‘Kara delik üçlüsünün’ keşfi, ‘nazik’ kara delik oluşumunun ilk doğrudan kanıtı olabilir

Bugüne kadar tespit edilen birçok kara delik bir çiftin parçası gibi görünüyor. Bu ikili sistemler, bir kara delik ve birbirlerinin etrafında spiral şeklinde dönen, kara deliğin yerçekimi tarafından sıkı bir yörünge çifti oluşturacak şekilde bir araya getirilen ikincil bir nesneden (bir yıldız, çok daha yoğun bir nötron yıldızı veya başka bir kara delik gibi) oluşur.

Şimdi V404 Cygnus kara deliğine ilişkin şaşırtıcı bir keşif, kara deliklerin, barındırabilecekleri nesnelerin ve oluşma biçimlerinin resmini genişletiyor.

bir ortaya çıkan çalışma içinde Doğa, MIT ve Caltech’teki fizikçiler ilk kez bir “kara delik üçlüsünü” gözlemlediklerini bildirdi.

Yeni sistem, her 6,5 günde bir, kara deliğin çok yakınında spiral çizen küçük bir yıldızı tüketen merkezi bir kara deliği barındırıyor; bu, çoğu ikili sisteme benzer bir konfigürasyon. Ancak şaşırtıcı bir şekilde, çok daha uzak bir mesafede olsa da, ikinci bir yıldızın da kara deliğin çevresinde döndüğü görülüyor. Fizikçiler bu uzak yoldaşın her 70.000 yılda bir kara deliğin etrafında döndüğünü tahmin ediyor.

Kara deliğin bu kadar uzaktaki bir nesne üzerinde çekimsel etkisi varmış gibi görünmesi, kara deliğin kökeni hakkında soru işaretleri yaratıyor. Kara deliklerin, ölmekte olan bir yıldızın şiddetli patlaması sonucu oluştuğu düşünülüyor; süpernova olarak bilinen bu süreçte, yıldız, görünmez bir kara deliğe dönüşmeden önce son bir patlamada büyük miktarda enerji ve ışık salıyor.

Ancak ekibin keşfi, yeni gözlemlenen kara deliğin tipik bir süpernovadan kaynaklanması durumunda, çökmeden önce açığa çıkaracağı enerjinin, çevresindeki gevşek bağlı nesneleri fırlatıp atacağını öne sürüyor. O halde ikinci dış yıldızın hâlâ ortalıkta dolaşmaması gerekiyor.

Bunun yerine ekip, kara deliğin daha yumuşak bir “doğrudan çöküş” süreciyle oluştuğundan şüpheleniyor; bu süreçte bir yıldız basitçe kendi içine çöküyor ve son dramatik bir parlama olmaksızın bir kara delik oluşturuyor. Böyle yumuşak bir köken, gevşek bir şekilde bağlı, uzaktaki nesneleri neredeyse hiç rahatsız etmez.

Yeni üçlü sistemin çok uzakta bir yıldız içermesi, sistemin kara deliğinin daha hafif ve doğrudan bir çöküşle doğduğunu gösteriyor. Gökbilimciler yüzyıllardır daha şiddetli süpernovaları gözlemlese de ekip, yeni üçlü sistemin bu daha yumuşak süreçten oluşan bir kara deliğin ilk kanıtı olabileceğini söylüyor.

MIT Fizik Bölümü’nde Pappalardo Üyesi olan çalışma yazarı Kevin Burdge, “Çoğu kara deliğin yıldızların şiddetli patlamalarından oluştuğunu düşünüyoruz, ancak bu keşif bunun sorgulanmasına yardımcı oluyor” diyor. “Bu sistem kara delik evrimi açısından son derece heyecan verici ve aynı zamanda orada daha fazla üçlü olup olmadığına dair soruları da gündeme getiriyor.”

Çalışmanın MIT’deki ortak yazarları Erin Kara, Claude Canizares, Deepto Chakrabarty, Anna Frebel, Sarah Millholland, Saul Rappaport, Rob Simcoe ve Andrew Vanderburg ile Caltech’ten Kareem El-Badry’dir.

Tandem hareket

Kara delik üçlüsünün keşfi neredeyse tesadüf eseri gerçekleşti. Fizikçiler bunu, uzaydaki ve dünyanın her yerindeki teleskoplardan toplanan astronomik gözlemlerin bulunduğu Aladin Lite deposuna bakarken buldular. Gökbilimciler, çevrimiçi aracı, gökyüzünün aynı bölümünün, çeşitli enerji ve ışık dalga boylarına ayarlı farklı teleskoplar tarafından çekilen görüntülerini aramak için kullanabilirler.

Ekip, Samanyolu galaksisinde yeni kara delik işaretleri arıyordu. Meraktan dolayı Burdge, 1992’de kara delik olduğu doğrulanan ilk nesnelerden biri olan, Dünya’dan yaklaşık 8.000 ışıkyılı uzaklıkta bir kara delik olan V404 Cygni’nin görüntüsünü inceledi.

O zamandan beri V404 Cygni en iyi çalışılan kara deliklerden biri haline geldi ve 1.300’den fazla bilimsel makalede belgelendi. Ancak bu çalışmaların hiçbiri Burdge ve meslektaşlarının gözlemlediği şeyi rapor etmedi.

