Kara delik

Kara delik, genel görelilik teorisine göre hiçbir şeyin kaçamadığı bir uzay bölgesidir ve büyük bir kütlenin neden olduğu uzay-zaman eğriliğinin sonucudur. Bir kara deliğin etrafında olay ufku adı verilen, geri dönüşü olmayan bir konum vardır. "Siyah" olarak adlandırılır çünkü termodinamikteki mükemmel bir siyah cisim gibi, kendisine çarpan tüm ışığı emer ve hiçbir şey yansıtmaz.

Kuantum mekaniği teorisine göre kara deliklerin bir sıcaklığı vardır ve Hawking radyasyonu yayarlar, bu da onları yavaşça küçültür.

Bir kara delik, madde ile etkileşimi sayesinde bulunur. Bir kara deliğin varlığı, uzayda bir bölgenin etrafında dönen bir grup yıldızın hareketi izlenerek çıkarılabilir. Alternatif olarak, eşlik eden bir yıldız veya nebulanın neden olduğu bir kara deliğe gaz düştüğünde, gaz içe doğru spiral çizerek çok yüksek sıcaklıklara kadar ısınır ve büyük miktarlarda radyasyon yayar. Bu radyasyon yeryüzünden ve Dünya yörüngesindeki teleskoplardan tespit edilebilir.

Gökbilimciler ayrıca neredeyse tüm galaksilerin merkezinde süper kütleli kara deliklere dair kanıtlar bulmuşlardır. Gökbilimciler 16 yıl boyunca yakındaki yıldızların hareketlerini gözlemledikten sonra 2008 yılında Samanyolu galaksisinin merkezindeki Sagittarius A* bölgesinin yakınında 4 milyon güneş kütlesinden daha büyük bir süper kütleli kara delik olduğuna dair ikna edici kanıtlar buldular. Bir kara deliğin içinde fizik kuralları çok farklıdır.

Başak takımyıldızındaki süperdev eliptik galaksi Messier 87'nin çekirdeğindeki süperkütleli kara delik. Kara delik ilk kez doğrudan görüntülendi (Event Horizon Telescope, 10 Nisan 2019'da yayınlandı).

Arka plandaki bir galaksinin görüntüsünü bozan bir kara delik tarafından kütleçekimsel mercekleme simülasyonu (daha büyük animasyon)

Tarih

1783'te John Michell adında bir İngiliz din adamı, bir şeyin o kadar ağır olmasının mümkün olabileceğini ve yerçekiminden kurtulmak için ışık hızında gitmeniz gerekeceğini yazdı. Bir şey büyüdükçe ya da kütlesi arttıkça yerçekimi de güçlenir. Bir roket gibi küçük bir şeyin Dünya gibi daha büyük bir şeyden kaçabilmesi için bizim çekim gücümüzden kaçması gerekir, aksi takdirde geri düşer. Dünya'nın çekiminden kurtulmak için yukarı doğru hareket etmesi gereken hıza kaçış hızı denir. Daha büyük gezegenler (Jüpiter gibi) ve yıldızlar daha fazla kütleye sahiptir ve Dünya'dan daha güçlü yerçekimine sahiptir. Bu nedenle kaçış hızı çok daha yüksektir. John Michell, bir şeyin o kadar büyük olmasının mümkün olduğunu düşündü ki kaçış hızı ışık hızından daha hızlı olacaktı, bu yüzden ışık bile kaçamazdı. 1796 yılında Pierre-Simon Laplace, Exposition du système du Monde adlı kitabının birinci ve ikinci baskılarında aynı fikri savunmuştur (daha sonraki baskılardan çıkarılmıştır).

Bazı bilim insanları Michell'in haklı olabileceğini düşünürken, diğerleri ışığın kütlesinin olmadığını ve yerçekimi tarafından çekilmeyeceğini düşünüyordu. Teorisi unutuldu.

1916 yılında Albert Einstein yerçekiminin genel görelilik adı verilen bir açıklamasını yazdı.

Kütle uzayın (ve uzayzamanın) bükülmesine ya da eğrilmesine neden olur. Hareket eden şeyler "birlikte düşer" veya uzaydaki eğrileri takip eder. Buna yerçekimi diyoruz.
Işık her zaman aynı hızda hareket eder ve yerçekiminden etkilenir. Eğer hızı değişiyor gibi görünüyorsa, aslında uzayzamandaki bir eğri boyunca ilerliyordur.

