örneklerle açıklanmıştır. Kara delikler, bazen büyük gök cisimlerini tek lokmada yutmaya çalışır; ancak başaramaz. Bu açgözlüce davranış, kara deliğin avının büyük bir kısmını kaçırmasına neden olur. Eğer kara delik bir anda hazmedemeyeceği bir gök cismi yutmayı denerse kutuplarında “Jetler” denilen oluşumlar meydana gelir. Kara delik, maddeyi yutmaya başlar ve maddenin büyük bir çoğunluğu daha kara deliğin merkezine ulaşamadan kutuplarına kayar. Maddenin bir kısmıysa kutuplarında oluşan jetler tarafından uzaya püskürtülür.

Akıllara şu soru gelebilir: Hiçbir madde kara delikten kaçamıyorsa tam olarak ne oldu? Cevap basittir: Kara deliğin yutmaya başladığı maddenin büyük bir kısmı olay ufkuna yani nihai kısma gelmediği için kaçabilmektedir. Hâlihazırda tamamı olay ufkuna girmiş madde hiçbir şekilde kaçamaz. Yani kara delik, madde olay ufkuna giremeden kutup bölgelerine kaçarsa manyetik türbülans ile onu ışık hızının %90 civarına kadarlık bir hızla uzaya fırlatabilmektedir  (“Işık hızı geçildi.” gibi ifadelerin oluşmasının sebebi hatalı ölçümlerdir. Çünkü kara delikler gözlemlenmesi mümkün olmayan cisimlerdir, kara delikler değil ancak onların çevrelerine olan etkileri gözlemlenebilir.). [18]

Bu GMVA + ALMA görüntüsü, M87’nin jet ve kara delik gölgesini ilk kez bir araya getirerek bilim insanlarına güçlü bir jetin nerede oluştuğunu anlamaları için gereken kaynağı sağlıyor. Ayrıca yeni gözlemler, görüntünün yakınlaştırılmış kısmında gösterilen kara delik halkasının, bilim insanlarının daha önce inandığından %50 daha büyük olduğunu ortaya çıkardı: 50μ. 1μ (Mikron), 1 milimetrenin binde biri büyüklüğündedir. (Green Bank Obsercatory)

En yeni gelişmeler

Kara delikler, yıllardır bilinip araştırılmaktadır. Şimdiye kadar yapılmış çalışmalar hem evren hem de kara delikler hakkında birçok bilgi katmıştır. Mesela, 2019 yılında “Messier 87 (M87*)” isimli kara deliğin fotoğrafının “Event Horizon Telescope (EHT, TR: Olay Ufku Teleskobu)” tarafından çekilmesi büyük bir kilometre taşıydı.

Üç yıl sonra bir başka kara delik olan Sagittarius A*, yine aynı teleskop tarafından gözlemlendi. Geçen sene Messier 87’nin sesi bile başarıyla kaydedildi. İşte, bu keşiflerden sonra kara delikler hakkında daha da çok şey öğrenme isteği doğdu. Sonuç olarak kara delikler, dolaylı olarak gözlemlenebilir hâle geldi.

Bu infografik (Görsel bilgi), Olay Ufku Teleskobu’nun ve “Global mm-VLBI Array”in (GMVA, TR: Küresel Milimetrik-Çok Uzun Başlangıç İnterferometri/Girişimölçer Dizisi) katılımcı teleskoplarının konumlarını detaylı olarak aktarmaktadır. Amaçları, Samanyolu’nun merkezindeki süper kütleli kara deliğin olay ufkunun gölgesini ilk kez görüntülemenin yanı sıra Galaktik Merkez (EN: Galactic Centre) etrafındaki yığılma ve dışarısındaki akışın özelliklerini incelemektir. (Umut Yıldız)
Olay Ufku Teleskobu ile ilk kara delik görüntüsünün yolculuğu (Event Horizon Telescope)
Kronolojik olarak M87* görüntüleri
(Instagram – bir_marslinin_gunlugu)
Polarize ışıkta M87* görünümü. Gök bilimciler, ilk kez kara deliklerin manyetik alan imzası olan, enine dalgaların salınımlarının geometrik yönünü belirten kutuplaşmayı bu kadar yakın bir şekilde ölçebildi. (2021) (Event Horizon Telescope)