Burdge, V404 Cygni’nin optik görüntülerine bakarken birbirine şaşırtıcı derecede yakın iki ışık damlası gibi görünen bir şey gördü. İlk damla, diğerlerinin kara delik ve yakın yörüngede dönen bir iç yıldız olduğunu belirledikleri şeydi. Yıldız o kadar yakında ki, malzemesinin bir kısmını kara deliğin üzerine saçıyor ve Budge’ın görebileceği ışığı yayıyor.

Ancak ikinci ışık damlası bilim adamlarının şimdiye kadar yakından araştırmadığı bir şeydi. Burdge, ikinci ışığın büyük olasılıkla çok uzaktaki bir yıldızdan geldiğini belirledi.

Dış yıldızın kara delikten 3.500 astronomik birim (AU) uzakta olduğunu hesaplayan Burdge, “Bu kadar mesafeden iki ayrı yıldızı görebilmemiz, aslında yıldızların birbirinden çok uzakta olması gerektiği anlamına geliyor” diyor ( 1 AU, Dünya ile güneş arasındaki mesafedir).

Başka bir deyişle, dıştaki yıldız kara deliğe Dünya’nın Güneş’e olan uzaklığından 3.500 kat daha uzaktır. Bu aynı zamanda Plüton ile Güneş arasındaki mesafenin 100 katına eşittir.

O zaman akla gelen soru, dış yıldızın kara deliğe ve onun iç yıldızına bağlı olup olmadığıydı. Buna cevap vermek için araştırmacılar, 2014’ten bu yana galaksideki tüm yıldızların hareketlerini hassas bir şekilde izleyen bir uydu olan Gaia’ya baktılar.

Ekip, Gaia verilerinin son 10 yılı boyunca iç ve dış yıldızların hareketlerini analiz etti ve yıldızların diğer komşu yıldızlarla karşılaştırıldığında tam olarak birlikte hareket ettiğini buldu. Bu tür tandem hareket olasılığının yaklaşık 10 milyonda bir olduğunu hesapladılar.

Budge, “Bu neredeyse kesinlikle bir tesadüf ya da kaza değil” diyor. “Bu zayıf yer çekimi dizisine bağlı oldukları için birbirini takip eden iki yıldız görüyoruz. Yani bu üçlü bir sistem olmalı.”

Dizeleri çekmek

Peki sistem nasıl oluşmuş olabilir? Eğer kara delik tipik bir süpernovadan doğmuş olsaydı, şiddetli patlama dış yıldızı uzun zaman önce fırlatıp atmış olurdu.

Burdge, “Bir uçurtmayı çektiğinizi ve güçlü bir ip yerine bir örümcek ağıyla çektiğinizi hayal edin” diyor. “Eğer çok sert çekerseniz ağ kırılır ve uçurtmayı kaybedersiniz. Yerçekimi zar zor bağlanmış bir ip gibidir ve gerçekten zayıftır ve eğer iç ikiliye dramatik bir şey yaparsanız dış yıldızı kaybedersiniz. “

Ancak bu fikri gerçekten test etmek için Burdge, böyle üçlü bir sistemin nasıl evrimleşip dış yıldızı koruyabildiğini görmek için simülasyonlar gerçekleştirdi.

Her simülasyonun başlangıcında üç yıldızı tanıttı (üçüncüsü kara delik olmadan önceki kara delikti). Daha sonra, her biri üçüncü yıldızın nasıl bir kara deliğe dönüşebileceğine ve ardından diğer iki yıldızın hareketlerini etkileyebileceğine dair biraz farklı senaryolar içeren on binlerce simülasyon çalıştırdı.

Örneğin, yaydığı enerjinin miktarını ve yönünü değiştirerek bir süpernovayı simüle etti. Ayrıca üçüncü yıldızın herhangi bir enerji yaymadan kendi içine çökerek bir kara delik oluşturduğu doğrudan çöküş senaryolarını da simüle etti.

Burdge, “Simülasyonların büyük çoğunluğu, bu üçlü çalışmayı yapmanın en kolay yolunun doğrudan çökme olduğunu gösteriyor” diyor.

Dış yıldız, kara deliğin kökenine dair ipuçları vermenin yanı sıra sistemin yaşını da ortaya çıkardı. Fizikçiler, dış yıldızın, bir yıldızın ömrünün sonunda meydana gelen bir aşama olan kırmızı dev olma sürecinde olduğunu gözlemlediler.

Ekip, bu yıldız geçişine dayanarak dış yıldızın yaklaşık 4 milyar yaşında olduğunu belirledi. Komşu yıldızların hemen hemen aynı zamanlarda doğduğu göz önüne alındığında ekip, kara delik üçlüsünün de 4 milyar yaşında olduğu sonucuna varıyor.

Budge, “Eski bir kara delik için bunu daha önce hiç başaramamıştık” diyor. “Artık V404 Cygni’nin bir üçlünün parçası olduğunu, doğrudan çöküşle oluşmuş olabileceğini ve bu keşif sayesinde yaklaşık 4 milyar yıl önce oluştuğunu biliyoruz.”

Bu hikaye MIT News’in izniyle yeniden yayınlanmıştır (web.mit.edu/newsoffice/MIT araştırması, inovasyonu ve öğretimi ile ilgili haberleri kapsayan popüler bir site.