3B simülasyonlar, süper kütleli karadeliklerin beklenenden daha hızlı beslendiğini gösteriyor

Yukarıdaki fotoğraf: Süper kütleli karadeliklerin çevrelerindeki gaz ve toz disklerinden beslenmelerinin yeni bir yolunu gösteren bir simülasyonun ekran görüntüleri - © Getty / A. Tchekhovskoy; Nick Kaaz; Northwestern University

Süper kütleli karadelikler, kendilerine ziyafet çekmeleri için gaz ve toz sağlayan tamamen beklenmedik bir kozmik dağıtım servisine sahip olabilir. Bu durum kozmik devlerin bilim insanlarının beklediğinden çok daha hızlı beslenmesine, yüzlerce hatta binlerce yıl yerine aylar boyunca tıka basa doymasına yol açabilir. Güneş'in milyonlarca hatta milyarlarca katı kütleye sahip süper kütleli karadeliklerin çoğu büyük galaksilerin merkezinde yer alır ve bunlar yığılma diskleri adı verilen geniş gaz ve toz tabakalarıyla çevrelendiklerinde çok yüksek enerji açığa çıkarırlar. Karadeliklerin beslenme oranlarına ilişkin bu yeni bulgular, bu süper kütleli devlerin çevrelerindeki maddeyi nasıl yuttuklarına ve bu sürecin galaksilerin evrimini nasıl etkilediğine ışık tutmaya yardımcı olabilir. Araştırma, karadelik dinamiklerini anlamak için yola çıkan ve bu anlaşılması güç olguların şaşırtıcı derecede hızlı bir beslenme oranını yakalayan bir grup bilim insanı tarafından gerçekleştirilen yüksek çözünürlüklü 3B simülasyonların bir sonucu. Bu artan beslenme hızı, bazıları aylar süren bir zaman ölçeğinde parlayan ve sönen kuasarların gerçek zamanlı gözlemleriyle de desteklenebilir. Northwestern Üniversitesinde astronom olan ekip lideri Nick Kaaz, “Gazın bir karadeliği beslemek için ona nasıl ulaştığı, yığılma diski fiziğinin temel sorunu” dedi. “Bunun nasıl gerçekleştiğini bilirseniz, diskin ne kadar sürdüğünü, ne kadar parlak olduğunu ve teleskoplarla gözlemlediğimizde ışığın nasıl görünmesi gerektiğini anlayabilirsiniz.”

Süper kütleli karadelikler o kadar büyüktür ki döndüklerinde uzay-zaman dokusunu da kendileriyle birlikte sürüklerler; bu olguya çerçeve sürüklenmesi etkisi denir. Oak Ridge Ulusal Laboratuvarındaki Summit süper bilgisayarı kullanılarak gerçekleştirilen 3B simülasyonlar, uzayın bu şekilde bükülmesinin yığılma disklerini parçaladığını ve bunların iç ve dış "alt disklere" ayrılmasına neden olduğunu gösterdi. Süper kütleli karadelikler iç diske bir bakıma aperatif muamelesi yapıyor, çünkü akşam yemeklerine önce orada bulunan gaz ve tozu yiyerek başlıyorlar. Bu gerçekleşirken, dış diskten gelen madde içeri süzülüyor ve sonunda iç diski yutan karadeliğin geride bıraktığı boşlukları dolduruyor. Doldurulan bu disk daha sonra ana yemek haline gelir ve beslenme sürecinin yeniden başlamasını sağlar. Ekibin simülasyonları, karadeliğin tüm kozmik yemek yeme, yeniden doldurma ve sonra tekrar yeme deneyiminin sadece birkaç ay içinde gerçekleşebileceğini öne sürdü; bu, daha önce hesaplanan zaman ölçeklerinden radikal bir şekilde daha hızlı. Bu durum, bazı kuasarların neden hızla parlayıp sonra da yok olduğunu açıklayabilir. Kaaz, “Klasik yığılma diski teorisi diskin yavaş geliştiğini öngörür” diyor. “Ancak karadeliklerin yığılma disklerinden gaz yemesiyle ortaya çıkan bazı kuasarlar, aylar ila yıllar arasında değişen zaman ölçeklerinde büyük ölçüde değişiyor gibi görünüyor. Bu değişim çok şiddetli.”