Birkaç ay sonra Alman fizikçi Karl Schwarzschild, I. Dünya Savaşı'nda görev yaparken Einstein'ın denklemlerini kullanarak bir kara deliğin var olabileceğini gösterdi. 1930'da Subrahmanyan Chandrasekhar, güneşten daha ağır yıldızların yakacak hidrojen veya diğer nükleer yakıtları bittiğinde çökebileceğini öngördü. 1939'da Robert Oppenheimer ve H. Snyder, bir yıldızın kara delik oluşturabilmesi için Güneş'ten en az üç kat daha büyük olması gerektiğini hesapladı. 1967'de John Wheeler ilk kez "kara delik" adını icat etti. Ondan önce bunlara "karanlık yıldızlar" deniyordu.

1970 yılında Stephen Hawking ve Roger Penrose kara deliklerin var olması gerektiğini gösterdi. Kara delikler görünmez olmalarına rağmen (görülemezler), içlerine düşen maddenin bir kısmı çok parlaktır.

Kara deliklerin oluşumu

Yerçekimsel çöküş

Büyük (yüksek kütleli) yıldızların yerçekimsel çöküşü "yıldız kütleli" kara deliklere neden olur. Evrenin erken dönemlerindeki yıldız oluşumu çok büyük kütleli yıldızlarla sonuçlanmış olabilir ve bu yıldızlar çöktüklerinde 10³ güneş kütlesine kadar kara delikler üretebilir. Bu kara delikler, çoğu galaksinin merkezinde bulunan süper kütleli kara deliklerin tohumları olabilir.

Kütleçekimsel çöküşte açığa çıkan enerjinin çoğu çok hızlı bir şekilde yayılır. Uzaktaki bir gözlemci, kütleçekimsel zaman genişlemesi nedeniyle çökmekte olan maddenin yavaşladığını ve olay ufkunun hemen üzerinde durduğunu görür. Olay ufkundan hemen önce yayılan ışık sonsuz bir süre gecikir. Yani gözlemci olay ufkunun oluşumunu asla göremez. Bunun yerine, çöken madde daha sönük ve giderek kırmızıya kaymış gibi görünür ve sonunda kaybolur.

Süper kütleli kara delikler

Bilinen evrendeki hemen her galaksinin ortasında da kara delikler bulunmuştur. Bunlara süper kütleli kara delikler (SBH) denir ve en büyük kara deliklerdir. Evren çok gençken oluşmuşlardır ve tüm galaksilerin oluşmasına da yardımcı olmuşlardır.

Kuasarların, uzak galaksilerin merkezlerindeki SBH'lere malzeme toplayan yerçekiminden güç aldığına inanılmaktadır. Işık, kuasarların merkezindeki SBH'lerden kaçamaz, bu nedenle kaçan enerji, yerçekimsel stresler ve gelen malzeme üzerindeki muazzam sürtünme ile olay ufkunun dışında yapılır.

Kuasarlarda büyük merkezi kütleler (10⁶ ila 10⁹ güneş kütlesi) ölçülmüştür. Kuasar çekirdeği belirtisi göstermeyen birkaç düzine yakın büyük galaksi, çekirdeklerinde benzer bir merkezi kara delik içermektedir. Bu nedenle, tüm büyük galaksilerde bir tane olduğu, ancak sadece küçük bir kısmının aktif olduğu (radyasyona güç verecek kadar yığılma ile) ve bu nedenle kuasar olarak görüldüğü düşünülmektedir.

Işık üzerindeki etkisi

Bir kara deliğin ortasında, tekillik adı verilen bir çekim merkezi vardır. İçini görmek imkansızdır çünkü kütleçekimi herhangi bir ışığın kaçmasını engeller. Küçük tekilliğin etrafında, normalde geçip gidecek olan ışığın da içine çekildiği geniş bir alan vardır. Bu alanın kenarına olay ufku denir. Olay ufkunun ötesindeki alan kara deliktir. Kara deliğin kütleçekimi uzaklaştıkça zayıflar. Olay ufku, kütleçekiminin hala ışığı hapsedecek kadar güçlü olduğu ortadan en uzak yerdir.

