Galaksilerin kalbindeki devler

Kanca

Mayıs 2018'de, Şili'deki dev teleskoplar galaksimizin tam merkezine yakın bir yıldızı izliyordu. S2 adlı bu yıldız, görünmeyen bir şeyin çevresinde sert bir dönemeç alıyordu. En yakın noktasında saniyede yaklaşık 7650 kilometre hızla, yani ışık hızının kırkta birinden fazla bir hızla geçti.

Bir yıldızı bu kadar hızlı savuran şeyi hiç görmüyoruz. Ama yıldızın çizdiği yoldan onu tartabiliyoruz: Güneş'ten dört milyon kat ağır ve Neptün'ün yörüngesinin dört katı kadar bir bölgeye sığmış bir cisim. Galaksimizin kalbinde bir dev kara delik uyuyor.

Merkezi soru

Galaksimizin merkezindeki süper kütleli kara deliğin varlığı ve kütlesi, çevresinde dolanan yıldızların yörüngelerinden nasıl hesaplandı ve bu devler galaksilerle nasıl bir ilişki içindedir?

Anlatım

Görünmeyeni yıldızlarla tartmak

Galaksimizin merkezi Yay takımyıldızı yönündedir ve arada kalın toz bulutları vardır. Görünür ışık oraya ulaşamaz, ama kızılötesi ışık tozu delip geçer. Gökbilimciler bu yüzden merkezdeki yıldızları kızılötesinde, onlarca yıl boyunca izledi. Ortaya, görünmeyen bir noktanın çevresinde dolanan bir yıldız sürüsü çıktı.

Bu sürünün en ünlüsü S2'dir. GRAVITY ekibinin 2018 ve 2019 çalışmalarına göre S2, Yay A (okunuşu "yay a yıldız", İngilizcesi Sagittarius A) adı verilen merkezi cismin çevresinde yaklaşık on altı yıllık, çok basık bir yörüngede dolanır ve ekip onu yirmi yedi yıl boyunca izledi. Ders 13.1'de bu yıldızın yörüngesini galaksi merkezine olan uzaklığımızı ölçmek için kullanmıştık; bu kez aynı yörüngeyle merkezdeki kütleyi tartacağız.

Çözümlü problem 1: Açıdan astronomik birime

GRAVITY ekibinin 2018'deki yörünge çözümüne göre S2'nin yörüngesinin yarı büyük ekseni gökyüzünde 125,38 miliyay saniyesi, yani 0,12538 yay saniyesi kaplar. Aynı çözümde merkeze uzaklık 8127 parsektir.

Bir yay saniyesi, bir parsek uzaklıkta tam bir astronomik birime karşılık gelir; parsek zaten böyle tanımlanmıştı. Öyleyse açıyı yay saniyesiyle, uzaklığı parsekle çarparak boyu astronomik birim cinsinden buluruz: a ≈ 0,12538 × 8127 ≈ 1019 AU. Bunu "sıfır virgül bir iki beş üç sekiz çarpı sekiz bin yüz yirmi yedi, yaklaşık bin on dokuz astronomik birim" diye okuruz.

Bu, Neptün'ün Güneş'e uzaklığının otuz katından fazladır; ışığın yaklaşık altı günde aldığı yol.

Çözümlü problem 2: Merkezin kütlesi

Ders 15.1'deki Kepler yasasının Newton biçimini kullanalım. Uzaklık astronomik birim, süre yıl cinsinden olduğunda toplam kütle, Güneş kütlesi cinsinden, M = a³ / P² olur. Sesli okunuşu: "kütle, yarı büyük eksenin küpünün, dönemin karesine bölümüdür." S2'nin kütlesi merkezdeki cismin yanında önemsizdir.

GRAVITY'nin çözümünde dönem 16,05 yıldır. Hesap: M ≈ 1019³ / 16,05² ≈ 1,06 × 10⁹ / 257,7 ≈ 4,1 × 10⁶ Güneş kütlesi. Yüksek sesle: "bin on dokuzun küpü, on altı virgül sıfır beşin karesine bölünür; yaklaşık dört virgül bir milyon Güneş kütlesi." GRAVITY ekibinin ayrıntılı çözümde bulduğu değer de 4,1 milyon Güneş kütlesidir.

Çözümlü problem 3: Dar bir bölgeye sığan dev kütle

GRAVITY'nin 2018 makalesine göre S2 en yakın noktasında merkezden yalnızca yaklaşık 120 astronomik birim, yani on yedi ışık saati uzaktan geçer. Dört milyon Güneş kütlesi, bu mesafenin içinde toplanmıştır.

Bu kütlenin Schwarzschild yarıçapı yaklaşık 1,2 × 10⁷ km, yani 0,08 astronomik birimdir. 120 astronomik birim, olay ufkunun yaklaşık bin dört yüz seksen katıdır; makale de yaklaşık 1400 Schwarzschild yarıçapı verir. Dört milyon Güneş kütlesini sıradan yıldızlar ya da sönük kalıntılar olarak bu dar bölgeye sığdırıp, birbirine çarpıp dağılmadan orada tutmanın bilinen bir yolu yoktur. En basit ve bilinen tek açıklama, tek bir süper kütleli kara deliktir (supermassive black hole).

