Kara Delikler Hakkında Her Şey: 1. Bölüm

Kara Delikler

Kara delik, yerçekiminin o kadar güçlü olduğu bir uzay-zaman bölgesidir ki, ışık veya diğer elektromanyetik dalgalar da dahil olmak üzere hiçbir şey olay ufkundan kaçmak için yeterli enerjiye sahip değildir. Genel görelilik teorisi, yeterince yoğun bir kütlenin uzay-zamanı bükerek bir kara delik oluşturabileceğini öngörür. Ve kendisinden hiçbir şeyin kaçamayacağı sınıra olay ufku denir. Kendisinden geçen bir nesnenin kaderi ve koşulları üzerinde büyük bir etkiye sahip olmasına rağmen, genel göreliliğe göre yerel olarak tespit edilebilir bir özelliği yoktur.

Yerçekimi alanlarından ışığın kaçamayacağı kadar güçlü olan nesneler ilk olarak 18. yüzyılda John Michell ve Pierre-Simon Laplace tarafından düşünülmüştür. 1916’da Karl Schwarzschild bir kara deliği karakterize edecek ilk modern genel görelilik çözümünü bulmuştur. David Finkelstein, 1958’de “kara delik” yorumunu ilk kez hiçbir şeyin kaçamadığı bir uzay bölgesi olarak yayınladı. Kara delikler uzun süre matematiksel bir merak olarak kabul edildi; 1960’lara kadar teorik çalışmalar onların genel göreliliğin genel bir öngörüsü olduğunu göstermedi. Jocelyn Bell Burnell tarafından 1967 yılında nötron yıldızlarının keşfi, olası bir astrofiziksel gerçeklik bağlamında yerçekimsel açıdan çökmüş yoğun nesnelere olan ilgiyi artırdı. Bilinen ilk kara delik, 1971 yılında birkaç araştırmacı tarafından bağımsız olarak tanımlanan Cygnus X-1’dir.

Yıldız kütlesindeki kara delikler, büyük yıldızların yaşam ömürleri sona erdiğinde nükleer füzyonun son bulması sebebiyle çökme sonucu oluşur. Bir kara delik oluştuktan sonra çevresinden kütle emerek büyüyebilir. Milyonlarca güneş kütlesindeki süper kütleli kara delikler, diğer yıldızları emerek ve diğer kara deliklerle birleşerek oluşabilir. Çoğu galaksinin merkezinde süper kütleli kara deliklerin bulunduğu konusunda fikir birliği vardır.

Bir kara deliğin varlığı, diğer maddelerle ve görünür ışık gibi elektromanyetik radyasyonla etkileşimi yoluyla anlaşılabilir. Bir kara deliğin üzerine düşen herhangi bir madde, sürtünmeyle ısınan bir birikme diski oluşturarak evrendeki en parlak nesnelerden bazıları olan kuasarları meydana getirebilir. Süper kütleli bir kara deliğin çok yakınından geçen yıldızlar “yutulmadan” önce çok parlak bir şekilde parlayan parçacıklara dönüşebilir.” Eğer başka yıldızlar bir kara deliğin etrafında dönüyorsa, yörüngeleri kara deliğin kütlesini ve yerini belirleyebilir.

Bu şekilde gökbilimciler ikili sistemlerde çok sayıda yıldız kara delik adayı tespit etmiş ve Samanyolu galaksisinin çekirdeğinde yer alan Sagittarius A* olarak bilinen radyo kaynağının yaklaşık 4,3 milyon güneş kütlesinde süper kütleli bir kara delik içerdiğini ortaya koymuşlardır.

11 Şubat 2016’da LIGO Bilimsel İşbirliği ve Virgo işbirliği ile, bir kara delik birleşmesinin ilk gözlemini temsil eden yerçekimi dalgalarının ilk doğrudan tespitini açıkladı. [Messier 87‘nin galaktik merkezindeki süper kütleli kara deliğin Olay Ufku Teleskobu (EHT) tarafından 2017 yılında yapılan gözlemlerinin ardından 10 Nisan 2019’da bir kara deliğin ve çevresinin ilk doğrudan görüntüsü yayınlandı. 2021 itibariyle, kara delik olduğu düşünülen en yakın cisim yaklaşık 1.500 ışık yılı (460 parsek) uzaklıktadır. Samanyolu’nda şimdiye kadar sadece birkaç düzine kara delik bulunmuş olsa da, çoğu yalnız olan ve radyasyon yaymayan yüz milyonlarca kara delik olduğu düşünülmektedir. Bu nedenle, yalnızca kütleçekimsel mercekleme ile tespit edilebilirler.

Tarihçesi

Işığın bile kaçamayacağı kadar büyük bir cisim fikri, İngiliz astronomi öncüsü ve din adamı John Michell tarafından Kasım 1784’te yayınlanan bir mektupta kısaca önerilmiştir. Michell’in basit hesaplamaları, böyle bir cismin Güneş ile aynı yoğunluğa sahip olabileceğini varsaymış ve bir yıldızın çapı Güneş’inkini 500 kat aştığında ve yüzey kaçış hızı normal ışık hızını aştığında oluşabileceği sonucuna varmıştır. Michell bu cisimleri karanlık yıldızlar olarak adlandırdı. Bu tür süper kütleli ancak ışıma yapmayan cisimlerin, yakındaki görünür cisimler üzerindeki kütleçekimsel etkileri yoluyla tespit edilebileceğini doğru bir şekilde belirtmiştir. Dönemin akademisyenleri başlangıçta dev ama görünmez ‘karanlık yıldızların’ göz önünde saklanıyor olabileceği önerisiyle heyecanlandılar, ancak on dokuzuncu yüzyılın başlarında ışığın dalgasal doğası ortaya çıktığında coşku azaldı, çünkü ışık bir parçacık yerine bir dalga olsaydı, yerçekiminin kaçan ışık dalgaları üzerinde ne gibi bir etkisi olacağı belirsizdi.