Olay ufkunun dışında, ışık ve madde yine de kara deliğe doğru çekilecektir. Eğer bir kara delik madde ile çevriliyse, madde kara deliğin etrafında bir "yığılma diski" (yığılma "toplanma" anlamına gelir) oluşturacaktır. Bir yığılma diski Satürn'ün halkalarına benzer. Madde içine çekildikçe çok ısınır ve uzaya x-ışını radyasyonu yayar. Bunu, içine düşmeden önce deliğin etrafında dönen su gibi düşünün.

Çoğu kara delik, yığılma diskini ve jetini göremeyeceğimiz kadar uzaktadır. Bir kara deliğin orada olduğunu bilmenin tek yolu yıldızların, gazın ve ışığın onun etrafında nasıl davrandığını görmektir. Yakınlarda bir kara delik varken, bir yıldız kadar büyük nesneler bile farklı bir şekilde hareket eder, genellikle kara delik orada olmasaydı yapacaklarından daha hızlıdırlar.

Kara delikleri göremediğimiz için, başka yollarla tespit edilmeleri gerekir. Bir kara delik bizimle bir ışık kaynağı arasından geçtiğinde, ışık kara deliğin etrafında bükülerek bir ayna görüntüsü oluşturur. Bu etkiye kütleçekimsel merceklenme denir.

Sanatçının görüntüsü: Yakındaki bir yıldızın dış katmanını çeken bir kara delik. Bir radyasyon jeti oluşturan bir enerji diski tarafından çevrelenmiştir.

Einstein'ın Haçı: Bir Kuasar'dan Dört Görüntü

Hawking radyasyonu

Hawking radyasyonu, olay ufkuna yakın kuantum etkileri nedeniyle kara delik tarafından yayılan kara cisim radyasyonudur. Adını 1974 yılında varlığına dair teorik bir argüman sunan fizikçi Stephen Hawking'den almıştır.

Hawking radyasyonu kara deliğin kütlesini ve enerjisini azaltır ve bu nedenle kara delik buharlaşması olarak da bilinir. Bu, sanal parçacık-antiparçacık çiftleri nedeniyle gerçekleşir. Kuantum dalgalanmaları nedeniyle, parçacıklardan biri içeri düşerken diğeri enerji/kütle ile birlikte uzaklaşır. Bu nedenle, diğer yollarla kazandıklarından daha fazla kütle kaybeden kara deliklerin küçülmesi ve nihayetinde yok olması beklenir. Mikro kara deliklerin (MBH'ler) daha büyük kara deliklerden daha büyük net radyasyon yayıcıları olduğu ve daha hızlı küçülüp dağılmaları gerektiği tahmin edilmektedir.

Sorular ve Yanıtlar

S: Kara delik nedir?

C: Kara delik, içinden hiçbir şeyin, hatta ışığın bile kaçamadığı bir uzay bölgesidir. Uzayzaman büyük bir kütle tarafından büküldüğünde var olmaya başlar ve içindeki hiçbir şeyin çıkamayacağı bir olay ufkuna sahiptir.

S: Kara delikler neden siyahtır?

C: Kara delikler siyahtır çünkü kendilerine çarpan tüm ışığı emerler ve hiçbir şey yansıtmazlar, tıpkı termodinamikteki mükemmel bir kara cisim gibi.

S: İnsanlar kara delikleri nasıl bulur?

C: İnsanlar kara delikleri, uzayda bir yerde yörüngede dönen yıldızların hareketlerini izleyerek ya da gaz bir kara deliğin içine düştüğünde ve ısınıp çok parlak hale geldiğinde, Dünya'daki teleskoplarla ya da Dünya yörüngesindeki teleskoplarla görülebilecek şekilde bulurlar.

S: Süper kütleli kara delikler var mıdır?

C: Evet, astronomlar neredeyse tüm galaksilerin merkezinde süper kütleli kara deliklere dair kanıtlar bulmuşlardır. Gökbilimciler 2008 yılında Samanyolu galaksisinin Sagittarius A* bölümünün yakınında dört milyon güneş kütlesinden daha büyük bir süper kütleli kara delik olduğuna dair kanıt buldular.

S: Kuantum mekaniği kara delikleri nasıl gördüğümüzü etkiler mi?

C: Evet, kuantum mekaniğine göre kara deliklerin bir sıcaklığı vardır ve Hawking radyasyonu yayarlar, bu da onları yavaşça küçültür.

S: Bir kara deliğin içinde ne olur?

C: Bir kara deliğin içinde fizik kuralları bizim burada Dünya'da deneyimlediğimizden çok farklıdır.