Daha fazla veri olmadan, bir kara deliğin kökenleri herhangi bir yönde ‘dönebilir’

Bir kara deliğin kökenine dair ipuçları, dönme biçiminde bulunabilir. Bu, özellikle iki kara deliğin birleşmeden önce birbirine yakın daire çizdiği ikili dosyalar için geçerlidir. Birleşmeden hemen önce ilgili kara deliklerin dönüşü ve eğimi, görünmez devlerin sessiz bir galaktik diskten mi yoksa daha dinamik bir yıldız kümesinden mi ortaya çıktığını ortaya çıkarabilir.

Gökbilimciler, bugüne kadar tespit edilen 69 doğrulanmış ikili dosyayı analiz ederek bu köken hikayelerinden hangisinin daha olası olduğunu ortaya çıkarmayı umuyorlar. Ancak yeni bir çalışma, şu an için mevcut ikili dosya kataloğunun, kara deliklerin nasıl oluştuğuna dair temel bir şeyi ortaya çıkarmak için yeterli olmadığını ortaya koyuyor.

Bugün dergide çıkan bir çalışmada Astronomi ve AstrofizikMIT fizikçileri, bilinen tüm ikili dosyalar ve bunların dönüşleri karadelik oluşumu modellerine dönüştürüldüğünde, verileri yorumlamak için kullanılan belirli modele bağlı olarak sonuçların çok farklı görünebileceğini gösteriyor.

Bu nedenle, bir kara deliğin kökenleri, bir modelin evrenin nasıl çalıştığına ilişkin varsayımlarına bağlı olarak farklı şekillerde “dönebilir”.

LIGO Laboratuvarı’nda çalışan bir MIT yüksek lisans öğrencisi olan çalışmanın ortak yazarı Sylvia Biscoveanu, “Modeli değiştirip daha esnek hale getirdiğinizde veya farklı varsayımlar yaptığınızda, evrende kara deliklerin nasıl oluştuğuna dair farklı bir yanıt alırsınız” diyor. “İnsanların dikkatli olması gerektiğini gösteriyoruz çünkü verilerimizle henüz modelin bize söylediklerine inanabileceğimiz bir aşamada değiliz.”

Çalışmanın ortak yazarları arasında bir MIT postdoc olan Colm Talbot; ve fizik doçenti ve MIT Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü üyesi Salvatore Vitale.

İki kökenli bir hikaye

İkili sistemlerdeki karadeliklerin iki yoldan biriyle ortaya çıktığı düşünülmektedir. Birincisi, iki yıldızın birlikte evrimleştiği ve sonunda süpernovalarda patlayarak geride ikili bir sistemde dönmeye devam eden iki kara delik bıraktığı “alan ikili evrimi” yoluyla gerçekleşir. Bu senaryoda, karadeliklerin -önce yıldızlar, sonra karadelikler olarak- birbirlerini benzer yönlere çekmek için zamanları olacağından, nispeten hizalanmış dönüşlere sahip olmaları gerekirdi. Bir ikilinin karadelikleri kabaca aynı dönüşe sahipse, bilim adamları galaktik disk gibi nispeten sessiz bir ortamda evrimleşmiş olmaları gerektiğine inanıyorlar.

Kara delik ikili dosyaları, iki kara deliğin ayrı ayrı geliştiği, her birinin kendine özgü eğimi ve dönüşü olan “dinamik montaj” yoluyla da oluşabilir. Bazı aşırı astrofiziksel işlemlerle, karadelikler sonunda bir ikili sistem oluşturacak kadar yakın bir araya getirilir. Böyle bir dinamik eşleşme muhtemelen sessiz bir galaktik diskte değil, binlerce yıldızın etkileşiminin iki kara deliği birbirine çarpabileceği küresel bir küme gibi daha yoğun bir ortamda meydana gelebilir. Bir ikilinin karadelikleri rastgele yönlendirilmiş dönüşlere sahipse, muhtemelen küresel bir kümede oluşmuşlardır.