Genel Görelilik

1915 yılında Albert Einstein, daha önce yerçekiminin ışığın hareketini etkilediğini göstermiş olan genel görelilik teorisini geliştirdi. Sadece birkaç ay sonra Karl Schwarzschild, Einstein alan denklemlerine noktasal bir kütlenin ve küresel bir kütlenin çekim alanını tanımlayan bir çözüm buldu. Schwarzschild’den birkaç ay sonra Hendrik Lorentz’in öğrencisi Johannes Droste, bağımsız olarak noktasal kütle için aynı çözümü verdi ve özellikleri hakkında yeni hesaplamalarla birlikte daha kapsamlı bir açıklama yaptı. Ancak koordinat sistemlerindeki hata hala giderilememişti.

1924 yılında Arthur Eddington koordinatların değiştirilmesiyle tekilliğin ortadan kalktığını göstermiştir (bkz. Eddington-Finkelstein koordinatları), ancak Georges Lemaître’nin Schwarzschild yarıçapındaki tekilliğin fiziksel olmayan bir koordinat tekilliği olduğu anlamına geldiğini fark etmesi 1933 yılını bulmuştur. Ancak Arthur Eddington 1926 tarihli bir kitabında Schwarzschild yarıçapına sıkıştırılmış kütleye sahip bir yıldız olasılığı hakkında yorum yapmış ve Einstein’ın teorisinin Betelgeuse gibi görünür yıldızlar için aşırı büyük yoğunlukları dışlamamıza izin verdiğini belirtmiştir çünkü “250 milyon km yarıçaplı bir yıldızın Güneş kadar yüksek bir yoğunluğa sahip olması mümkün değildir. İlk olarak, çekim kuvveti o kadar büyük olurdu ki ışık ondan kaçamazdı, ışınlar bir taşın dünyaya düşmesi gibi yıldıza geri düşerdi. İkinci olarak, spektral çizgilerin kırmızıya kayması o kadar büyük olacaktır ki, spektrum ortadan kalkacaktır. Üçüncüsü, kütle uzay-zaman metriğinde o kadar büyük bir eğrilik yaratır ki uzay yıldızın etrafında kapanır ve bizi dışarıda (yani hiçbir yerde) bırakır.”

1931’de Subrahmanyan Chandrasekhar, özel göreliliği kullanarak, belirli bir sınırlayıcı kütlenin üzerindeki elektron dejenere maddenin dönmeyen bir cisminin kararlı bir çözümü olmadığını hesapladı. Argümanlarına Eddington ve Lev Landau gibi birçok çağdaşı karşı çıktı ve henüz bilinmeyen bir mekanizmanın çöküşü durduracağını savundu. Kısmen haklıydılar: Chandrasekhar limitinden biraz daha büyük kütleli bir beyaz cüce, kendisi de kararlı olan bir nötron yıldızına çökecektir. Ancak 1939’da Robert Oppenheimer ve diğerleri başka bir limitin (Tolman-Oppenheimer-Volkoff limiti) üzerindeki nötron yıldızlarının Chandrasekhar tarafından sunulan nedenlerle daha da çökeceğini öngördüler ve hiçbir fizik yasasının araya girip en azından bazı yıldızların kara deliklere çökmesini engelleyemeyeceği sonucuna vardılar.

Oppenheimer ve ortak yazarları, Schwarzschild yarıçapının sınırındaki tekilliği, bunun zamanın durduğu bir baloncuğun sınırı olduğuna işaret ettiği şeklinde yorumladılar. Bu, dış gözlemciler için geçerli bir bakış açısıdır, ancak iç gözlemciler için geçerli değildir. Bu özellik nedeniyle, çöken yıldızlara “donmuş yıldızlar” adı verildi, çünkü dışarıdan bir gözlemci yıldızın yüzeyini, çöküşünün onu Schwarzschild yarıçapına götürdüğü anda zamanda donmuş olarak görecekti.

Etimoloji

John Michell, Henry Cavendish’e yazdığı Kasım 1783 tarihli bir mektupta “karanlık yıldız” terimini kullanmış ve 20. yüzyılın başlarında fizikçiler “yerçekimsel olarak çökmüş nesne” terimini kullanmışlardır. Bilim yazarı Marcia Bartusiak “kara delik” teriminin izini fizikçi Robert H. Dicke’ye kadar sürmektedir. 1960’ların başlarında bu fenomeni, insanların girdiği ama asla canlı çıkamadığı bir hapishane olarak ünlenen Kalküta’nın Kara Deliği ile karşılaştırdığı bildirilmiştir.

“Kara delik” terimi 1963 yılında Life ve Science News dergileri tarafından basılı olarak kullanılmış ve bilim gazetecisi Ann Ewing tarafından Cleveland, Ohio’da düzenlenen American Association for the Advancement of Science toplantısına ilişkin bir rapor olan 18 Ocak 1964 tarihli “‘Black Holes’ in Space” başlıklı makalesinde kullanılmıştır.

Aralık 1967’de, bir öğrencinin John Wheeler’ın bir konferansında “kara delik” ifadesini önerdiği bildirildi; Wheeler bu terimi kısalığı ve “reklam değeri” nedeniyle benimsedi ve hızla tutuldu, bazılarının Wheeler’ı bu ifadeyi icat etmekle itham etti.

Bu yazı Astrafizik.com sitesine ait özgün bir içeriktir ve bu sebeple mülkiyeti yazara ve temsil ettiği siteye aittir. Astrafizik.com ve yazar Sinan YAVUZ referans gösterilmek koşuluyla kullanımına izin verilmiştir.