2020 Nobel Fizik Ödülü: Gökadamızın merkezindeki karadeliğin keşfi

1995- 2016 yılları arasında gözlenen yıldızların yörüngeleri. Kaynak: (Andrea Ghez'in lideri olduğu) UCLA Galactic Center Group ve W.M. Keck Observatory Laser Team (http://www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/blackhole.html)

Modern bilimin en önemli kıstaslarından biri, yapılan bilimsel çalışmaların başkaları tarafından bağımsız olarak doğrulanabilir olmasıdır. 2020 Nobel Ödülü komitesi, aynı 2011 yılında yaptığı gibi bu yıl da ödülün bir bölümünü aynı amaç için gözlemler yapan iki grup arasında paylaştırdı. 2011 yılında da iki ayrı grup, bağımsız çalışmalarla süpernova patlamalarını kullanarak evrenin hızlanarak büyümesini sağlayan “karanlık enerji” nin varlığını göstermişlerdi.

…Gökadamızın merkezindeki süper-kütleli tıknaz cismin keşfi… 

2020 Nobel Fizik Ödülü’nün yarısı karadeliklerin genel göreliliğin gerçekçi bir öngörüsü olduğunu gösteren Roger Penrose’a verilirken diğer yarısı da gökadamızın merkezindeki süper-kütleli tıknaz cismin keşfi için Andrea Ghez ve Reinhard Genzel’e paylaştırıldı.
Ghez ve Genzel’in liderliğindeki iki grup, birbirlerinden bağımsız olarak, gökadamızın merkezine yakın yıldızları dev kızılötesi teleskoplarla yıllarca takip etti ve yıldızların yörünge bilgilerini kullanarak ortak odak noktasında 4 milyon Güneş kütleli dev bir karadelik olduğunu gösterdi.

Neden Nobel Ödülü’nün duyuru başlığında karadelik değil de tıknaz cisim (compact object) denilmiş emin değilim. Bu gözlemler, doğrudan karadeliği değil de orada çok büyük kütleli ama görünmeyen bir cisim olduğunu gösterdiği için olabilir. Nobel komiteleri gözlem ve deneylerle doğrulanmış buluşlara ödül verirler, gözlemlerin tam olarak ne gösterdiği konusunda titiz davranırlar.

Astronomide tıknaz cisimler, evrimlerinin sonunda, ilk kütlelerine bağlı olarak yıldızların dönüşecekleri gökcisimleridir. Güneşimiz gibi nispeten küçük kütleli yıldızlar beyaz cücelere, daha büyük kütleli yıldızlar nötron yıldızlarına, ilk kütlesi çok büyük olan yıldızların ise karadeliklere dönüşmeleri beklenir. Bir de galaksilerin merkezlerinde bulunan süper kütleli karadelikler var. Bu dev karadelikler, içlerinde bulundukları gökada ile birlikte evrimleşirler ve kütleleri milyonlarca ile milyarlarca güneş kütlesi arasındadır.

Karadelikler yakın zamana kadar hiç doğrudan gözlenememişti. Karadeliklerin ilk doğrudan gözlemi Olay Ufku Teleskobu tarafından yapıldı. M87 gökadasının merkezindeki karadeliğin (aslında olay ufkunun) görüntüsü 2019’da paylaşıldı. Aynı ekibin yaptığı gökadamızın merkezindeki SgrA* gözlemlerinin sonuçları da, yakında yayınlandığında, bu tıknaz cisimlerin karadelik olduğunu kuşku götürmeyecek şekilde gösterecektir diye düşünüyorum (bir Nobel ödülü daha?).

Tıknaz cisimlere geri dönersek, bunlar evrende müthiş yoğunlukları temsil eder. Beyaz cüceler için bu yaklaşık metreküp başına 1 milyar kg, nötron yıldızları için ise metreküp başına  4-6 x 1017 kg’lık yoğunluğa karşılık gelir. Karadelikler için bir yoğunluk tanımı yapmak zor. Bir cismin kara delik olabilmesi için tüm kütlesinin olay ufkunun içinde kalması gerekir. Mesela Dünya’nın karadelik olabilmesi için tüm kütlesini bir bilye büyüklüğüne sıkıştırabilmek gerekir. Kabaca bir Güneş kütlesine karşılık gelen olay ufku yarıçapı 3 km’dir. Yani Güneş’in tüm kütlesini 3 km yarıçapın altına indirebilseydik, o da bir karadelik olurdu. Olay ufku, kabaca, çok büyük kütleçekimi yüzünden içinden enerji, bilgi, ışık, maddenin dışarı çıkamadığı bir bölgeyi temsil eder.

Karadelikler kütlelerine göre sınıflandırılır. Yıldız evriminin sonucu ortaya çıkan karadelikler “yıldız-kütleli” olarak adlandırılırken, galaksi merkezlerinde bulunan dev karadelikler ise “süper-kütleli” olarak adlandırılırlar. Eğer bu dev karadeliklere madde akışı devam ediyorsa (M87 örneğinde olduğu gibi),  radyodan gama ışınlarına kadar elektromanyetik tayfın her dalga boyunda çok parlak ışıma yapabilirler. Bu ışıma içinde bulundukları gökadaların tüm yıldızlarının toplam ışımasından daha parlaktır. Bunlara aktif gökada denir. Ama bizim gökadamızda, merkezdeki kara deliğe madde akışı çok az ve çok cılız. Ancak çok hassas radyo teleskoplarıyla olay ufkunun çevresinden gelen bu ışımayı tespit edebiliriz. Işımanın cılız olması, Andrea Ghez ve Reinhard Genzel’e Nobel Ödülü’nün yolunu açan gözlemleri yapma fırsatı verdi.

