İnsanlığın ilk defa çekmeyi başardığı karadelik fotoğrafı!

İhtiyacımız olan daha çok bilim!

İnsanlığın ilk defa çekmeyi başardığı karadelik fotoğrafı!

Bilim insanları, ilk defa bir karadeliğin doğrudan fotoğrafını çekmeyi başardı. Ana görselde gördüğünüz fotoğraf, bizden 53-55 milyon ışık yılı uzakta bulunan Messier 87 (ya da kısaca M87) galaksisinin merkezindeki karadeliğin fotoğrafı! Karadeliğin çapı 1.5 ışık günü uzunlukta! Yani Dünya’dan Ay’a 1 saniyede ulaşabilen ışığın, yaklaşık 36 saatte aldığı mesafeye eşit! Bunun ne kadar büyük olduğunu, aşağıdaki çizimden anlayabilirsiniz:

Karadeliğin ne kadar büyük olduğunu anlamak isterseniz… Karadeliğin ortasındaki daire, Plüton’un yörüngesine denk geliyor. Sağ taraftaki noktacık ise, pratik olarak Güneş Sistemi’ni terk etmiş olan Voyager 1’in ne mesafede olduğu…

Bu noktada fark edilmesi gereken ilk nokta şu: Bu fotoğraf, aslında bu karadeliğin 53 milyon yıl önceki görüntüsü; çünkü teleskoplarımızın topladığı ışık, karadelik ve etrafından 53 milyon yıl önce yola çıkan ışık! Bu süreçte çok şey değişmiş olabilir; ancak karadelikler kolay kolay yok olan veya değişen cisimler olmadıkları için; bugün de bu karadeliğin büyük oranda benzer olduğunu düşünebiliriz. Dahası, önemli olan, karadeliklerin genel yapısını görüntüleyebilmek; spesifik olarak M87’yi özel kılan bir durum bulunmuyor.

Karadeliğin fiziksel özellikleri

Karadeliğin etrafındaki ışık, arkasındaki ışık kaynaklarından (örneğin yıldızlardan) gelen ışığın karadeliğin muazzam kütlesi nedeniyle bükülen uzay-zaman düzlemi boyunca hareket etmesi nedeniyle oluşuyor. Bu ışık dalgaları üst üste binerek çok daha güçlü ve parlak bir bölge oluşturuyor. Dahası, az sonra da izah edeceğimiz gibi, karadelikler etrafında bulunan madde, birbirine sürtünerek ısı ve ışık saçabiliyor; bu da karadeliklerin kendisi simsiyah olsa da, etraflarının ateş topu gibi gözükmesine neden olabiliyor.

Büyük kütleli cisimler etrafındaki uzay-zamanın bükülmesi sonucu, ışığın yol değiştirmesini gösteren şu grafiğe göz atabilirsiniz:

Işığın büyük kütleli cisimler etrafında yön değiştirmesi.

Çekilen yeni fotoğrafla ilgili en kritik noktalardan birisi de şu: Bugüne kadar bizim yazılarımızda da dahil birçok astrofizik yazısında kullanılan karadelik görsellerinin tümü, bir karadeliğin teorik olarak neye benzemesi gerektiğine bağlı olarak yapılan grafik çizimlerdi. Bu ise, bir karadeliğin gerçek fotoğrafı! Yani astrofiziğin karadeliklerin neye benzemesi gerektiğine yönelik teorik altyapısı, pratik bir gerçekliğe dönüşmüş oldu.

Karadeliğe dair bazı temel bilgileri bu infografikte bulabilirsiniz. Turuncu küre olarak varsayılan karadeliğin yarıçapı, Schwarzschild yarıçapı olarak kabul edilen matematiksel bilgiler doğrultusunda hesaplanmıştır. Buna göre, bir karadeliğin etrafında maddenin, karadeliğin kütleçekimine yenik düşmeden dairesel hareket yapabileceği en kararlı yarıçap (İng: Innermost stable circular orbit), dönmeyen bir karadeliğin yarıçapının 3 katıdır. M87 Karadeliği için değerler yaklaşık olarak 2.6r’dir. Eğer gölgenin başladığı alan, yani gölge 2.6r olarak alınırsa, karadeliğin asıl yarıçapı, yani r, gölgenin 1/2.6’sı kadar olacaktır. Bu da kürenin yarıçapıyla uyumludur.