Gözlemlemek, bu konuda gerçekleştirilen en önemli eylemlerden biridir. Bilimsel doğruları ve matematiksel hesaplamaları doğrulayabilmek için bir görüntü dahi önem arz etmektedir. Her ne kadar bir kara deliği gözlemlemek için Dünya’nın her tarafından onlarca teleskop aynı bölgeye odaklansa ve bu görüntünün anlaşılabilir şekilde işlenebilmesi uzun zaman dilimleri alsa da bugün gerçekleştirilebiliyor olması yine de uzay gözlemleri adına büyük bir kilometre taşıdır. [19]

VLBA (TR: Çok Uzun Taban Çizgisi Dizisi), GBT (TR: Green Bank Teleskobu), ARO/SMT (TR: Arizona Radyo Gözlemevi/Milimetre Altı Teleskobu) ve JCMT (TR: James Clerk Maxwell Teleskobu)
SMA (TR: Harward Milimetre Altı Teleskobu), LMT (TR: Büyük Milimetre Teleskobu), ALMA (TR: Atacama Büyük Milimetre/Milimetre Altı Dizisi), APEX (TR: Atacama Yol Bulucu Deneyi) ve SPT (TR: Güney Kutbu Teleskobu)
IRAM (FR: Institut de Radioastronomie Millimetrique/TR: Milimetrik Radyo Astronomi Enstitüsü), OAN’a (ES: Observatorio Astronómico Nacional de España/TR: İspanya Ulusal Astronomi Gözlemevi) bağlı Yebes Gözlemevi ve MPⅠfR’ye (DE: Max-Planck-Institut für Radioastronomie/TR: Max Planck Radyo Astronomi Enstitüsü) bağlı Effelsberg Radyo Gözlemevi

Yakın geçmişteki görevlerin yanında gelecekte gerçekleştirilecekler de bir o kadar önemlidir. “LUVOIR (EN: Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor, TR: Büyük Ultraviyole/Optik/Kızılötesi Ölçümcü/Sörveyör)” teleskobu, bu kritik görevlerden birisidir.

2030’ların sonlarında fırlatılması planlanan LUVOIR’in Seattle’daki Amerikan Astronomi Topluluğu’nun 233. buluşmasında sergilenmiş olan lego tasarımı (Space.com)
LUVOIR’in üç boyutlu tasarımı (YouTube)

İlk olarak LUVOIR, 2016 yılında dört teleskop arasından seçilmiştir. LUVOIR’in asıl amacı, ötegezegenleri gözlemlemek ve yaşama dair ipuçları bulmaktır. Ancak LUVOIR’in morötesi ışınları algılayabilme özelliği ile beraber evrenin birçok sırrı ortaya çıkacaktır. Teleskop, evrenin derinliklerindeki cisimleri ve nesneleri analiz edebilecek, kara delikler dâhil. LUVOIR’in yapısal özelliklerine odaklanmak gerekirse James Webb’den katlarca büyük bir teleskop olduğu söylenebilir. Yapısal olarak James Webb’e benzeyen LUVOIR, James Webb’den yaklaşık 2,5 kat daha büyüktür. James Webb’in aynasının çapı 6,5 metre iken LUVOIR teleskobunun aynası 15 metre çapında olacaktır. LUVOIR’ın 2039-2040 senelerinde fırlatılması planlanıyor.

Teleskop-ayna karşılaştırması. Bilim insanları ve mühendisler, sözü edilen teleskop için iki adet tasarım üzerinde çalışmaktadır: LUVOIR-A ve LUVOIR-B. (ScienceNews)

Bu teleskop, planlandığı kadarıyla o kadar büyüktür ki şu anda Dünya gezegeni üzerinde onu fırlatabilecek kapasitede bir roket yoktur. Ancak 2040’larda, NASA’nın “SLS” ve SpaceX’in “Falcon Heavy” roketlerinin geliştirilmesi sonucunda fırlatılabilecektir. Eğer o tarihe kadar NASA’nın SLS roketi geliştirilemez ise SpaceX’in Falcon Heavy roketi ile fırlatılacaktır. Görevler için öncelikle kullanılması hedeflenen roket SLS’tir. [20]

