İki kara delik birleşiyor

İki kara deliğin sarmal çizerek nasıl birbirine yaklaştığı, uzayın kendisini nasıl sarstığı ve 1,3 milyar yıl sonra Dünya'da nasıl duyulduğu

3B'de izle

Adım adım

Bir kara delik çifti

Her biri büyük kütleli bir yıldızdan geriye kalandır. Büyüğünün olay ufku yaklaşık 210 km, küçüğününki yaklaşık 170 km genişliğinde, bir şehirden büyük değil; yine de her birinin çevresinde arkadaki yıldızların ışığı yaylar ve halkalar biçiminde bükülüyor. Böyle iki deliğin nasıl birlikte dönmeye başladığı hâlâ tartışmalı: bir dev yıldız çifti olarak doğmuş ya da kalabalık bir yıldız kümesinde karşılaşmış olabilirler.

Onları dışarıdan iten bir şey yok. Yörüngeleri, uzayın kendisinde yarattığı dalgacıklara enerji kaptırıyor ve bu yüzden küçülüyor; önce yavaş, sonra giderek daha hızlı. Bu uzaklıkta yaklaşık elli dakikaları kaldı.

Uzayda dalgalar

Dönerken uzayın kendisini sarsıyorlar. Kütleçekim dalgaları ışık hızıyla yayılıyor; uzayı bir yönde gerip öbür yönde sıkıştırıyor, her turda iki kez.

Albert Einstein'ın genel görelilik kuramı bu dalgaları 1916'da öngördü. Hareketi değişen her kütle onları yayar, ama ancak çok hızlı hareket eden devasa kütleler önemsenecek kadar güçlü dalgalar üretir. Burada yörünge düzleminde çiziliyorlar: uzayın gerildiği yerler altın, sıkıştığı yerler mavi; her bölüm, dalganın o kısmı yola çıktığında çiftin ne yaptığını gösteriyor.

Dalgalar enerji taşır ve bu enerji yörüngeden gelir. Yine de bir milyon kilometre uzakta bile uzayı yalnızca milyonda bir kadar gererler. Saniyede yaklaşık bir kez inip çıkan bu yavaş dalgalar, Dünya'daki hiçbir dedektörün hissedemeyeceği kadar yavaştır.

Gittikçe hızlanarak

Zaman hızlandırıldı: yörünge küçüldükçe hızlanıyor, dalgalar da güçleniyor. Son elli dakikalarında delikler 10.000 km'den yaklaşık 900 km'ye yaklaşıyor ve saniyede 17 tur atıyor.

Delikler yaklaştıkça daha hızlı hareket eder ve yaydıkları dalgalar güçlenir, bu yüzden yörünge enerjisini daha da hızlı kaybeder. Sarmal kendi kendini hızlandırır: bu elli dakikanın çoğu geniş, yavaş turlarla geçer, son bin kilometre ise saniyenin üçte birinden kısa sürer.

Dalgaların perdesi, yörüngenin saniyedeki tur sayısının iki katıdır. Saniyede yaklaşık 30 titreşimi geçtiğinde, yani LIGO dedektörlerinin hissedebileceği kadar hızlandığında, delikler birbirlerine göre ışık hızının üçte biriyle hareket ediyor.

Saniyenin son beşte biri

Yaklaşık yetmiş kat yavaşlatıldı: saniyenin son beşte birinde delikler beş tur daha atıyor ve ışık hızının yarısından hızlı giderek yaklaşık 320 km'ye kadar yaklaşıyor.

LIGO'nun duyduğu kısım bu: saniyenin beşte birinde yaklaşık on titreşim; perde saniyede yaklaşık 35'ten 150 titreşime yükselirken güç de durmadan artıyor. Sese dönüştürüldüğünde bir kuş cıvıltısı gibi yükseliyor, bilim insanları da ona bu yüzden "chirp" (cıvıltı) diyor.

Bu kadar yakınken delikler uzayı öylesine büker ki sarmalın basit formülleri geçerliliğini yitirir. Onları sonuna kadar yalnızca Einstein'ın denklemlerini çözen süperbilgisayarlar izleyebilir. Bilim insanları kütleleri, 36 ve 29 Güneş kütlesini, LIGO'nun ölçtüğünü binlerce böyle benzetimle karşılaştırarak buldu.

İkisi bir oluyor

Olay ufukları birbirine değiyor ve birleşiyor. Üç Güneş kütlesi artık kütleçekim dalgalarına dönüştü, çoğu da saniyenin son beşte birinde; dalgalar zirvede, gözlemlenebilir evrendeki tüm yıldızlardan daha fazla güç taşıyor.