Nasıl başarıldı?

Bu kara deliğin fotoğrafının çekilebilmesi, Dünya etrafındaki 8 radyo teleskobun bir araya getirilmesi ve ortak bir hedefe odaklanması ile mümkün oldu. Yani proje için Dünya’nın kendisi, kocaman bir teleskoba dönüştürüldü diyebiliriz! Bu radyo teleskoplar 4 kıtaya dağılmış 6 dağ üzerinde bulunan 8 gözlemevinde bulunuyor.

Bu kadar çok sayıda radyo teleskobun kullanılma nedeni, tekil bir radyo teleskobun çözünürlüğünün aşırı düşük olmasıdır. Tekil bir teleskop kullanarak bir karadeliğin büyük ölçekte etkilerini gözlemeniz mümkün olabilir; ancak bu karadeliğin kendisinin detaylı bir fotoğrafını çekemezsiniz. Dilerseniz çok daha büyük bir teleskop üretebilirsiniz; ancak bunun mühendislik ve maddi açılardan çok ciddi sorunları vardır. Bu nedenle, tek ve devasa bir teleskop üretmek yerine, halihazırda aktif olarak çalışan ve Dünya’nın farklı coğrafyalarına yayılmış teleskopları tek bir noktaya (örneğin bir karadeliğe) odaklayarak, Dünya’nın çapının kattığı ek çözünürlükten faydalanabilirsiniz. İşte araştırmacıların yaptığı da bu oldu.

Araştırma ekibinden Katie Bouman’ın bilgisayarında, söz konusu karadeliğin fotoğrafının ilk defa oluşturulduğu an ve o anki tepkisi!

Bunu başaran projeye genel olarak Olay Ufku Teleskobu (Event Horizon Telescope, EHT) adı verildi. Projenin çok net bir amacı bulunuyordu: Bir karadeliği fotoğraflamak! Projenin adı, bir karadeliğin çekim gücünden kurtulunmasının imkansız olduğu mesafeye verilen olay ufku kavramından geliyor. Konuyla ilgili olarak buradaki yazımıza göz atabilirsiniz.

Fotoğrafın çözünürlüğü küçük olabilir; ancak bizden 55 milyon ışık yılı uzakta olan, dolayısıyla bu mesafeye göre ufacık bir nokta olan bir gök cisminin fotoğrafının çekildiğini hatırlatırız. Dolayısıyla bu, belki de Nokia 6600’ın kamerasıyla, uzaktaki bir dağ üzerindeki bir karıncanın fotoğrafını çekmeye benzetilebilir. Bu şekilde düşündüğünüzde, çözünürlüğün baş döndürücü detayları daha iyi anlaşılabilir. Öyle ki, bu yüksek çözünürlüğü, 200 kişilik EHT araştırma ekibinin başındaki 11 kişilik Bilim Kurulu’nun üyelerinden Dr. Feryal Özel şöyle anlatıyor:

EHT’nin çektiği M87 fotoğrafında neden bu kadar fazla detay görebiliyoruz (en azından göreli olarak)? İlki, gölgenin boyutu, olay ufkundan en az 2.5 kat daha büyük. Bunun sebebi ışığın bükülmesi. İkincisi ise sinyal-gürültü oranı yüksek veri toplayabilmemiz, ortalama ışın büyüklüğünden yaklaşık 3 kat daha fazla çözünürlük elde edebilmemizi sağlıyor. Bu da bize fotoğraf boyunca 10 kat civarı daha yüksek çözünürlük veriyor.

