Kuasar

Öyle hızlı beslenen bir kara delik ki bütün galaksisini gölgede bırakıyor

Adım adım

Yıldız olmayan bir yıldız

1963'te Maarten Schmidt, 3C 273 adlı sönük bir ışık noktasının yıldız olmadığını buldu: ışığı, yaklaşık 2 milyar yıllık bir yolculukta genişleyen evren tarafından gerilmişti.

3C 273 önce bir radyo dalgası kaynağı olarak biliniyordu: üçüncü Cambridge kataloğunun 273'üncüsü. 1962'de Ay önünden geçti ve radyo dalgalarının kesildiği anın ölçülmesi yerini belirledi. Orada, 13. kadirden sıradan görünümlü bir yıldız vardı; yanında da sönük bir iz.

Tayfı, Schmidt onun hidrojenin tanıdık deseni olduğunu ve neredeyse %16 kızıla kaydığını görene dek anlamsızdı. Bunu yalnızca evrenin genişlemesi yapabilirdi; demek ki ışığı yaklaşık 2 milyar yıldır yoldaydı. Bu kadar uzaktan bu kadar parlak görünen bir şey inanılmaz güçlü olmalıydı. Böyle cisimlere yıldızsı radyo kaynakları, yani kuasar dendi.

Yüz Samanyolu'ndan parlak

3C 273, 4 trilyon Güneş kadar parlar; bütün Samanyolu'nun yaklaşık yüz katı. Günler içinde de titreşir: bütün bu ışık yalnızca birkaç ışık günü genişliğinde bir bölgeden gelir.

3C 273'ün çevresinde dev bir eliptik galaksi var, ama sıradan fotoğraflarda merkezinin parıltısında kaybolur. Hubble onu 2024'te ancak, tutulmada Ay'ın Güneş'i örtmesi gibi merkezdeki ışığı örten bir koronografla net görebildi.

3C 273 30 ışık yılı uzakta olsaydı, gökyüzümüzde Güneş kadar parlak görünürdü. Yine de ışığı günler içinde değişir ve hiçbir şey, ışığın onu geçtiği süreden daha hızlı bir bütün olarak parlayamaz: kaynak yalnızca birkaç ışık günü genişliğinde, aşağı yukarı Güneş Sistemi'miz kadar.

Galaksi, dev bir eliptik galaksinin basit bir modeliyle çizildi; merkezinin ne kadar daha parlak olduğu ölçümlere uyar.

Beslenen bir kara delik

Merkezde yaklaşık 260 milyon Güneş kütleli bir kara delik var. Sarmal çizerek düşen gaz bir diskte sıkışıp ısınır ve sonunda galaksinin bütün yıldızlarından daha parlak parlar.

Hemen her büyük galaksinin kalbinde süper kütleli bir kara delik vardır ve çoğu sessizdir. Kuasar, beslenen bir kara deliktir: galaksisinden gelen gaz, çoğu zaman başka bir galaksiyle çarpışmanın karıştırmasıyla, yutulabileceğinden daha hızlı ona düşer.

Gaz dosdoğru içeri düşemez. Giderdeki su gibi dönerek yassı bir disk oluşturur, kendine sürtünür, enerji kaybeder ve ısınarak yavaşça içeri doğru sarmallanır. Kara deliğin gölgesi ve çevresinde bükülen ışık genel göreliliğin dediği gibi çizildi; diskin çizgileri çizimdir.

En şiddetli ışık

Kara deliğe yakın yerde disk en çok morötesinde parlar. İçeri düşmek, gazın kütlesinin yaklaşık onda birini ışığa çevirir: yıldızlardaki nükleer füzyonun on dört katı.

Bir kara deliğe düşen madde hızlanır ve ısınır. Diskteki gaz, ufkun birkaç katı büyüklükteki en içteki kararlı yörüngeye ulaştığında kütlesinin yaklaşık onda biri ısıya ve ışığa dönüşmüş olur; kara delik hızlı dönüyorsa daha da fazlası.

Güneş, hidrojeni helyuma kaynaştırırken yaktığı kütlenin yalnızca %0,7'sini enerjiye çevirir. Beslenen kara deliklerin evrendeki en güçlü kalıcı ışıklar olmasının nedeni budur. Diskin bize dönen yanı daha parlak ve daha mavi görünür: ışık hızının büyük bir kesriyle hareket eden gaz ışığını ileri doğru saçar.

Morötesi görünmez; disk ısısının renkleriyle çizildi.

Hızlı yörüngelerde bulutlar

Daha dışarıda gaz bulutları, merkezden 145 ışık günü kadar uzakta, saniyede yaklaşık 3.000 km hızla döner. 2018'de GRAVITY adlı bir cihaz onların döndüğünü gördü ve bu, kara deliği tarttı.

Kuasar ışığı geniş çizgiler gösterir: her elementin renkleri yayılır, çünkü onları yayan gaz saniyede binlerce kilometre hızla, kimi bize doğru kimi bizden uzağa hareket eder. Bu bulutları içlerindeki disk aydınlatır.

2018'de ESO'nun Çok Büyük Teleskop'undaki dört 8 metrelik teleskobu tek bir teleskop gibi birleştiren GRAVITY, bulutların ışığının 3C 273 boyunca nereden geldiğini ölçtü ve döndüklerini gördü: bir yanda bize yaklaşıyor, öbür yanda uzaklaşıyorlardı. O uzaklıkta ne kadar hızlı döndükleri kara deliğin kütlesini verir: yaklaşık 260 milyon Güneş (GRAVITY Collaboration 2018).

