Süper kütleli karadelikler nasıl oluşur?
Süper kütleli karadelikler Güneşimizin yüz binlerce ila milyarlarca katı kütleye sahiptir ve evrendeki neredeyse her büyük galaksinin merkezinde bulundukları düşünülüyor. Bilim insanları sadece birkaç tanesini doğrulamış olmalarına rağmen onlar hakkında epeyce bilgiye sahipler; ancak buna rağmen nasıl oluştukları hâlâ gizemini koruyor. Astronomları şaşırtan şey ise bu karadeliklerden bazılarının evrenin yaşamının çok erken dönemlerinde oluşmuş olması. Karadeliklerin çoğu, ömrünün sonuna gelip kendi kütleçekimi altında çökerek bir süpernova patlamasıyla ölen büyük bir yıldızın kalıntılarından oluşurken, bu durum süper kütleli karadeliklerin Büyük Patlama’dan 700 milyon yıldan daha kısa bir süre sonra nasıl ortaya çıktıklarını ve nasıl bu kadar devasa hale geldiklerini açıklamıyor. Evrenin bu döneminde, bu devasa karadeliklerin oluşması için yeterli zaman olamazdı.
Ancak yakın zamanda yapılan bir keşif, bazı süper kütleli karadeliklerin evrenin yaşamının bu kadar erken dönemlerinde nasıl oluşup bu kadar büyük bir kütleye ulaşabildiklerini daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir. Astronomlar James Webb Uzay Teleskobu’nu kullanarak, Pandora’nın Kümesi olarak adlandırılan Abell 2744 galaksi kümesi yönünde UHZ1 adı verilen uzak bir galaksinin yerini tespit etmeyi başardılar. Chandra X-ışını Gözlemevi’nin de katkısıyla, şimdiye kadar X-ışını dalgaboylarında gözlenen en uzak karadeliği bulmayı ve bazı şaşırtıcı keşifler yapmayı başardılar.
Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi’nden Ákos Bogdán, Princeton’dan Andy Goulding ve Yale Astronomi Bölümü başkanı Priyamvada Natarajan’ın da yer aldığı çalışma, NASA’nın teleskoplarının muazzam gücünü ortaya koydu. Özellikle de Temmuz 2022’de hizmete giren Webb’in neden milyarlarca dolarlık inşaatının her kuruşuna değdiğini bir kez daha kanıtlıyor. Ama aynı zamanda karadelikler hakkında bildiklerimize ve artık yeni bir uzak nesne sınıfının varlığına da yeni bir ışık tutuyor.
“Bogdán All About Space’e şunları söylüyor: “Bu karadeliğin tespiti özel bir gözlem kampanyasının parçasıydı. Webb, Abell 2744’ü evrenin erken dönemlerindeki galaksileri tanımlamak amacıyla birden fazla gözlem programında gözlemledi. Chandra gözlem programımızı bu Webb gözlemleri üzerine inşa ettik. Chandra programının amacı, Webb tarafından tespit edilen galaksilerdeki süper kütleli karadelikleri tespit etmekti.”
Güneş’in kütlesinin yaklaşık 140 milyon katı kütleye sahip olan UHZ1’i Pandora Kümesi yönünde tespit edebilmek, teknoloji açısından bir dönüm noktası ve zafer olarak nitelendirilebilir. Bunun nedeni, Dünya’dan 3,5 milyar ışıkyılı uzaklıkta Heykeltıraş Takımyıldızı’nda bulunan ve 350 milyon yıllık bir zaman diliminde dört küçük galaksi kümesinden oluşan Abell 2744 kümesinin gökyüzünün bu bölümünde çok baskın olmasıdır. Bu küme 4 milyon ışıkyılı genişliğinde ve 4 trilyon Güneş kütlesinde. Webb, buna rağmen UHZ1 galaksisinin soluk ışığını görebilecek kadar güçlü ve birçok kişinin hayal ettiğinden daha da geçmişi görebiliyor. Bogdán, “Webb bu keşifte önemli bir rol oynadı, çünkü galaksiyi tanımladı ve bize süper kütleli bir karadelik aramak için Chandra X-ışını Gözlemevi ile nereye bakmamız gerektiğini söyledi” diye açıklıyor. “Webb’in fırlatılmasından önce, bu son derece genç galaksiler gözlemlenemiyordu.
