Kara delikler nasıl oluşur

Dev bir yıldızın çekirdeğinin kendi üzerine nasıl çöküp evrenden kapandığı

Adım adım

Ölüme mahkûm bir dev

Güneş'in yaklaşık 20 katından ağır yıldızlar, ömürlerini öyle büyük ve yoğun çekirdeklerle bitirir ki alışılmış süpernovanın başlaması zorlaşabilir. Bilgisayar modelleri, bunların önemli bir kısmının hiç patlamadığını gösteriyor.

Bu yıldız, 22 milyon ışık yılı uzaklıktaki NGC 6946 galaksisinde yaklaşık 25 Güneş kütleli kırmızı bir süperdev olan N6946-BH1 örnek alınarak modellendi. Kaybolma vakaları için binlerce böyle yıldızı izleyen gökbilimciler onu 2009'da yakaladı.

Dışarıdan bakınca diğer şişkin, soğuk süperdevlerden farksızdır: çekirdeğinin yapmak üzere olduğu şeyi hiçbir şey haber vermez.

Çekirdek teslim oluyor

Bir süpernovadaki gibi, demir çekirdek saniyenin dörtte birinde çöker ve geri sekerek yaklaşık 30 km genişliğinde bir nötron yıldızı oluşturur. Bir şok dalgası yola çıkar ve takılır.

Her şey sıradan bir süpernovadaki gibi başlar: elektronlarının taşıyamayacağı kadar ağır olan demir çekirdek kendi üzerine çöker ve bir atom çekirdeğinin yoğunluğuna ulaşınca sertleşir. Yeni nötron yıldızı hâlâ şişkin ve sıcaktır, nötrino saçar.

Sekmeden doğan şok dalgası birkaç yüzde bir saniye içinde enerjisini tüketir ve bu tür her çöküşte olduğu gibi merkezden yaklaşık 150 km uzakta durur. Sonra olacaklar, yıldızın patlayıp patlamayacağını belirler.

Taşınamayacak kadar çok

Burada nötrinolar şoku yeniden canlandıramaz. Gaz nötron yıldızının üzerine yağmaya devam eder; yıldız yaklaşık bir saniyede Güneş kütlesinin 1,8 katından 2,3 katına çıkar.

En yoğun çekirdeklerde gaz o kadar hızlı düşer ki nötrinoların ısıtması şoku yeniden dışarı itemez. Şok geri çöker ve yıldızın iç katmanları nötron yıldızının üzerine ışık hızının neredeyse yarısıyla dökülür.

Bir nötron yıldızını, atom çekirdekleri kadar sıkı paketlenmiş nötronlarının basıncı ayakta tutar. Bu basıncın bir sınırı var: bilinen en ağır nötron yıldızı PSR J0952-0607, Güneş kütlesinin 2,35 katıdır ve çok daha ağır bir tanesinin olması beklenmiyor.

Her saniyenin onda biri daha fazla kütle ekler. Nötron yıldızının zamanı tükeniyor.

Sınırın ötesinde

Artık hiçbir kuvvet onu tutamaz: yaklaşık on binde bir saniyede çöker. Merkezinde bir ufuk belirir ve dışa doğru büyüyerek düşen yüzeye, yüzey tam ufkun son boyutundan geçerken yetişir.

Bu, genel göreliliğin tam olarak betimlediği en basit çöküştür; 1939'da Robert Oppenheimer ve Hartland Snyder tarafından hesaplanmıştır. Ufuk, yıldızın maddesinin yüzeyinde oluşturduğu bir şey değildir: ışığın artık dışarı çıkamadığı bölgenin sınırıdır ve merkezde bir nokta olarak başlar.

Yüzey içeri girdikten sonra yıldızdan hiçbir şey bir daha görülemez. Maddesi merkeze doğru düşmeye devam eder; genel görelilik orada bir tekillik öngörür: bugünkü fizik yasalarımızın işlemez hale geldiği bir nokta.

2,3 Güneş kütleli bir nötron yıldızı için ufuk sonunda yaklaşık 14 km genişliğinde olur.

Donmuş, kızarmış, gitmiş

Uzaktan bakınca yüzey ufka yaklaştıkça yavaşlıyor ve ona asla tam ulaşmıyor gibi görünür. Işığı kızarır ve söner; saniyenin binde biri içinde görülecek hiçbir şey kalmaz.

Ufkun yakınında zaman, uzaktan bakınca sınırsızca uzar ve dışarı tırmanan ışık gittikçe daha çok enerji kaybeder. Bu yüzden uzaktaki bir gözlemci çöküşün neredeyse durduğunu, yıldızın ufkun hemen dışında donduğunu görür. Ama donmuş yıldız görünmezdir: ışığı her altmış milyonda bir saniyede yaklaşık üç kat söner.

Popüler bir iddianın ardındaki gerçek budur: bir kara deliğe düşen birinin evrenin bütün geleceğinin hızla akıp gittiğini göreceği iddiası. Görmez: düşen bir yolcu ufku kendi zamanının bir anında geçer ve orada özel hiçbir şey görmez. Onun geçtiğini hiç görmeyenler yalnızca uzaktaki gözlemcilerdir.