NASA’nın SLS roketi (NASA)
SpaceX’in Falcon Heavy roketi (SpaceX)
NASA’nın 2040 hedeflerine göre 2038-2039 yıllarında gerçekleştirmek istediği projeler (NASASpaceFlight/NSF)

Kara delikleri anlamaya yönelik daha fazla bilimsel keşif yapmak, evrenin temellerinin anlaşılmasına ve uzayın en derin sırlarının çözülmesine yardımcı olabilir. Kara deliklerin iç yapısı hakkında daha fazla bilgi edinmek mühimdir. Çünkü şu ana kadar kara deliklerin içinde neler olup bittiği konusunda tam bir anlayışa ulaşılamamıştır. Gelecek keşifler iç dinamikleri aydınlatarak Genel Görelilik Kuramı’nın daha iyi anlaşılmasına ve geliştirilmesine, kuantum mekaniği ile uyumlu bir teoriye ulaşılmasına katkıda bulunacaktır.

İkincisi süper kütleli kara deliklerin oluşumu ve evrimi daha iyi anlaşılmalıdır. Galaksilerin merkezinde bulunan süper kütleli kara deliklerin galaktik yapıların şekillenmesinde önemli rol oynadığı üzerinde önceki bölümlerde durulmuştur. Olası gözlem ve simülasyonlar, bu devasa kara deliklerin nasıl oluştuğunu, büyüdüğünü ve etraflarındaki ortamla nasıl etkileşime girdiğini daha net bir biçimde açığa çıkaracaktır. [19]

Kara deliklerin çevrelerindeki maddelerle gerçekleştirdiği etkileşimleri daha iyi anlamaya yönelik çabalar da artırılmalıdır. Yüksek enerji jetleri, etraflarındaki gaz ve toz disklerindeki hareketlenmeler gibi bir dizi olay, evrenin farklı süreçlerini değiştirme potansiyeline sahiptir. Sözü edilen etkileşimleri anlamak, kara deliklerin çevrelerindeki maddeyi nasıl şekillendirdiğinin ve evren evrimindeki rolünün daha iyi kavranmasına destek olacaktır.

Sonuçta kara delikler hakkındaki bilimsel keşifler, gelecekte önemli bir rol oynamaya devam edecek. Bu nesnelerin anlaşılması, evrenin temel doğasına dair büyük bir kapıyı açabilir ve insanlığın, evrenin derinliklerindeki sırlara ulaşmasına olanak sağlayabilir. Yeni gözlem teleskoplarının ve diğer bilimsel teknolojilerin gelişimi, kara deliklerin bilinmeyen yönlerine ışık tutacak, belki de evrenin en büyük gizemlerinden birinin çözülmesini sağlayacak. [20]

Sonuç ve gelecek çalışmalar

Kara deliklerin uzaycılıktaki yeri nedir?: Kara deliklerin önemi ve gelecekteki araştırmaların potansiyeli dört başlıkta özetlenebilir. Bu başlıkta geçmiş bölümlerden bazı hatırlatmalara yer verilmiştir.

  1. Evrenin oluşumu ve evrimi: Büyük kütleli yıldızlar, ömürlerinin sonunda çökerek kara deliklere dönüşebilir. Bu süreç, evrendeki yıldız oluşumu ve nihâyetinde galaksi oluşumu için önemli bir faktördür. Kara deliklerin evrimi ve etkileri, evrenin genel yapısı ve geleceği hakkında büyük olasılıkla önemli bilgiler sunacaktır.

  1. Kütle çekimi ve temel fizik: Kütle çekimi ile ilgili en yoğun ve aşırı durumları temsil eden kara delikler, kara deliğin olay ufkunun özellikleri ve içindeki uzay-zamanın davranışı gibi konular aracılığıyla temel fiziğin anlaşılmasına katkıda bulunur. Bu nedenle kara delikler üzerindeki araştırmalar, temel fizik yasalarının daha nitelikli anlaşılması ve mevcut teorilerin sınırlarının test edilmesi için geniş bir potansiyele sahiptir.