Webb’in yakın kızılötesi hassasiyeti ve geniş ışık toplama alanı, erken evrene göz atmayı ve UHZ1 gibi Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra oluşmuş galaksileri tespit etmeyi mümkün kıldı.”
Webb galaksinin yerini tespit ettikten sonra, galaksinin aslında kümeden daha uzak olduğu gibi önemli bir açıklama da dahil olmak üzere, galaksi hakkında daha fazla bilgi sağladı. UHZ1’in kırmızıya kayma değeri 10,1 olduğundan (Dünya’dan uzaklaşan cisimlerin yaydığı ışığın dalga boyundaki artışı ifade eden bir değer), galaksi yaklaşık 13,2 milyar ışıkyılı uzaklıkta bulunuyor. Evren şu anki yaşının sadece yüzde üçü kadarken oluşmuştur. Webb gözlemlerini, UHZ1’in ışığını arttırmak için Abell 2744’ün kütleçekimi aracılığıyla çekimsel mercekleme adı verilen bir teknik kullanarak yapabildi. Bu daha sonra Chandra kullanılarak yapılacak gözlemlerin yolunu açtı ve her iki teleskoptan gelen veriler birleştirilerek uzak galaksinin ve içindeki süper kütleli karadeliğin daha net bir resmini sundu.
Bogdán, “Kütleçekimsel mercekleme esasen kozmik bir büyüteçtir,” diye açıklıyor. “Tüm dalgaboylarından gelen ışığı büyütür ve galaksiden daha fazla foton toplamamıza yardımcı olur. Bu özellikle Chandra gözlemleri için çok önemliydi. UHZ1 durumunda, mercekleme büyütmesi yaklaşık dört kattı; yani mercekleme etkisi olmadan gözlemleyebileceğimizden dört kat daha fazla foton gözlemliyoruz. Bu önemli büyütme olmasaydı, UHZ1 ile ilişkili süper kütleli karadeliği tespit etmemiz mümkün olmazdı.”
Bilinen en eski X-ışını kuasarı unvanını alan bu büyüyen süper kütleli karadeliği tespit etmek için Chandra, UHZ1’i iki hafta boyunca gözlemler için kullandı. Bunun sonucu olarak da uzak galaksinin çekirdeğinde aşırı ısınmış X-ışını yayan yoğun bir gazın varlığı tespit edildi. Daha önce hiçbir süper kütleli karadelik bu büyüme aşamasında görülmediğinden, Nature Astronomy’de bir makale yayınlayan araştırmacıları oldukça heyecanlandırdı. Ayrıca bazı karadeliklerin oluşumuyla ilgili nispeten yeni bir teoriyi desteklemede uzun bir yol kat etti.
Bogdán, “Chandra çok yüksek enerjili fotonlara, özellikle de X-ışınlarına duyarlı olduğu için süper kütleli karadeliğin tespit edilmesinde çok önemliydi” diyor. “Büyüyen süper kütleli karadelikler, gazın çok yüksek sıcaklıklara kadar ısındığı ve X-ışını dalga boylarında fotonlar yayan bir yığılma diski biriktirir. Chandra, hızla büyüyen karadeliklerden gelen bu yüksek enerjili X-ışınlarını tespit edebiliyor ki çalışmanın kilit ölçümü de buydu. Chandra ölçümüne dayanarak, hızla büyüyen bu karadeliği tespit edebildik ve ayrıca süper kütleli karadeliğin, temelde daha düşük enerjili fotonları gizleyen önemli miktarda gazla çevrili olduğunu bulduk. Bu nedenle karadelik en iyi X-ışını dalgaboylarında ve özellikle de Chandra ile gözlemlenebilir.”
Genel veriler süper kütleli karadeliğin Samanyolu’ndakinden on kat daha büyük olduğunu gösteriyor. Karadelik on milyonlar ila yüz milyonlarca Güneş kütlesi arasında bir kütleye sahiptir ve bu da neredeyse ev sahibi galaksinin kütlesine eşit; bu, astronomları daha da şaşırtan bir gerçek. Hiç kimse evrenin oluşumunun bu kadar erken bir döneminde böylesine büyük bir süper kütleli karadelik görmeyi beklemiyordu, ancak karadelik gün gibi ortada ve astronomlara karadeliklerin nasıl oluştuğu konusunda fikirlerini değiştirecek büyük bir adım attırıyor.
