2023 yılında gökbilimciler çok büyük bir çarpışma tespit etti. Eşi görülmemiş derecede büyük iki kara delik, tahminen 7 milyar ışıkyılı uzaklıkta çöktü. Kara deliklerin muazzam kütleleri ve aşırı dönüşleri gökbilimcileri şaşırttı. Bunun gibi kara deliklerin var olmaması gerekiyordu.
Artık Flatiron Enstitüsü’nün Hesaplamalı Astrofizik Merkezi’ndeki (CCA) gökbilimciler ve meslektaşları, bu kara deliklerin nasıl oluştuğunu ve çarpıştığını çözdüler. Gökbilimcilerin sistemi ana yıldızların yaşamlarından nihai ölümlerine kadar takip eden kapsamlı simülasyonları, önceki çalışmaların gözden kaçırdığı eksik parçayı ortaya çıkardı: manyetik alanlar.
CCA’da astrofizikçi olan ve çalışmayla ilgili yeni çalışmanın başyazarı olan Ore Gottlieb, “Hiç kimse bu sistemleri bizim düşündüğümüz gibi düşünmedi; daha önce gökbilimciler sadece bir kısayolu kullandılar ve manyetik alanları ihmal ettiler” diyor. Astrofizik Günlük Mektupları. “Fakat manyetik alanları dikkate aldığınızda, bu eşsiz olayın kökenlerini aslında açıklayabilirsiniz.”
2023 yılında tespit edilen ve artık GW231123 olarak bilinen çarpışma, LIGO-Virgo-KAGRA işbirliği tarafından, büyük nesnelerin hareketlerinin neden olduğu uzay-zamandaki dalgalanmalar olan yerçekimsel dalgaları ölçen dedektörler kullanılarak gözlemlendi.
O zamanlar gökbilimciler bu kadar hızlı dönen kara deliklerin nasıl ortaya çıktığını anlayamamışlardı. Devasa yıldızlar yaşamlarının sonuna ulaştığında birçoğu çöker ve süpernova olarak patlayarak arkalarında bir kara delik bırakır. Ancak yıldız belirli bir kütle aralığına düşerse özel bir tür süpernova meydana gelir. Çift kararsızlığı süpernovası olarak adlandırılan bu patlama o kadar şiddetli ki yıldız yok oluyor ve geride hiçbir şey kalmıyor.
Gottlieb, “Bu süpernovaların bir sonucu olarak, Güneş kütlesinin kabaca 70 ila 140 katı kadar kara deliklerin oluşmasını beklemiyoruz” diyor. “Dolayısıyla bu boşluğun içinde kütleli kara delikler görmek kafa karıştırıcıydı.”
Bu kütle boşluğundaki kara delikler, iki kara deliğin birleşip daha büyük bir kara delik oluşturmasıyla dolaylı olarak oluşabiliyor, ancak GW231123 örneğinde bilim insanları bunun olasılık dışı olduğunu düşünüyorlardı. Kara deliklerin birleşmesi, genellikle ortaya çıkan kara deliğin dönüşünü bozan son derece kaotik bir olaydır. GW231123’ün kara delikleri, LIGO tarafından görülen en hızlı dönen cisimlerdi ve uzay-zamanı etraflarında neredeyse ışık hızıyla sürüklediler. Kendi boyutlarında ve dönüşlerinde iki kara delik inanılmaz derecede düşük bir ihtimal olduğundan gökbilimciler başka bir şeyin iş başında olması gerektiğini düşündüler.
Gottlieb ve işbirlikçileri, iki aşamalı hesaplamalı simülasyonlar yürüterek araştırma yaptılar. İlk olarak, güneş kütlesinin 250 katı dev bir yıldızın, hidrojeni yakmaya başladığı andan itibaren tükenip bir süpernova halinde çöktüğü ana kadar olan yaşamının ana aşamasını simüle ettiler. Bu kadar büyük bir yıldız, süpernova aşamasına ulaştığında, güneş kütlesinin sadece 150 katına kadar incelmeye yetecek kadar yakıt yakmış, bu da onu kütle aralığının hemen üzerinde ve arkasında bir kara delik bırakacak kadar büyük hale getirmişti.