  1. Kozmolojik ölçekler: Kara delikler, evrenin büyük ölçekli yapısının oluşumunu etkiler. Galaksi kümeleri ve süperkümeler gibi kozmolojik yapılar, kütleçekimsel etkileşimlerle bir araya gelir ve kara deliklerin varlığından etkilenir. Kara deliklerin dağılımı, büyüklükleri ve etkileşimleri; evrendeki kozmolojik süreçleri anlamak için değerli bir gösterge olabilir.

  1. Evrensel enerji ve madde: Evrende bulunan enerji ve maddenin davranışını anlamak için de önemli bir role sahip olan kara deliklerin süper kütle çekimi, yakınlarındaki maddeyi emer ve yutarak büyür. Bu süreç, evrendeki enerji ve madde döngüsünü etkiler. Büyük ölçekli kara deliklerin evrimi, evrensel enerji ve madde dengesini etkileyecek kadar köklüdür. [21]


Yapılan araştırmalar neler vadetmektedir?: Gelecekteki araştırmaların potansiyeli; kara deliklerin iç yapısı, radyasyon ve karanlık madde olmak üzere üç uzay olgusuyla ele alınabilir.

  • Kara deliklerin iç yapısı: Önceki bölümde bahsedildiği üzere hâlâ bilinmezlikler içeren bir konudur. Genel Görelilik Kuramı, kara deliklerin içinde sonsuz yoğunluğa sahip “Tek bir nokta” olarak tanımlanır. Ancak kuantum mekaniği ve kara delik termodinamiği gibi alanlardaki çalışmalar, kara deliklerin iç yapısının anlaşılmasına yardımcı olabilir. Araştırmalar, kara deliklerin içindeki fiziksel süreçlerin hatta yeni bir fiziksel düzenin keşfedilmesinde rol oynayabilir.

  • Radyasyon: Stephen Hawking tarafından öne sürülen “Hawking radyasyonu”, kara deliklerin teorik olarak ışıma yapabileceğini öne sürer. Bu radyasyon, kara deliğin kütlesini zamanla azaltır ve sonunda buharlaşmasına neden olabilir. Fakat bu teorik radyasyon, henüz deneysel olarak doğrulanmamıştır. Hawking radyasyonunun varlığını ve etkilerini gözlemlemeyi amaçlayan çalışmalar gerçekleştirilebilir.

  • Karanlık madde: Kara deliklerin, karanlık maddenin doğasını açıklamak için kullanılabileceği öneriler arasında yer alır. Neticesinde karanlık maddenin bir bileşeni olabilir veya karanlık maddeyi yakalayabilirler. Bu teorik bağlantılar henüz tam olarak anlaşılmamıştır; ancak gelecekteki araştırmalar, kara deliklerin karanlık maddenin doğasına ve kökenine olan etkisinin daha iyi anlaşılmasına önayak olabilir.

Özetlemek gerekirse kara deliklerin önemi; evrenin oluşumu, temel fizik, kozmoloji ve enerji-madde dengesi gibi birçok alanda yatmaktadır. Yeni keşif ve araştırmalar, kara deliklerin iç yapısını, radyasyon durumunu ve karanlık madde ile olan ilişkisinin kavranmasına yardımcı olarak evrenin sırlarını aydınlatabilir. Her bir çalışma hem temel bilim hem de teknolojik gelişmeler için büyük potansiyel taşımaktadır. [22]


Gelecekte neler yapılabilir: Bu bölümü görür görmez hepinizin aklına uzay teleskopları gelecektir. Sonuç olarak evrendeki cisimleri ve maddeleri anlayabilmenin tek yolu uzaya gönderilen araçlardır. Dünya üzerinde de çok değerli gözlemler ve deneyler yapıldığı doğru; ancak kara delik gibi ne olduğu tam olarak bilinemeyen cisimler için uzay teleskopları biçilmiş kaftandır.