Bogdán, “Sonuçlar şaşırtıcıydı; en çok da evrenin çok erken dönemlerindeki bir galakside, kütlesi galaksinin kendi yıldız kütlesiyle kıyaslanabilir bir karadelik tespit ettiğimiz için şaşırtıcıydı” diyor. “Yerel evrende karadelik kütlesinin galaksi kütlesine oranı yaklaşık yüzde 0,1’dir. Başka bir deyişle, bir galaksideki yıldızlar toplam kütle açısından karadelikten 1.000 kat daha büyüktür.
Karadelik kütlesinin yıldızların kütlesinin yaklaşık yüzde 10 ila 100’ü kadar olduğu UHZ1’de durum böyle değil. Büyük Patlama’dan sadece 470 milyon yıl sonra büyük bir karadeliğin tespit edilmesi ve bu karadeliğin kütlesinin galaksi kütlesine oranının çok yüksek olması, bize ilk tohum karadeliklerin nasıl oluşmuş olabileceğine dair kritik bilgiler veriyor; ayrıca UHZ1 örneğinde karadeliğin büyük bir gaz bulutunun çökmesinden kaynaklandığını gösteriyor.”
Başka bir deyişle, süper kütleli karadeliğin çok büyük bir kütleyle doğduğu ve bu sayede evrendeki diğer pek çok süper kütleli karadeliğe göre avantajlı olduğu anlaşılıyor.
Bogdán, “Ana fikir, bu karadeliklerin Güneş’in kütlesinin 10.000 ila 100.000 katı kadar büyük doğduklarıdır” diyor. Bu da yakın zamanda gözlemlenen süper kütleli karadeliği yeni bir cisim sınıfı kategorisine yerleştiriyor. “UHZ1’de gözlemlenen karadeliği açıklayan teori, anormal boyutlu karadelikler olarak adlandırılıyor. Bu modele göre karadelikler devasa kütlelerde ve galaksilerin evriminin erken dönemlerinde oluşuyor. Kozmik açıdan kısa bir süreliğine, karadeliklerin kütlesi galaksinin yıldız kütlesi ile karşılaştırılabilir. UHZ1 örneğinde gördüğümüz de tam olarak bu.”
Anormal boyutlu karadelikler teorisine Natarajan ve araştırma ekibi öncülük etti. Natarajan, erken evrende büyük doğum kütlelerine sahip ağır karadelik tohumları bulunduğunu ve bunların muhtemelen yıldız oluşumunun baskılandığı galaksilerde doğrudan çökme sonucu oluştuğunu söyledi. Büyük gaz disklerinin ağır karadelik tohumlarına çökebileceğini ve ana galaksilerle hızla birleşebileceğini öne sürdü. Natarajan teorisinin kanıtlanabileceğine o kadar inanmıştı ki, Webb ve Chandra’nın bu süper kütleli karadelikleri bulmaya yardımcı olabileceğini tahmin edecek kadar ileri gitti. Sadece bu da değil, Abell 2744’ün arkasında yüksek kırmızıya kayma değerine sahip bir süper kütleli karadeliğin bulunabileceğini bile söyledi. Sonuç olarak, tamamen haklıydı. Natarajan, “UHZ1, bu geçici aşırı kütleli karadelik galaksileri sınıfı için öngördüğümüz tüm özelliklere uyan ilk aday” diyor.
Şimdi astronomlar keşfedilmeyi bekleyen daha pek çok erken süper kütleli karadelik örneği olduğunu düşünüyor ve Webb ile Chandra’nın bunları bulmak için kullanılacağına bahse girebiliriz. Goulding, UHZ1’in “buzdağının yalnızca görünen kısmı olabileceğini” söylüyor ve Webb’in “erken evrene yeni bir pencere açtığını” belirtiyor.
Natarajan’a göre bu erken dönem süper kütleli karadeliklerin incelenmesi, bu cisimlerin bir galaksinin yıldızları kadar ağır olabilecekleri bir noktaya kadar nasıl büyüdüklerini, ancak galaksinin büyümesinin onu geride bıraktığını ve karadeliğin geride kaldığını da gösterebilecek. Bogdán, “Bir sonraki büyük zorluk, evrenin erken dönemlerinde daha fazla süper kütleli karadelik tespit etmek” diyor. “O zaman erken evrendeki karadeliklerin gözlemlenen ve tahmin edilen sayı yoğunluğunu karşılaştırabiliriz, bu da bize ilk karadeliklerin oluşum senaryoları ve evrimi hakkında daha önemli bilgiler sağlayacaktır.”