Aynı yakın geçiş, bir sınav da oldu. GRAVITY ekibi, S2'nin ışığında görelilik kuramının öngördüğü kütleçekimsel kırmızıya kaymayı ölçtü ve verilerin salt Newton hareketiyle açıklanamayacağını, genel göreliliğe uyduğunu gösterdi.

Her galaksinin kalbinde bir dev mi?

Samanyolu tek değildir. Kormendy ve Ho'nun kapsamlı derlemesine göre, yıldızların ve gazın hareketlerinin ayrıntılı modellenmesiyle pek çok galakside merkezde süper kütleli kara delikler bulundu. En şaşırtıcı bulgu, kara deliğin kütlesinin, galaksinin merkezi şişkinliğindeki yıldızların hız dağılımıyla sıkı bir ilişki içinde olmasıdır. Küçük bir kara delik, galaksinin geri kalanının yanında minicik olduğu hâlde, bu ilişki kara deliklerle galaksilerin birlikte büyümüş olabileceğini düşündürdü.

Kormendy ve Ho'ya göre büyük kara delikler, gaz bakımından zengin galaksilerin büyük birleşmelerinde, kuasar benzeri kısa ve güçlü etkin evrelerde büyür ve bu evrelerin yaydığı enerji galaksiyi de etkiler. Ders 13.7'de anlatılan kuasarlar, bu büyüme evrelerinin en parlak anlarıdır. Bugün sessiz duran Yay A* de, çok daha etkin bir geçmişin mirası olabilir.

Aslında…

Büyük resim

Galaksimizin merkezindeki kara delik, yıldız yörüngeleriyle en doğrudan tartılan süper kütleli kara deliktir ve Kepler'in yasasının dört yüz yıl sonra bile nasıl işe yaradığını gösterir. Bir yıldızın on altı yıllık yolu, dört milyon Güneş'i tartan bir teraziye dönüştü.

Bu devler, galaksi evriminin anahtar oyuncularıdır. Etkin evrelerinde kuasar olarak parlayıp çevrelerini ısıtabilir, galaksideki yıldız oluşumunu etkileyebilirler. Bir galaksinin kalbindeki kara delik, o galaksinin geçmişinin de bir kaydıdır.

Özet

1. Galaksimizin merkezindeki Yay A* adlı cisim, çevresinde dolanan yıldızların, özellikle yaklaşık 16 yıllık basık bir yörüngede dolanan S2'nin onlarca yıllık kızılötesi izlenmesiyle keşfedildi.
2. S2'nin yörüngesinin gökteki 0,125 yay saniyelik yarı büyük ekseni ve 8,1 kiloparseklik uzaklık, yaklaşık 1019 astronomik birimlik bir yörünge verir; Kepler yasasının Newton biçimiyle merkezdeki kütle yaklaşık 4,1 milyon Güneş kütlesi çıkar.
3. S2 en yakın noktada merkezden yalnızca 120 astronomik birim uzaktan saniyede 7650 kilometre hızla geçer; bu dev kütleyi böylesine dar bir bölgeye sığdırabilen tek açıklama süper kütleli bir kara deliktir ve bu devlerin kütleleri galaksilerin şişkinlikleriyle ilişkilidir.

Görev

Quiz

1. Galaksimizin merkezini gözlemek için neden kızılötesi ışık kullanılır?
2. Bir yay saniyesi, bir parsek uzaklıkta kaç astronomik birime karşılık gelir?
3. S2'nin yörüngesinden merkezdeki kütle nasıl hesaplanır?
4. Merkezdeki cismin bir kara delik olduğunu en güçlü biçimde ne gösterir?
5. Süper kütleli kara deliklerin kütlesi galaksinin hangi özelliğiyle ilişkilidir?

Cevaplar

1. Çünkü merkeze giden görüş hattında kalın toz bulutları vardır; kızılötesi ışık bu tozu delip geçebilir.
2. Bir astronomik birime.
3. Yörüngenin yarı büyük ekseni astronomik birim, dönemi yıl cinsinden alınıp yarı büyük eksenin küpü dönemin karesine bölünür; sonuç Güneş kütlesi cinsindendir.
4. Yaklaşık 4,1 milyon Güneş kütlesinin, S2'nin en yakın geçtiği 120 astronomik birimlik bölgenin içinde toplanmış olması; bu kadar kütleyi bu kadar küçük bir yere sığdırabilen bilinen tek cisim kara deliktir.
5. Galaksinin merkezi şişkinliğindeki yıldızların hız dağılımıyla.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Yay A*'yı çevresindeki yıldızların hareketinden tarttık, ama onu hiç görmedik. Bir kara deliğin gölgesini görebilmek için, çok uzaktaki çok küçük bir şeyi seçebilecek bir teleskop gerekir. O kadar büyük bir teleskop yoktu; gökbilimciler de Dünya'nın dört bir yanındaki radyo teleskoplarını tek bir dev teleskop gibi çalıştırdılar. Bir kara deliğin fotoğrafı böyle nasıl çekildi?