Galaksinin kalbinin fotoğrafı nasıl çekildi?

Geçen hafta bilim insanları muhteşem bir şeyi başardı. Samanyolu galaksisinin merkezinde bulunan, Güneş’ten kütlece 4 milyon kat büyük olan (ama yarıçap bakımından sadece 30 kat büyük olan) süper kütleli kara deliğin fotoğrafını çekmeyi başardı. En azından ana akım haber sitelerinin (belki 1-2 tanesi hariç) tamamı bunu böyle yazdı. Ama yukarıdaki cümlenin/keşfin tam olarak ne anlama geldiğini izah etmeksizin, papağan gibi tekrar etmenin hiçbir kıymeti yok. Dolayısıyla gelin, bu keşfi birlikte anlayalım. Başlamadan önce, nedir bu yer çekimi? Öncelikle “yer çekimi” olarak bildiğimiz şeyin “yerin çekmesi” ile ilgili olmadığını anlayarak başlamamız gerekiyor (hayır, sebep “gök itimi” de değil). Evren dediğimiz ve tüm gezegenlerin, bu gazetenin, sizin ve benim içinde bulunduğumuz sahne, Isaac Newton’un sandığı gibi değişmez ve katı değil; onun üzerindeki kuvvetler anlık olarak bir yerden bir yeri etkilemiyor. Albert Einstein’ın tespit ettiği gibi, bu “sahne” (yani “uzay-zaman dokusu”) kütleli cisimlerin etkisi altında bükülüyor, kıvrılıyor, “şekil değiştiriyor” - ve bu, o sahnede hareket etmeye çalışan cisimlerin katetmesi gereken yolu değiştiriyor. Örneğin Dünya, kendi etrafındaki uzay-zaman dokusunu, gerilmiş bir çarşaf üzerine bırakılan bowling topunun yapacağı gibi büküyor. Eğer Dünya olmasa, Ay dümdüz bir çizgide, uzay boşluğunun derinliklerine doğru yoluna devam ederdi. Ama Ay, aslında gerçekten de bu türden düz bir çizgide ilerliyor olmasına rağmen, gittiği yol Dünya nedeniyle bükülmüş olduğu için, sürekli Dünya etrafında dönüp duruyor. Biz de bu etkiye “kütleçekimi” (veya “yer çekimi”) diyoruz. İşte bu uzay-zaman dokusunun bükülme miktarı, üzerindeki cismin kütlesiyle doğru orantılı. Dünya, uzay-zamanı belli bir miktarda büküyor. Güneş, ondan 333 bin kat fazla büküyor. Bir nötron yıldızı Dünya’dan 200 milyar kat fazla büküyor. İşte bir kara delik (özellikle de “süper kütleli”, yani Güneş’ten en az 1 milyon kat büyük olup da hacimce ondan sadece birkaç bin kat büyük bir kara delik), bu bükülmenin absürt düzeylere ulaşmasıyla oluşuyor. “Absürt düzey”i şöyle düşünün: Mesela ışığın 1 saniyede katettiği mesafedeki (1 “ışık saniyesi” ≈ 300 bin kilometre) uzay-zaman dokusunun bükülme/sünme miktarı, ışığın o 1 saniyede katedebileceği yoldan daha büyük oluyor. Bu nedenle kara deliğin “olay ufku” dediğimiz hacmi içerisine düşen bir foton, Evren’deki en hızlı hareket eden şey olmasına rağmen (ve bu hızı kara delik içinde de hiç değişmiyor olmasına rağmen), kara deliğin içinden çıkıp da dışarıdaki bir gözlemciye ulaşamıyor. Bu nedenle kara delikler, etraflarına göre tamamen karanlık bölgeler oluyorlar. “Işık bile kara delikten kaçamaz” lafı da işte buradan geliyor. Her şey bir kara deliğe dönüşebilir mi? Bu arada teknik olarak her kütle, eğer yeterince küçük bir hacme sıkıştırılabilirse bir kara deliğe dönüştürülebilir. Mesela Güneş’i bir kara deliğe dönüştürmek isteseydik, onu 