Zirvede dalgalar yaklaşık 3,6 × 10⁴⁹ watt taşır; bu, gözlemlenebilir evrendeki tüm yıldızların toplam ışığının elli katı kadardır, ama yalnızca saniyenin birkaç binde biri boyunca. Toplamda 36 ve 29 Güneş kütlesi 62'lik bir delik oldu: eksik üçü dalga olarak gitti.

Birleşmenin kendisi burada basitçe çiziliyor. Süperbilgisayar benzetimleri gerçekte ne olduğunu gösteriyor: iki olay ufku tek, biçimsiz bir ufukta birleşiyor ve bu ufuk hızla biçimini buluyor. Tüm bu süre boyunca dalgalardan başka hiçbir şey kaçmıyor: boş uzayda birleşen iki kara delik hiç ışık yaymaz.

Tek bir kara delik

Geriye 62 Güneş kütleli tek bir kara delik kalıyor; olay ufku saniyede yaklaşık 100 kez dönüyor. Vurulmuş bir çan gibi, saniyede yaklaşık 250 titreşimle çınladı ve neredeyse hemen sustu.

Bu çınlama, yeni olay ufkunun biçimini bulmasıdır. Perdesi ve ne kadar çabuk söndüğü yalnızca deliğin kütlesine ve dönüşüne bağlıdır; genel görelilik tam da bunu öngörür ve LIGO'nun duyduğu buna uyuyor.

Stephen Hawking 1971'de kara deliklerin olay ufuklarının toplam alanının asla küçülemeyeceğini gösterdi. Burada iki ufkun toplamı yaklaşık 230.000 km² idi; yenisininki yaklaşık 370.000 km², yani daha fazla, üstelik üç Güneş kütlesi yitirildiği hâlde. 2025'te daha net duyulan bir birleşme, GW250114, bunu hiç olmadığı kadar açık biçimde doğruladı.

Evrene doğru

Dalgalar ışık hızıyla uzaklaşıyor, yayıldıkça zayıflıyor. Bir saniyeden biraz fazla sürede Dünya ile Ay arasındaki uzaklığı, sekiz dakikada Dünya ile Güneş arasındakini katediyorlar.

Güçleri uzaklıkla aynı oranda azalır: on kat uzakta, on kat zayıf. Işığın aksine yıldızların, gazın ve tozun içinden hiçbir şey yokmuş gibi geçerler; bu yüzden yola çıktıkları gibi, yalnızca daha zayıf olarak ulaşırlar.

1,3 milyar yıl yol aldılar. Yola çıktıklarında Dünya'daki yaşam hâlâ çoğunlukla tek hücreliydi. Yolda evren büyüdü ve onları da gerdi: yola çıktıklarından %9 daha uzun ve daha pes ulaştılar; bilim insanları kütleleri hesaplarken bunu dikkate alır.

LIGO duyuyor

14 Eylül 2015'te 09:50:45 UTC'de dalgalar güney göğünden gelip Dünya'yı taradı. LIGO'nun Livingston'daki (Louisiana) dedektörü onları ilk hissetti; 3000 km ötedeki Hanford'daki (Washington) dedektör ise saniyenin 7 binde biri sonra.

Her LIGO dedektörü, içinde lazer ışığının gidip geldiği 4 km uzunluğunda iki koldan oluşan bir L'dir. Geçen bir dalga bir kolu gerip diğerini sıkıştırır; zirvede bu kolların boyu bir protonun genişliğinin yaklaşık binde biri kadar değişti ve LIGO bunu ölçtü.

Dalgalar ışık hızıyla ilerlediğinden, dedektörler arasındaki 7 ms kaynağı güney göğünde bir halkaya yerleştirdi; iki dedektör daha fazlasını söyleyemezdi. Amerika'da geceydi: Louisiana'da sabahın 4.50'si. Burada zaman yaklaşık altmış kat yavaş akıyor.

Yüzlercesi daha

Kütleçekim dalgaları ilk kez algılanmıştı; Einstein'ın onları öngörmesinden bir asır sonra. 2025'e kadar dedektörler yaklaşık 300 kara delik birleşmesi duymuştu; birkaç günde bir.

Keşif, Rainer Weiss, Barry Barish ve Kip Thorne'a 2017 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırdı. LIGO artık İtalya'daki Virgo ve Japonya'daki KAGRA ile birlikte dinliyor: üç ya da daha fazla dedektörle bir kaynak gökyüzünde çok daha kesin konumlandırılabilir.

Şimdiye dek duyulan en ağır çift, GW231123, yaklaşık 225 Güneş kütleli bir kara delik oluşturdu. 2017'de iki nötron yıldızının çarpıştığı duyuldu ve ardından teleskoplar, altın gibi ağır elementlerin oluştuğu patlamanın ışığını yakaladı.