Bir yıldız kayboluyor

Çekirdeğin geri kalanı bir saat içinde içeri düşer ve delik yaklaşık on Güneş kütlesine ulaşır. Yıldızın gevşek tutulan dış katmanları aylarca sönük parlayarak uzaklaşır; sonra görülecek bir şey kalmaz.

Nötrinolar öyle çok enerji götürür ki yıldız birden Güneş kütlesinin birkaç onda biri kadar hafifler. Kütle çekiminin zar zor tuttuğu dış katmanları, çekimin gevşediğini hisseder ve sönük parlayarak uzaklaşır: dışarıdan bir şey olduğunun tek işareti.

Gökbilimcilerin 2009'da gördüğü tam da buydu: N6946-BH1 birkaç ay boyunca yaklaşık bir milyon Güneş kadar parladı, sonra söndü. 2015'te Hubble, 25 Güneş kütleli bir yıldızın bulunduğu yerde görünür ışıkta hiçbir şey bulamadı. Geriye yalnızca ılık tozun sönük bir kızılötesi parıltısı kaldı.

Bu, bir yıldızın doğrudan kara deliğe çöktüğünün şimdiye kadarki en iyi örneğidir, ama gökbilimciler bunu başka bir şeyin açıklayıp açıklayamayacağını hâlâ denetliyor.

Bir kara delik

Siyah disk onun gölgesidir; ufuktan yaklaşık iki buçuk kat geniştir, çünkü fazla yaklaşan ışık yakalanır. Hemen dışında arkadaki yıldızların ışığı halkalar halinde bükülür; gölgeye yapışık ince parlak halka, kaçmadan önce deliğin çevresini dolanan ışıktır.

Yıldızdan geriye yalnızca kütlesi, dönüşü ve varsa elektrik yükü kalır: bir kara deliğin yüzeyi ve onu ayırt ettirecek başka hiçbir şeyi yoktur. Kütlesi ve dönüşü aynı olan iki kara delik tıpatıp aynıdır.

Galaksimizde bu yolla oluşmuş yüz milyon kadar kara delik olmalı. Çoğu yalnız ve karanlıktır; bulmaları neredeyse imkânsızdır.

Bir komşudan beslenmek

Yakın bir eşi olan bir kara delik ondan gaz çekip bir disk oluşturabilir. Milyonlarca dereceye ısınan disk X ışınlarında parlar: ilk bulunan kara delik Kuğu X-1 kendini böyle ele verdi.

Kuğu X-1, 7.200 ışık yılı uzakta, yaklaşık 41 Güneş kütleli mavi bir süperdevin çevresinde dolanan 21 Güneş kütleli bir kara deliktir. X ışınları 1964'te bulundu ve 1970'lerin başında eşinin yörüngesi, görünmeyen ortağın bir kara delikten başka bir şey olamayacak kadar ağır olduğunu gösterdi.

Sarmal çizerek içeri giren gaz kendine sürtünerek ısınır ve deliğin yakınında ışık hızının azımsanmayacak bir kesriyle hareket eder. Diskin bize doğru gelen yanı uzaklaşan yanından daha parlak görünür ve deliğin kütle çekimi diskin arka yüzünü görüş alanına büker.

2024'te Gaia uzay aracı, yalnızca 1.926 ışık yılı uzaktaki 33 Güneş kütleli bir kara delik olan Gaia BH3'ü, eş yıldızını nasıl salladığından buldu. Hiçbir şeyle beslenmiyor ve karanlık.

Şehirlerden devlere

Yıldızların oluşturduğu kara delikler birkaç ile birkaç düzine Güneş kütlesi arasındadır. Galaksilerin merkezlerinde ise devler vardır: Yay A* dört milyon, M87* altı buçuk milyar Güneş kütlesine ve gezegen sistemimizden geniş bir ufka sahiptir.

Bir ufuk kütlesiyle aynı oranda büyür: her Güneş kütlesi için yaklaşık 6 km genişlik. Yay A*'nınki yaklaşık 25 milyon km, M87*'ninki ise yaklaşık 38 milyar km genişliğindedir; Neptün'ün yörüngesinden birkaç kat geniş.

Yeterince küçük sıkıştırılan her şey kara deliğe dönüşür. Güneş'in 6 km genişliğinde bir topa, Dünya'nın ise yalnızca 18 mm'lik, bir bilye büyüklüğünde bir topa sıkıştırılması gerekirdi.

Devlerin nasıl bu kadar büyüdüğü hâlâ araştırılıyor. Gaz yutarak ve birbirleriyle birleşerek büyürler, ama James Webb Uzay Teleskobu Büyük Patlama'dan 500 milyon yıldan kısa süre sonra milyonlarca Güneş kütleli kara delikler buldu; bunlar belki de baştan büyük doğdu: hiç yıldız olmadan, çöken gaz bulutlarından.

İki kara delik birleştiğinde uzayın kendisini sarsar ve kütle çekim dalgaları yayar. 2015'ten beri Dünya'daki dedektörler bu tür yüzlerce birleşme yakaladı.