Projenin başarıyla tamamlanabilmesi için iki ayrı karadeliğe odaklanıldı: Biri, bizim Samanyolu Galaksi’mizin merkezindeki süperkütleli karadelik. Diğeri ise, Messier 87 (ya da kısaca M87) Galaksisi’nin merkezindeki karadelik. Bunlardan ikincisinden gelen veriler, yukarıdaki fotoğrafı ortaya çıkardı.

M87’nin merkezindeki karadeliğin Chandra X-Işını Teleskobu ile uzaktan çekilmiş bir fotoğrafı…

Fotoğraftaki karadelik, Güneş’ten yaklaşık 6.5 milyar kat kütleye sahip! Dolayısıyla uzay-zamanı ne kadar fazla bükebildiğini de hayal edebilirsiniz. Ancak bu karadeliğin saçtığı ışık sadece etrafında bükülen ışıktan ibaret değil. Aynı zamanda, yuttuğu büyük cisimlerden yörüngesine oturanların birbirine sürtünmesi sonucu da etrafa ısı ve ışık saçan bir disk oluşabiliyor. Buna, akresyon diski adı veriliyor.

M87 Galaksisi, etrafa yaklaşık 5000 ışık yılı mesafeye kadar ulaşan miktarda malzeme saçıyor. Bu, 47 katrilyon kilometreye denk geliyor! Bu malzemeyi görüntüleyen bilim insanları, Yüzüklerin Efendisi serisindeki Sauron’un Gözü‘ne benzer fotoğrafı elde etmeyi başardılar.

Ancak fotoğrafın elde edilmesi kolay olmadı: Tek bir fotoğrafı ortaya çıkarabilmek için, söz konusu karadelikler 10 gün boyunca gözlendiler ve radyo teleskoplardan elde edilen bu veriler 2 yıl boyunca analiz edildi.

Bilimin zaferi: Keşif neden önemli?

Bu fotoğraf, bilim insanlarının ve genel olarak bilimin öngörü gücünü bizlere bir kez daha gösteriyor. Aşağıda, sıradan bir karadelik çizimini görüyoruz. Bilim insanlarının beklentisi buydu. Sanatçılar da bu beklentilere göre ürettiler. Örneğin Interstellar filminde gösterilen Gargantua isimli karadelik, bunun güzel bir örneği:

Gargantua (Interstellar)

Filmde gösterilen Gargantua, bir rotasyonel (kendi etrafında dönen) bir süperkütleli karadelik. Her karadelik, diğer bir adı ile Kerr kara deliği. Fakat rotasyonel olmak zorunda değil ve buna bağlı olarak uygulanması gereken fizik tamamen değişiyor. Ancak M87’nin saat yönünde döndüğüne dair bulgular da mevcut!

Filmi hatırlamak için bu yazımızı okuyabilirsiniz. Filmde gösterilen karadeliğin etrafındaki disk, akresyon diskini gösteriyor.

Karadelik nedir?

Karadelikler, belli büyüklükte kütleye sahip yıldızları sürdüren kimyasal yakıtın tükenmesi sonrasında, kendi kütleçekimleri altında, kendi üstlerine çökmeleri sonucu oluşan yapılardır. Karadelikler öylesine güçlü bir çekim kuvvetine sahiptir ki, ışık bile bu çekim kuvvetinden kaçamaz.

Bu nedenle de karadelikler simsiyah gözükürler; çünkü onlardan saçılan hiçbir görünür ışık dalgası bulunmamaktadır. Ancak bu deneyde de yapıldığı gibi, doğru yere odaklanıp, doğru veriler toplanacak olursa, tüm teorik detaylarla uyumlu bir fotoğraf elde etmek mümkündür. Araştırmacıların yaptığı da bu oldu! Pratik olarak, Dünya büyüklüğünde bir teleskop yaratarak, tekil bir teleskobun çözünürlüğünün çok daha ötesine geçmiş oldular. Böylece bir karadeliğe odaklanıp, detaylı bir fotoğraf çekmeyi başardılar.