“Uzay teleskobu” demişken James Webb’den bahsetmemek olmaz. James Webb uzay teleskobu, 25 Aralık 2021 Tarihinde Fransız Guyanası’ndan uzaya gönderildi. On yıllar boyunca üzerinde çalışılan teleskop, şu ana kadar uzayda geçirdiği sürede bile pek çok araştırma gerçekleştirdi. Mesela ilk defa bir ötegezegenden veriler aldı, atmosferi hakkında bilgi akışı sağladı.

JWST’nin üç boyutlu tasarımı (Solar System Exploration)

James Webb, uzaycılığa bu kadar şeyi çok kısa zamanda kattıysa kara delikler hakkında neden hiç gözlem yapmıyor? James Webb şimdiye kadar galaksilerle beraber kara delikleri de gözlemledi. Ancak bu gözlemler detaylı değil; çünkü çok yakın zamanda fırlatılacak olan yeni bir teleskop bu görevi üstlenecek. Eğer ki James Webb tamamen kara deliklere odaklanırsa bu gök cisimleri on yıllarını harcaması gerekir. Bu süre zarfında çok daha geniş yelpazede keşifler yapılabilir. Aslında James Webb Teleskobu çığır açıcı niteliktedir. Bir şeyleri keşfeder, araştırır ve bilim insanlarını daha çok görev üzerine yönlendirir. Meraklı bilim insanları daha çok çalışır ve evrenin bilinmeyenleri için yeni cihazlar üretir. Döngü genellikle böyle devam eder. [23]

JWST’den ilk görüntüler: (Sol üst köşeden başlayarak saat yönünde) Yakın-kızılötesi ışıkta (Solda) ve orta-kızılötesi ışıkta (Sağda) NGC 3132 (TR: Güney Halka Bulutsusu), NGC 3372 (TR: Karina Bulutsusu), evrenin en net ve derin fotoğrafı ile NGC 7727 (TR: Kozmik Dans) (ESA)

Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından geliştirilmiş olan Euclid (Öklit) teleskobunu yapma fikri James Webb sayesinde gelmedi; ancak Euclid teleskobunun görevi kara delikler, evren, karanlık madde ve kozmik ağ üzerinedir. Bu kavramların ne olduğunun öğrenilmesi demek, kara delikler hakkında onlarca şeyin anlaşılması demektir.

Euclid’in temel ısısal ve yapısal görüntüsü (ESA)

Euclid teleskobundan kısaca bahsedilecek olursa: Projeyi gerçekleştirme fikri ilk olarak 2007 senesinde ortaya çıkmıştır. Başlarda görevin iki ayrı proje olarak yürütülmesi planlanıyordu; ancak sonrasında birleşme kararı alındı ve günümüz Euclid’i oluşturuldu. Fikrin oluşmasından 5 yıl sonra yani 2012 yılında proje, Avrupa Uzay Ajansı tarafından resmen kabul edildi ve çalışmalar başladı.

Euclid’in üç boyutlu tasarımı (JPL NASA)

Peki, 1 Temmuz 2023 tarihinde fırlatılmış olan Euclid teleskobu neleri aydınlatacak? 

  • Kozmik ağın yapısı ve tarihi nasıl şekillenmiştir?
  • Karanlık maddenin doğası nasıldır?
  • Evrenin genişlemesi zaman içerisinde nasıl değişti?
  • Karanlık enerji nasıl işler?
  • “Kütleçekim” tam olarak anlaşılabilmiş midir?

Bu konu başlıklarının hepsinin doğrudan kara delikler ile bağlantısı var. Örneğin, Euclid’in kütleçekim hakkında yapacağı araştırma ile birlikte kara deliklerin zamanı ve mekanı nasıl büktüğü daha iyi kavranmış olacak. Euclid, kara delikler bakımından işte bu yüzden önemlidir. [24]

Toparlanacak olursa: Euclid örneğinde de olduğu gibi gelecekte yeni ufuklara yelken açacak teleskoplar üretilmeye devam edilecek. İnsanlık, bu ufuklara yelken açtıkça merakı artacak. Merakı arttıkça daha fazla üretecek ve evreni keşfetmeye devam edecek. Uzaycılık adına olması gereken budur ve bahsedilen döngü aynen sürecektir.

