Astrofizikçiler kara delikleri aydınlatmak için ışık yankılarını kullanıyor

İleri Araştırma Enstitüsü’nden bilim adamlarının liderliğindeki astrofizikçilerden oluşan bir ekip, kara delik ışık yankılarını aramak için yenilikçi bir teknik geliştirdi. Kara deliklerin kütlesinin ve dönüşünün ölçülmesini kolaylaştıracak olan yeni yöntemleri, bilim adamlarının geçmişte bu parametreleri araştırdığı diğer yolların çoğundan bağımsız olarak çalıştığı için ileriye doğru büyük bir adımı temsil ediyor.

Araştırma, yayınlandı bugün Astrofizik Günlük Mektupları“yerçekimsel merceklenme” olarak bilinen bir etki nedeniyle kara deliklerin etrafında dönen fotonların doğrudan kanıtını sağlayabilecek bir yöntem sunuyor.

Kütleçekimsel merceklenme, ışık bir kara deliğin yakınından geçtiğinde ve yolu kara deliğin güçlü kütleçekim alanı tarafından büküldüğünde meydana gelir. Bu etki, ışığın bir kaynaktan Dünya’daki bir gözlemciye kadar birden fazla yol izlemesine olanak tanıyor: Bazı ışık ışınları doğrudan bir yol izleyebilirken, diğerleri bize ulaşmadan önce kara deliğin etrafında bir veya birden fazla kez dönebilir. Bu, aynı kaynaktan gelen ışığın farklı zamanlarda gelebileceği ve bunun sonucunda bir “yankı” meydana gelebileceği anlamına gelir.

Enstitünün Doğa Bilimleri Okulu’ndan Frank ve Peggy Taplin Üyesi olan çalışmanın baş yazarı George N. Wong, “Işığın kara deliklerin etrafında daireler çizerek yankılara neden olduğu yıllardır teorize edilmişti, ancak bu tür yankılar henüz ölçülmedi” diyor. ve Princeton Üniversitesi Princeton Yerçekimi Girişimi’nde Araştırma Görevlisi. “Metodumuz, bu ölçümleri yapmak için kara delik fiziği anlayışımızda potansiyel olarak devrim yaratabilecek bir plan sunuyor.”

Bu teknik, zayıf yankı izlerinin, Event Horizon Teleskobu gibi iyi bilinen interferometrik teleskoplar tarafından yakalanan daha güçlü doğrudan ışıktan izole edilmesine olanak tanıyor. Hem Wong hem de ortak yazarlarından biri olan, Enstitü Doğa Bilimleri Okulu Ziyaretçisi ve Princeton Üniversitesi NASA Einstein Üyesi Lia Medeiros, Olay Ufku Teleskobu İşbirliği’nin bir parçası olarak yoğun bir şekilde çalıştı.

Tekniklerini test etmek için Wong ve Medeiros, Doğa Bilimleri Fakültesi Profesörü James Stone ve Los Alamos Ulusal Laboratuvarı Feynman Üyesi ve Princeton Üniversitesi eski Araştırma Görevlisi Alejandro Cárdenas-Avendaño ile birlikte çalışarak yüksek çözünürlüklü simülasyonlar gerçekleştirdiler. M87 galaksisinin (M87*) merkezindekine benzeyen süper kütleli bir kara deliğin etrafında dolaşan ışığın onbinlerce “anlık görüntüsünü” aldı. Dünya’dan yaklaşık 55 milyon ışıkyılı uzaklıkta bulunuyor.

Ekip, bu simülasyonları kullanarak, yöntemlerinin simüle edilen verilerdeki yankı gecikme süresini doğrudan çıkarabildiğini gösterdi. Tekniklerinin M87*’ye ek olarak diğer kara deliklere de uygulanabileceğine inanıyorlar.

Medeiros, “Bu yöntem yalnızca bir kara deliğin yörüngesindeki ışığın ne zaman ölçüldüğünü doğrulamakla kalmayacak, aynı zamanda kara deliğin temel özelliklerini ölçmek için yeni bir araç da sağlayacak” diye açıklıyor.

Bu özellikleri anlamak önemlidir. Wong, “Kara delikler evrenin evrimini şekillendirmede önemli bir rol oynuyor” diyor. “Sık sık kara deliklerin nesneleri nasıl kendine çektiğine odaklansak da, aynı zamanda çevrelerine büyük miktarda enerji de yayıyorlar.

“Galaksilerin gelişiminde yıldızların nasıl, ne zaman ve nerede oluştuğunu etkileyerek ve galaksinin yapısının nasıl evrildiğini belirlemeye yardımcı olarak önemli bir rol oynuyorlar. Kara delik kütlelerinin ve dönüşlerinin dağılımını ve dağılımın nasıl değiştiğini bilmek zamanla evrene dair anlayışımızı büyük ölçüde geliştirir.”

Bir kara deliğin kütlesini veya dönüşünü ölçmek zordur. Wong, birikim diskinin doğasının, yani sıcak gazın ve kara deliğe doğru içe doğru spiral çizen diğer maddelerin dönen yapısının, ölçümü “karıştırabileceğini” belirtiyor. Medeiros, ışık yankılarının kütle ve dönüşe ilişkin bağımsız bir ölçüm sağladığını ve birden fazla ölçüme sahip olmanın bu parametreler için “gerçekten inanabileceğimiz” bir tahmin üretmemize olanak sağladığını belirtiyor.

Işık yankılarını tespit etmek, bilim adamlarının Albert Einstein’ın yerçekimi teorilerini daha iyi test etmelerini de sağlayabilir. “Bu tekniği kullanarak ‘hey, bu çok tuhaf!’ diye düşünmemize neden olacak şeyler bulabiliriz” diye ekliyor Medeiros. “Bu tür verilerin analizi, kara deliklerin genel görelilik ile gerçekten tutarlı olup olmadığını doğrulamamıza yardımcı olabilir.”

Ekibin sonuçları, “çok uzun temel interferometri” olarak tanımlanabilecek şeyi gerçekleştirmek için birlikte çalışan bir çift teleskopla (biri Dünya’da ve diğeri uzayda) yankıları tespit etmenin mümkün olabileceğini öne sürüyor. Wong, böyle bir interferometrik görevin yalnızca “mütevazı” olması gerektiğini belirtiyor. Teknikleri, kara delikler hakkında önemli ve güvenilir bilgiler toplamak için izlenebilir ve pratik bir yöntem sağlıyor.