Ancak ikili dosyaların ne kadarı bir kanaldan diğerine göre oluşur? Gökbilimciler, cevabın verilerde ve özellikle kara delik dönüşlerinin ölçümlerinde olması gerektiğine inanıyor.

Bugüne kadar gökbilimciler, ABD’deki LIGO ve İtalya’daki muadili Başak da dahil olmak üzere bir yerçekimi dalgası dedektörleri ağı tarafından keşfedilen 69 ikili dosyadaki kara deliklerin dönüşlerini elde ettiler. Her bir detektör yerçekimi dalgalarının işaretlerini dinler; bu, büyük kara deliklerin birleşmesi gibi aşırı, astrofiziksel olaylardan arta kalan uzay-zamandaki çok ince yankılanmalardır.

Gökbilimciler, her bir ikili algılamayla, kütleleri ve dönüşleri dahil olmak üzere ilgili karadeliğin özelliklerini tahmin ettiler. Döndürme ölçümlerini genel olarak kabul edilen bir kara delik oluşumu modelinde çalıştılar ve ikili dosyaların hem tercih edilen, hizalanmış bir dönüşe hem de rastgele dönüşlere sahip olabileceğine dair işaretler buldular. Yani, evren hem galaktik disklerde hem de küresel kümelerde ikili dosyalar üretebilir.

“Ama bilmek istedik, bu ayrımı yapmak için yeterli veriye sahip miyiz?” Biscoveanu diyor. “Ve görünüşe göre işler dağınık ve belirsiz ve göründüğünden daha zor.”

Verileri döndürmek

MIT ekibi yeni çalışmalarında, aynı verilerin karadeliklerin nasıl oluştuğuna dair biraz farklı teorik modellerde çalışıldığında aynı sonuçları verip vermeyeceğini test etti.

Ekip ilk olarak LIGO’nun dönüş ölçümlerini yaygın olarak kullanılan bir kara delik oluşumu modelinde yeniden üretti. Bu model, evrendeki ikili dosyaların bir kısmının, ikili dosyaların geri kalanının rastgele dönüşlere sahip olduğu yerde, hizalı dönüşlere sahip kara delikler üretmeyi tercih ettiğini varsayar. Verilerin bu modelin varsayımlarıyla uyumlu göründüğünü ve modelin benzer dönüşlere sahip daha fazla kara delik olması gerektiğini öngördüğü yerde bir tepe noktası gösterdiğini buldular.

Daha sonra modeli biraz değiştirerek, tercih edilen kara delik dönüşlerinin biraz farklı bir yönünü tahmin edecek şekilde varsayımlarını değiştirdiler. Aynı verileri bu ince ayarlı modelde çalıştıklarında, verilerin yeni tahminlerle aynı hizaya gelecek şekilde kaydırıldığını gördüler. Veriler ayrıca, her biri karadeliklerin nasıl dönmeyi tercih ettiğine dair farklı bir varsayıma sahip olan diğer 10 modelde de benzer kaymalar yaptı.

Biscoveanu, “Makalemiz, sonucunuzun verilerin kendisinden ziyade tamamen astrofiziğinizi nasıl modellediğinize bağlı olduğunu gösteriyor” diyor.

Vitale, “Yaptığımız astrofiziksel varsayımlardan bağımsız bir iddiada bulunmak istiyorsak, düşündüğümüzden daha fazla veriye ihtiyacımız var” diye ekliyor.

Astronomların daha ne kadar veriye ihtiyacı olacak? Vitale, LIGO ağı 2023’ün başlarında yeniden başladığında, cihazların birkaç günde bir yeni bir kara delik ikilisi tespit edeceğini tahmin ediyor. Gelecek yıl boyunca, bu, verilere eklenecek yüzlerce ölçüm daha ekleyebilir.

Vitale, “Şu anda sahip olduğumuz dönüşlerin ölçümleri çok belirsiz” diyor. “Ancak birçoğunu oluşturdukça daha iyi bilgi edinebiliriz. O zaman, modelimin ayrıntıları ne olursa olsun, verilerin bana her zaman aynı hikayeyi anlattığını söyleyebiliriz – o zaman inanabileceğimiz bir hikaye.”

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