Erken evrende süper kütleli kara delikler için avlanma

Süper kütleli kara deliklerin (SMBH’ler), yani kütleleri Güneş’in milyon katını aşan kara deliklerin, bugün evrende hüküm sürdüğü biliniyor. Ancak 13,8 milyar yıllık kozmik tarih boyunca ne zaman, nerede ve nasıl oluştukları henüz belli değil.

Geçtiğimiz birkaç on yıldaki gözlemler, her galaksinin merkezinde bir SMBH barındırdığını ve kara delik kütlesinin neredeyse her zaman ev sahibi galaksinin kütlesinin binde biri olduğunu ortaya çıkardı. Bu yakın ilişki, galaksilerin ve SMBH’lerin birlikte evrimleştiğini ima ediyor. Bu nedenle, SMBH’lerin kökenini ortaya çıkarmak, yalnızca SMBH’lerin kendilerini anlamak için değil, aynı zamanda görünür evrenin ana bileşenleri olan galaksilerin oluşum süreçlerini açıklamak için de çok önemlidir.

Bu konuyu ele almanın anahtarı, Büyük Patlama’dan (yani evrenin başlangıcından) bu yana geçen zamanın bir milyar yıldan az olduğu erken evrende yatmaktadır. Işığın sonlu hızı sayesinde uzak evreni gözlemleyerek geçmişe bakabiliyoruz. Evren yalnızca bir milyar yaşında veya daha küçükken SMBH’ler zaten var mıydı? Bir kara deliğin bu kadar kısa sürede bu kadar büyük bir kütleye (bir milyon güneş kütlesini aşan, bazen milyarlarca güneş kütlesine ulaşan) ulaşması mümkün müdür? Eğer öyleyse, altta yatan fiziksel mekanizmalar ve koşullar nelerdir?

SMBH’lerin kökenine yaklaşmak için onları gözlemlememiz ve özelliklerini teorik modellerden elde edilen tahminlerle karşılaştırmamız gerekiyor. Bunu yapabilmek için de öncelikle gökyüzünde nerede olduklarını bulmamız gerekiyor.

Bu çalışma için Hawaii Maunakea’nın tepesindeki Subaru Teleskobunu kullandık. Subaru’nun en büyük avantajlarından biri, özellikle amacımıza uygun olan geniş alan gözlem yeteneğidir. SMBH’ler ışık yaymadığı için “kuasarlar” adı verilen özel bir sınıf aradık; bunlar, düşen malzemenin yerçekimi enerjisini serbest bıraktığı, parlayan etekleri olan SMBH’lerdi.

Dolunay’ın 5.000 katına eşdeğer geniş bir gökyüzü alanını gözlemledik ve erken evrende bulunan 162 kuasar’ı başarıyla keşfettik. Özellikle bunların 22’si, evrenin yaşının 800 milyon yıldan daha az olduğu dönemde, yani kuasarların bugüne kadar tanındığı en eski dönemde yaşamıştır.

Keşfettiğimiz çok sayıda kuasar, kuasarların uzay yoğunluğunu radyasyon enerjisinin bir fonksiyonu olarak tanımlayan “parlaklık fonksiyonu” adı verilen en temel ölçüyü belirlememize olanak sağladı. Evrenin erken dönemlerinde kuasarların çok hızlı bir şekilde oluştuğunu, parlaklık fonksiyonunun genel şeklinin (genlik hariç) zaman içinde değişmeden kaldığını bulduk.

Parlaklık fonksiyonunun bu karakteristik davranışı, sonuçta tüm gözlemlenebilirleri yeniden üretebilen ve SMBH’lerin kökenini tanımlayabilen teorik modeller üzerinde güçlü kısıtlamalar sağlar. Çalışmamız şu adreste yayınlandı: Astrofizik Günlük Mektupları.

Öte yandan evrenin erken safhalarında “kozmik yeniden iyonlaşma” adı verilen büyük bir faz geçişi yaşadığı biliniyordu. Geçmiş gözlemler, bu olayda galaksiler arası uzayın tamamının iyonlaştığını gösteriyor. İyonlaşma enerjisinin kaynağı hala tartışılıyor ve kuasarlardan gelen radyasyon umut verici bir aday olarak değerlendiriliyor.

Yukarıdaki parlaklık fonksiyonunu entegre ederek kuasarların 10 ışık yaydığını bulduk.²⁸ Evrenin erken dönemlerinde 1 ışıkyılı birim hacimde saniyede foton sayısı. Bu, o dönemde galaksiler arası uzayın iyonize durumunu korumak için gereken fotonların %1’inden daha azdır ve dolayısıyla kuasarların kozmik yeniden iyonlaşmaya yalnızca küçük bir katkı yaptığını gösterir. Diğer enerji kaynaklarına kritik derecede ihtiyaç duyulmaktadır; bu kaynaklar, yakın zamanda yapılan diğer gözlemlere göre, galaksileri oluşturan büyük sıcak yıldızlardan gelen entegre radyasyon olabilir.