Manyetik alanları açıklayan daha karmaşık simülasyonlardan oluşan ikinci bir grup, süpernovanın sonrasını ele alıyordu. Model, süpernova kalıntıları, manyetik alanlarla bağlanmış bir yıldız malzemesi kalıntısı bulutu ve merkezinde bir kara delik ile başladı. Daha önce gökbilimciler, bulutun tüm kütlesinin yeni doğmuş kara deliğin içine düşeceğini ve böylece kara deliğin son kütlesinin büyük yıldızın kütlesiyle eşleşeceğini varsayıyordu. Ancak simülasyonlar farklı bir şeyi gösterdi.
Dönmeyen bir yıldız çökerek kara delik oluşturduğunda, geriye kalan döküntü bulutu hızla kara deliğin içine düşer. Bununla birlikte, eğer başlangıçtaki yıldız hızlı bir şekilde dönüyorsa, bu bulut, kara deliğin uçuruma düşen materyaller nedeniyle giderek daha hızlı dönmesine neden olan dönen bir disk oluşturur. Manyetik alanlar mevcutsa enkaz diski üzerine baskı uygularlar. Bu basınç, malzemenin bir kısmını kara delikten neredeyse ışık hızında fırlatmaya yetecek kadar güçlüdür.
Bu çıkışlar sonuçta diskteki, sonunda kara deliğe beslenen malzeme yığınını azaltır. Manyetik alanlar ne kadar güçlü olursa bu etki de o kadar büyük olur. Çok güçlü manyetik alanların olduğu aşırı durumlarda, yıldızın orijinal kütlesinin yarısına kadarı, kara deliğin disk fırlatma yoluyla dışarı atılabilir. Simülasyonlar durumunda, manyetik alanlar sonuçta kütle boşluğunda son bir kara delik yarattı.
Gottlieb, “Dönme ve manyetik alanların varlığının, yıldızın çöküş sonrası evrimini temelden değiştirebileceğini, kara delik kütlesini potansiyel olarak çöken yıldızın toplam kütlesinden önemli ölçüde daha düşük hale getirebileceğini bulduk” diyor.
Gottlieb, sonuçların kara deliğin kütlesi ile dönme hızı arasında bir bağlantı olduğunu öne sürdüğünü söylüyor. Güçlü manyetik alanlar bir kara deliği yavaşlatabilir ve yıldız kütlesinin bir kısmını alıp götürerek daha hafif ve daha yavaş dönen kara delikler oluşturabilir. Daha zayıf alanlar daha ağır ve daha hızlı dönen kara deliklere olanak tanır. Bu, kara deliklerin kütlelerini ve dönüşlerini birbirine bağlayan bir desen izleyebileceğini gösteriyor.
Gökbilimciler bu bağlantının gözlemsel olarak test edilebileceği başka bir kara delik sistemi bilmese de, gelecekteki gözlemlerin bu bağlantıyı doğrulayabilecek daha fazla böyle sistem bulabileceğini umuyorlar.
Simülasyonlar aynı zamanda bu tür kara deliklerin oluşumunun gözlemlenebilir gama ışınları patlamaları yarattığını da gösteriyor. Bu gama ışını izlerini aramak, önerilen oluşum sürecinin doğrulanmasına yardımcı olacak ve bu devasa kara deliklerin evrende ne kadar yaygın olabileceğini ortaya çıkaracaktır. Sonuçta, eğer böyle bir bağlantı doğrulanırsa, gökbilimcilerin kara deliklerin temel fiziği hakkında daha derin bir anlayış kazanmalarına yardımcı olacak.