Yıllarca süren gözlemler

Ghez ve Genzel, galaksi merkezimiz çevresindeki yıldızları, iki ayrı dev kızılötesi teleskobu ile senelerce gözlediler. Andrea Ghez ve grubu, Hawaii’deki ikiz Keck teleskoplarını kullanırken, Reinhard Genzel ve grubu European Southern Observatory (ESO) Very Large Telescobe (VLT) kullandılar. İki teleskobun da ortak özellikleri çok büyük olmaları (10 m ölçeğinde), ve ikisinde de adaptif optik denilen, ve ışığın atmosferimizden geçerken yaşadığı saçılmaların etkisini azaltan bir sistemi olması. (Bir dipnot koyalım: Erzurum’da inşası devam eden 4m çaplı Doğu Anadolu Teleskobu’nda da adaptif optik sistemine sahip bir kızılötesi algılayıcı olacak.)

Bu gözlemler optik teleskoplarla yapılamaz, çünkü gökada merkezine yaklaştıkça artan gaz ve toz miktarı optik ışığın geçişine izin vermez. Fakat yakın kızılötesi ışık bu gaz ve toz bulutlarından etkilenmeden yoluna devam eder ve bize ulaşır.  Ghez ve Genzel’nın ekipleri gökada merkezindeki yıldızları 20 seneden uzun bir süre gözlediler. Bu gözlemlerin sonucu olarak yıldızların tek bir merkez etrafında döndüklerini gösterebildiler (Şekil 1). Aynı gezegenlerin Güneşin etrafında dönmesi gibi bu yıldızlar da büyük kütleli bir cismin etrafında eliptik yörüngelerde dönüyorlardı. Gerisi sadece Newton fiziği. Yörüngeleri tanımlayan parametreler ortadaki kütlenin bir fonksiyonu olduğundan bu kütle hesaplanabildi.

Aşağıdaki animasyon Andrea Ghez’in grubunun 1995’den 2016’ya kadar olan gözlemlerini gösteriyor (Kaynak: UCLA Galactic Center Group).

1990’ların sonunda doktoram sırasında Andrea Ghez’in bir konuşmasını dinlemiştim, o zamanlar gözlemler daha yeni başlamıştı ve kütle ölçümünde büyük hatalar vardı. Aradan geçen 20 yılda hata payları 0,2 – 0,4 milyon Güneş kütlesine indi. Her iki grubun ölçümleri de gökadamızın merkezindeki karadeliğin kütlesinin  hata payları içinde yaklaşık 4 milyon güneş kütlesi kadar olduğunu göstermiş oldu.

Tabii, cismin büyük kütleli olması demek karadelik olacağı anlamına gelmiyor, bu kadar büyük kütleli bir gaz bulutu da gökadamızın merkezinde olabilirdi. Ama radyo teleskopları ile yapılan gözlemler, gökada merkezinde o kadar kütleli bir gaz bulutu ya da başka bir cisim göremiyorlar, dolayısıyla bu kadar büyük bir kütleyi ışımadan saklamanın tek yolu bir karadelik olması. Herhalde Olay Ufku Teleskobu bu tartışmaya son noktayı koyacaktır.

Bu arada Ghez ve Genzel’in grupları Nobel Ödülü’ne konu olan süper kütleli karadelik gözleminin yanısıra yine birbirlerinden bağımsız olarak Einstein’ın genel görelilik kuramını test eden iki gözlem yaptılar.

Yıldız yörüngesinin dönüşünün abartılı bir çizimi CC-BY (Kaynak: ESO/L. Calçada )
  1. Birincisinde S2 yıldızının galaksimizin merkezi etrafındaki yörüngesinin kapalı olmadığını yörüngenin genel göreliliğin öngördüğü şekilde döndüğünü (presesyon yaptığını) gösterdiler (Resimde yörüngenin dönüşü abartılı olarak gösteriliyor).
  2. Genel görelilik teorisi, güçlü çekim kuvveti altındaki bir cismin ışığının dalgaboylarında kayma olacağını öngörüyor. Kayma daha uzun dalgaboylarına doğru oluyor buna kırmızıya kayma diyoruz.  Ghez ve Genzel yine ayrı ayrı gözlemlerle S2 yıldızından gelen ışığın kırmızıya kaymasının da Einstein’in genel görelilik kurumu ile uyum içerisinde olduğunu gösterdiler.

Emrah Kalemci
Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi öğretim üyesi


Creative Commons LisansıBu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır.  İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.


Önceki İçerikTarım ve yemek sosyolojisi
Sonraki İçerikBinlerce yıllık kültür mirası: Zeytin ve zeytin ağacı
Avatar photo

İstanbul Atatürk Fen Lisesi’nde (1992) lise eğitimini tamamladı ve ODTÜ Fizik bölümünden 1996 yılında mezun oldu. Kaliforniya Üniversitesi San Diego Fizik Bölümünden doktorasını (2002) kara deliklerin zamansal gözlemleri üzerine yaptı, aynı zamanda x ışını algılayıcıları üzerine çalıştı. 2002-2005 yılları arasında Kaliforniya Üniversitesi Berkeley Uzay Bilimleri Laboratuvarı’nda (Space Sciences Laboratory) doktora sonrası araştırmacı olarak çalıştı. 2005 yılından beri Sabancı Üniversitesi’nde öğretim üyesidir. TÜBA GEBİP ve Tübitak Teşvik ödülleri sahibidir.