Aslında bazı bilim insanları karadelik fikrinden hiç hoşlanmamıştı. Bunlardan birisi de Albert Einstein’dı. Çünkü ilk etapta bu devasa kütleli cisimlerin nasıl oluştuğu bilinemiyordu. Ancak sonradan yapılan çalışmalar, karadeliklerin oluşum mekanizmalarını netleştirdi. Öncelikle teorik verilerden yola çıkarak geliştirilen karadelik fikri, sonrasında dolaylı gözlemlerle bol miktarda destekçi topladı ve astrofizik camiasında kısa sürede bir görüş birliği oluştu.

Öyle ki, kendi geliştirdiği denklemlerin karadelikleri teorik olarak doğruladığını gören Einstein, başta sevmediği fikri veri ışığında kabul etmek durumunda kaldı. Einstein’ın geliştirdiği Görelilik Teorisi’ne göre, çok miktarda cisim çok ufak bir noktada odaklandığında, uzay-zaman düzlemi aşırı miktarda bükülerek, hiçbir şeyin kaçamayacağı bir kapan haline geliyor. İşte buna “karadelik” adını veriyoruz.

Özellikle de, 3 sene önce varlıkları ispatlanan kütleçekim dalgaları, karadeliklerin varlığını tartışmaya yer bırakmaz şekilde ispatladı. Konuyla ilgili şu yazımızı okumanızı tavsiye ederiz. Bu yeni fotoğraf ise, karadeliklerin Evren’in bir gerçeği olduğunu nihai olarak doğruluyor.

Günümüzde halen karadeliklerle ilgili bilinmeyen çok fazla detay mevcut. Örneğin bir cisim karadeliklerin içine düştüğünde ne oluyor? Karadeliklerin Evren’in oluşumunda bir rolü olabilir mi? Bu sorular, astrofizik ve astronomi bilimleri tarafından halen araştırılan aktif çalışma sahalarıdır.

Karadeliklerin kısa tarihi

ODTÜ Fizik Bölümü’nden Prof. Dr. Bayram Tekin, Facebook üzerinden yaptığı paylaşımında karadeliklerin kısa tarihini şöyle anlatıyor:

  1. 1783’te John Michell, bazı yıldızların çekim gücünün, ışığın kendilerinden kaçamayacak kadar büyük olabileceğini ileri sürdü (“karanlık yıldızlar”).
  2. 1796 yılında Laplace, tamamen bağımsız olarak Michell ile aynı sonuca ulaştı.
  3. 1854 yılında Riemann, genel uzayın eğimi kavramını geliştirdi.
  4. 1916 yılında Einstein, kütleçekiminin geometrik teorisini geliştirerek Newton’un büyük oranda tamamlanmamış teorisinin yerini aldı.
  5. 1916 yılında Karl Schwarzschild, Einstein’dan 3 ay sonra yayınladığı makalesinde, “siyah yıldız” çözümünü keşfetti.
  6. 1931 yılında Chandrasekhar, soğuk bir yıldızın maksimum kütlesini hesapladı.
  7. 1939 yılında Oppenheimer ve Synder, tüm termonükleer enerji kaynaklarının tükenmesi sonrasında yeterince büyük bir yıldızın sonsuza kadar kendi üzerine çökeceği sonucuna vardı.
  8. 1960’larda Schwarzschild’in çözümü nihayet anlaşıldı: Dönmeyen saf uzayda oluşan tekillik ve bir olay ufku… Kerr tarafından genişletilen çözüme rotasyon (dönüş) özelliği de eklendi. Newman ise çözüme “yük” kavramını ekledi.
  9. 1970 yılında Cygnus X-1 tarafından karadelik olmaya aday ilk gök cismi tespit edildi. Bu bir nötron yıldızı idi ve X-ışını saçıyordu.
  10. 1994 yılında Hubble Teleskobu bazı yıldızların hızıyla ilgili veri toplarken, sadece süperkütleli karadeliklerin varlığıyla açıklanabilecek bazı galaksiler keşfetti.
  11. 2016 yılında ilk defa birbiriyle çarpışan karadelikler, kütleçekim dalgaları kullanılarak tespit edildi.
  12. 2019 yılında ise, M87 galaksisinin merkezinde bulunan, kütlesi Güneş’ten 6.5 milyar kat fazla olan bir karadeliğin görüntüsü, 8 ayrı radyo teleskoptan toplanan verilerle oluşturuldu. Karadelik, 1.5 ışık yılı genişliğinde.