Aynı zamanda Northwestern'deki Astrofizikte Disiplinlerarası Keşif ve Araştırma Merkezi'nin (CIERA) bir üyesi olan Kaaz, simülasyonlardan diskin iç kısmının (bir kuasarın ışığının çoğunun geldiği yer) yok edildiğini ve daha sonra yenilendiğini ekledi. “Klasik yığılma diski teorisi bu ciddi değişimi açıklayamaz. Ancak simülasyonlarımızda gördüğümüz olgular potansiyel olarak bunu açıklayabilir. Hızlı parlama ve kararma, diskin iç bölgelerinin yok olmasıyla tutarlıdır.”

Bazı bilim insanları, süper kütleli karadelikleri çevreleyen yığılma disklerinin, merkez karadeliklerinin kütle çekimsel etkisi sayesinde, yaşadıkları şiddetli koşullara rağmen oldukça düzenli olduğunu öne sürmüşlerdir. Bu etki nedeniyle, yığılma disklerindeki gaz ve toz, aynı düzlemde kalarak ve boşluklarla aynı yönde dönerek karadeliklerin yörüngesinde dolanır ve gaz çok yavaş bir şekilde olay ufku olarak bilinen karadeliğin dış sınırına düşer. Kaaz, “On yıllar boyunca insanlar, yığılma disklerinin karadeliğin dönüşüyle aynı hizada olduğuna dair çok büyük bir varsayımda bulundular” diyor ve ekliyor: "Ancak bu karadelikleri besleyen gaz, karadeliğin hangi yöne döndüğünü bilmek zorunda değil, öyleyse neden kendiliğinden hizalansınlar? Hizalamayı değiştirmek resmi büyük ölçüde değiştirir.”

Yeni sunulan bu tablo, beslenen bir süper kütleli karadeliğin etrafında daha dağınık ve çalkantılı bir ortam olduğunu gösteriyor. Bunun temelinde, merkezi karadeliğe yaklaştıkça güçlenen, yığılma disklerinin yalpalamasına ve en iç bölgenin daha hızlı dönmesine neden olan çerçeve sürüklenmesi etkisi yatıyor. Bu, yavaşladıkça yalpalamaya başlayan bir topaçla karşılaştırılabilir, ancak iç yığılma diskinin yalpalanması dış diskin yalpalanmasından daha aşırıdır. Bu durum tüm disk sistemini büker ve farklı bölgelerden gelen gazın birbirine çarpmasına neden olup parlak şoklar oluşturarak malzemeyi süper kütleli karadeliğin kendisine daha da yaklaştırır. Sonunda, yalpalama etkisi o kadar güçlü hale gelir ki yığılma diski bölünür. Ortaya çıkan iç ve dış diskler ayrı ayrı evrimleşir ve farklı sallantılar geliştirir. Bu noktada, tüm yığılma diski dönen bir plakadan ziyade bir jiroskopun halkalarına benzer. Kaaz, “İç disk koptuğunda, bağımsız olarak ilerleyecektir” diyor. “Karadeliğe daha yakın olduğu ve küçük olduğu için daha hızlı hareket eder, bu yüzden hareket etmesi daha kolaydır.”

Ekip tarafından oluşturulan simülasyonlar, süper kütleli karadeliklerin çılgınca beslenmesinin, iç ve dış diskler arasındaki kırılma veya yırtılma bölgesinde başladığını gösterdi. Dahası, bu durum sürtünme diskleri birleştirmeye çalışırken, çerçeve sürüklenmesi etkisinin onları daha da ayırmasıyla gerçekleşiyor. Kaaz, “Karadeliğin dönüşü ile diskin içindeki sürtünme ve basınç arasında bir rekabet var” diyor. “Yırtılma bölgesi karadeliğin kazandığı yerdir. İç ve dış diskler birbiriyle çarpışır. Dış disk, iç diskin katmanlarını tıraşlayarak onu içeri doğru iter.” Diskler farklı açılarda yönlendirildiklerinden, dış disk iç diskin üzerine madde döküyor, bu da iç diski karadeliğe yaklaştırıyor ve diskin yutulma hızını artırıyor. Bu gerçekleşirken, karadeliğin muazzam kütleçekimi dış diski çekerek onu iç diskin yerini almaya zorlar.