Kaynaklar

  1. WEBSITE Dobrijevic, D., & Tillman, N. T. (2023). Black holes: Everything you need to know. Space.com. [Space.com]
  2. WEBSITE Basics | Black Holes – NASA Universe Exploration. (n.d.). NASA Universe Exploration. [NASA Universe Exploration]
  3. WIKIPEDIA ENTRY Kara delik. (2023, April 9). In Wikipedia. [Wikipedia Turkish]
  4. WEBSITE Himmet, F., & Demirer, M. (2020, October 21). Genel Görelilik Kuramı ve Kara Delikler. İstanbul Teknik Üniversitesi Astronomi Kulübü. [İstanbul Teknik Üniversitesi Astronomi Kulübü]
  5. WEBSITE Kayalı, Ö. (2020, December 12). Yıldız Astrofiziği – 5: Hidrostatik denge. Evrim Ağacı. [Evrim Ağacı]
  6. WEBSITE Bakırcı, Ç. M., Kayalı, Ö., & Tekin, B. (2019, April 13). Kara delik nedir? Kara delik nasıl oluşur? Evrim Ağacı. [Evrim Ağacı]
  7. WEBSITE Bakırcı, Ç. M. (2017, February 23). Chandrasekhar Limiti: Neden Gezegenler de Yıldızlar Gibi Kendi Üzerlerine Çökmüyorlar?. Evrim Ağacı. [Evrim Ağacı]
  8. BOOK Hawking, S. (2012). Zamanın Kısa Tarihi. Alfa Yayınları.
  9. BOOK Greene, B. (2010). Evrenin Dokusu. TÜBİTAK Yayınları.
  10. WEBSITE minutephysics. (2017, November 02). Schwarzschild Yarıçapı Nedir? Bütün Karadelikler “Aşırı Yoğun” Olmak Zorunda mı?. Evrim Ağacı. [Evrim Ağacı]
  11. BOOK Koupelis, T. (2017). Evreni Anlama Serüveni. Nobel Akademik Yayıncılık.
  12. WIKIPEDIA ENTRY Chandrasekhar limiti. (2022, October 9). In Wikipedia. [Wikipedia Turkish]
  13. JOURNAL Morris, M. R. (2023). The Galactic Black Hole. arXiv.org. [arXiv.org]
  14. BOOK Fabbri, A., & Navarro-Salas, J. (2005). Modeling black hole evaporation. Imperial College Press.
  15. WIKIPEDIA ENTRY Etkin galaksi çekirdeği. (2023, June 28). In Wikipedia. [Wikipedia Turkish]
  16. WEBSITE Durmaz, E. (2020, May 18). Aktif Galaksiler ve Kuasarlar. Mühendis Beyinler. [Mühendis Beyinler]
  17. WEBSITE Yel, B. B. (2023, January 23). Kara Delikler Işık Saçar Mı?. Evrim Ağacı. [Evrim Ağacı]
  18. WEBSITE Yavuz, S. (2021, May 9). Nedir Bu Karadelik Jetleri. Aklın Gölgesi. [Aklın Gölgesi]
  19. WEBSITE NASA (n.d.). Hubble Space Telescope. NASA. [NASA]
  20. WEBSITE LUVOIR Telescope. (n.d.). LUVOIR Space Telescope | Large ultraviolet Optical Infrared Telescope. LUVOIR Telescope. [LUVOIR Telescope]
  21. JOURNAL Falcke, H. (2017). Imaging black holes: past, present and future. Journal of Physics, 942, 012001. [Journal of Physics]
  22. JOURNAL Daher, W. S. (2021). Black holes in role, essence and function. Journal of Modern Physics, 12(06), 744–760. [Journal of Modern Physics]
  23. WEBSITE Webb Space Telescope GSFC/NASA. (n.d.). Webb Image Release. Webb Space Telescope GSFC/NASA. [Webb Space Telescope GSFC/NASA]
  24. WEBSITE The European Space Agency. (n.d.). Euclid. The European Space Agency. [The European Space Agency]

Bu eserin kullanım hakları ve dağıtımı PerEXP Teamworks’e aittir.

8 comments

Leave a Comment

Related Posts
Total
0
Share