Popüler bilimde haberin yankıları

Bu fotoğrafın ilk defa duyurulduğu ve 1 saat süren toplantıyı aşağıda izleyebilirsiniz:

Ayrıca ülkemizde de bu konuda yayınlar yapıldı. Yukarıdaki canlı yayın sırasında ekrana yansıtılan karadelil fotoğrafını Türkiye’de ilk yayınlayan bilim sayfalarından biri Evrim Ağacı oldu. Twitter üzerinden yaptığımız zinciri buradan görebilirsiniz:

Araştırmanın içinde yer alan ve son 20 senesini bu çalışmaya ayıran Dr. Feryal Özel, fotoğraftan duyduğu mutluluğu Twitter hesabından şöyle duyurdu: “Kişisel bir not düşmem gerekirse… Bunun üzerinde, karadeliklerin fotoğraf boyutlarını tahmin ettiğimiz 2000 tarihli makalemden beri, 20 yıldır çalışıyorum. Bu an, uzun süredir beklediğim tatlı bir an.”

Dr. Selçuk Topal, söz konusu karadeliğin fotoğraflanması sırasında yapılan çalışmaları ele alan akademik makaleleri hesabından paylaştı (makaleleri buradan ücretsiz olarak okuyabilirsiniz):

NASA’dan Dr. Umut Yıldız, konuyu Twitter hesabında ele aldı:

Araştırmada kullanılan 8 teleskoptan 2’sini bünyesinde barındıran Arizona Üniversitesi’nden Dr. Betül Kacar, konuyu Twitter hesabında “Tebrikler! Böyle harika bir departmanın parçası olmaktan gurur duyuyorum. Üniversiteden iş arkadaşım Feryal Özel bu araştırmada yer aldı!” sözleriyle duyurdu:

Kozmik Anafor’dan dostlarımız konuyla ilgili bir yazı yayınlayıp, Twitter üzerinden de konuyu paylaştılar:

Canan Dağdeviren, Twitter hesabından “Paylaşılan karadelik fotoğrafını yeni görme fırsatım oldu. S. Hawking ile sohbetimiz aklına geldi. Bir şeyi ne kadar çok bilirseniz, o kadar az kara olur o delik.” sözleriyle yorumladı.

Daha önceden kendisiyle röportaj yaptığımız Barış Özcan’ın konuyla ilgili canlı yayınına buradan erişebilirsiniz:

Sonuç

Söylediğimiz gibi bu keşif; fiziğin, matematiğin ve genel olarak bilimsel araştırmanın tahmin ve öngörü gücünü harika bir şekilde hatırlatıyor.

En parlak beyinlerin, geleceğimiz için çalıştıklarında neler başarabileceklerini gösteriyor.

İhtiyacımız olan daha çok bilim!

Kaynaklar ve ileri okuma:

  • D. Overbye. Black Hole Picture Revealed For The First Time. (2019, Nisan 10). Alındığı Tarih: 10 Nisan 2019. Alındığı Yer: The New York Times
  • M. Wall. Event Horizon Telescope To Unveil Big Black Hole News Today! Watch Live. (2019, Nisan 10). Alındığı Tarih: 10 Nisan 2019. Alındığı Yer: Space

Kaynak: Evrim Ağacı

WP-Backgrounds by InoPlugs Web Design and Juwelier Schönmann