Bulutların renkleri çizimdir: bize yaklaşan mavi, uzaklaşan kırmızı. Dönüşleri hızlandırıldı; bir yörünge aslında yüzyıllar sürer.

Galaksiyi aşan bir jet

Gazın bir kısmı hiç düşmez. Eksen boyunca neredeyse ışık hızıyla fırlatılarak 200.000 ışık yılı uzunluğunda, Samanyolu'nun genişliğinin iki katı bir jet oluşturur.

Kara deliğin yakınında, dönen disk ve delik tarafından sarılan manyetik alanlar gazın bir kısmını eksen boyunca neredeyse ışık hızıyla fırlatır. Her on kuasardan birinin, radyo dalgalarında parlak parlayacak kadar güçlü jetleri vardır.

3C 273'ün jeti sıradan Hubble fotoğraflarında bile görünür: yaklaşık 200.000 ışık yılı uzunluğunda bir iz. İçindeki düğümler ışıktan hızlı dışarı fırlıyormuş gibi görünür: bu bir yanılsamadır, çünkü neredeyse tam bize doğru, ışık hızına yakın hareket ederler ve ışıkları sıkışarak gelir. Bizden uzağa bakan ikizi görülemeyecek kadar sönüktür.

Jet, Hubble fotoğraflarındaki gibi soluk mavi çizildi.

Hepsinin en parlağı

Bilinen en parlak kuasar J0529-4351, 500 trilyon Güneş kadar parlar. 17 milyar Güneş kütleli kara deliği her gün bir Güneş'ten fazla gaz yutar.

J0529-4351 o kadar parlaktır ki gökyüzü taramaları onu onlarca yıl yıldız olarak listeledi. 2024'te Christian Wolf'un yönettiği bir ekip, ESO'nun Çok Büyük Teleskop'uyla onun ışığı 12 milyar yıldan uzun süre önce yola çıkmış bir kuasar olduğunu gösterdi.

Kara deliği Güneş'in kütlesinin yaklaşık 17 milyar katıdır ve büyümeye devam ediyor. Onu besleyen disk yaklaşık 7 ışık yılı genişliğindedir, bilinen en büyük disktir ve 500 trilyondan fazla Güneş kadar parlar (Wolf ve ark. 2024).

Disk ölçülen boyutunda çizildi. Ortasındaki kara deliğin gölgesi bu ölçekte görülemeyecek kadar küçüktür.

Kuasar çağı

Kuasarlar en çok yaklaşık 10 milyar yıl önce, galaksiler genç ve gazla doluyken yaygındı. Çoğunun sonradan yiyeceği tükendi; parlak olanlar bugün seyrektir.

Işık bize ulaşmak için zaman harcadığından, en uzak kuasarlar aynı zamanda en yaşlılarıdır. Onları her uzaklıkta saymak, parlak kuasarların 10-11 milyar yıl önce bugünden yaklaşık yüz kat daha yaygın olduğunu gösterir.

Galaksiler o zaman gazca zengindi ve sık sık çarpışıyordu; bu da gazı merkezlerine itiyordu. Gaz yıldızlara harcandıkça ya da savrulup gittikçe kara deliklerin çoğu sessizleşti. Bugünün dev galaksilerinin birçoğu eski kuasarların uyuyan kara deliklerini taşır.

Grafik, taramaların bulduğu şekli kabaca verir. Buradaki kuasarın sönmesi çizimdir.

Kendi kara deliğimiz

Samanyolu'nun kara deliği Sagittarius A* 4,3 milyon Güneş kütlesindedir ve neredeyse hiç beslenmez. Ama galaksinin üstünde ve altında gama ışınlarından iki dev baloncuk, onun birkaç milyon yıl önce alevlendiğini düşündürür.

Sagittarius A*, 3C 273'ün kara deliğinden yaklaşık altmış kat hafiftir ve neredeyse aç kalmıştır: çoğu radyo dalgaları ve X ışınları olarak, yalnızca birkaç yüz Güneş kadar parlar.

2010'da Fermi uzay teleskobu, her biri galaksinin merkezinin yaklaşık 25.000 ışık yılı üstüne ve altına uzanan iki dev gama ışını lobu buldu. Boyutları ve şekilleri, birkaç milyon yıl önce merkezden gelen bir patlamayı, belki de Sagittarius A*'nın son büyük ziyafetini düşündürür.

Baloncuklar göze görünmez; burada mor çizildi. Samanyolu basit bir modelle çizildi.

Hiç kıpırdamayan fenerler

Kuasarlar o kadar uzaktır ki hiç hareket etmiyormuş gibi görünürler. Gökbilimciler binlercesini, gökyüzündeki her konumun ölçüldüğü sabit noktalar olarak kullanır.

Yıldızlar galaksi içinde ilerledikçe yıllar içinde gökyüzünde kayar. Milyarlarca ışık yılı uzaktaki kuasarlar ise yerinde durur; bu yüzden var olan en iyi işaret noktalarıdır.

Uzay araçlarını yönlendirmek ve Dünya'nın dönüşünü izlemek için kullanılan Uluslararası Gök Referans Sistemi, dünyanın dört bir yanındaki radyo teleskoplarıyla ölçülen, çoğu kuasar olan 4.536 uzak radyo kaynağının konumlarına dayanır (ICRF3, 2018). Gaia uzay aracı, yaklaşık iki milyar yıldızlık haritasını 1,6 milyon kadar kuasara bağlar.

Halkalar kuasarları bir haritadaki gibi işaretler; içlerindeki noktalar çizimdir.

Bu hikâyedeki nesneler

TON 618