3 kilometrelik bir yarıçapa sıkıştırmamız gerekirdi (bu miktara, Almancada “kara kalkan” anlamına gelen “Schwarzschild Yarıçapı” diyoruz). Güneş’imiz bir kara deliğe dönüşmeyecek, çünkü Güneş’imizin kütlesi, bundan 4.5 milyar yıl sonra ölürken yaşayacağı çökme sırasında, Güneş’in yarıçapının 3 kilometreye kadar inmesine yetmeyecek kadar küçük olmasından kaynaklanıyor. Bir yıldızın kara deliğe (en küçük tip olan “yıldız kaynaklı kara deliğe”) dönüşmesi için, en azından 8 Güneş kütlesinde olması gerekiyor. Ama dışarıdan bir kuvvet gelseydi de Güneş’imizi 3 kilometre yarıçapa sıkıştırsaydı, Güneş de bir kara deliğe dönüşürdü. Dünya’nın kara deliğe dönüşmesi için sıkıştırılması gereken Schwarzschild Yarıçapı, 9 milimetre civarında! Koca Dünya’yı tırnağınızın ucuna kadar sıkıştırdığınızı hayal edin! Karanlıksa fotoğrafını nasıl çekebiliyoruz? Peki, kara delikler bu kadar karanlıksa “fotoğraflarını” nasıl çekebiliyoruz? Çekemiyoruz. “Fotoğraf” dediğimiz şey, kameranın lensine/sensörüne düşen fotonların kâğıda dökülmesiyle elde edilen çizime verdiğimiz ad. Kara delikten hiçbir şey kaçamadığı için, fotonları yakalayıp da bir kara deliği kâğıda dökmek imkânsız. Ancak bir kara deliğin civarındaki tek şey kara deliğin kendisi değil. Kendisini oluşturan yıldızın etrafa saçtığı bol miktarda malzeme de (çeşitli element ve moleküllerden oluşan gaz ve toz da) var. Bunların bir kısmı, yıldız, kara deliğe dönüştüğü anda kara delik tarafından yutularak yok oluyor. Ama kara deliğin yaklaşık 3 Schwarzschild Yarıçapı kadar uzağından itibaren olan gaz ve toz, kara deliğin kütleçekimi nedeniyle içine düşmeyecek kadar uzakta kalıyor. Bu gaz ve toz bulutu kara deliğin etrafında ışık hızına yaklaşan hızlarda dönmeye başlıyor böylece kara delik etrafında bir “disk” oluşuyor. İşte buna, “akresyon diski” (veya “birikim diski”) diyoruz. Akresyon diski içindeki maddeler birbirine sürtündükçe, sıcaklığı milyonlarca, hatta milyarlarca dereceye ulaşıyor ve etrafa radyasyon yoluyla müthiş miktarda enerji saçmaya başlıyor. İşte bu radyasyonun bir kısmı görünebilir dalga boylarında. Önemli bir bölümü ise kızılötesi, mikrodalga ve radyo dalgaları gibi daha düşük frekanslarda oluyor (bu düşük frekanslı dalgalar uzayda çok daha uzaklara gidebiliyorlar). İşte bizim Dünya’dan “gözlediğimiz” de akresyon diskinin saçtığı bu radyo dalgaları. Yani bir kara delik fotoğrafı, Hubble teleskobu (veya cep telefonunuz) gibi optik aparatları bulunan cihazlarla çekilmiyor. Bir lensi bile olmayan, kocaman bir çanak antene benzeyen radyo teleskoplarıyla çekiliyor. ‘Dünya genişliğinde’ bir teleskop ağı Sorun şu: Samanyolu galaksisinin merkezindeki Sagittarius A* isimli kara delik, Dünya’dan 25 bin 640 ışık yılı (150.7 katrilyon kilometre) uzakta ve Güneş’ten yarıçapça sadece 30 kat büyük olan bu kara deliğin gökyüzünde kapladığı alan, akıl almaz derecede küçük. Yayınlanan fotoğrafların çözünürlüğü düşük gelebilir ama bu öyle 30 santim uzaktan selfie çekmeye benzemez. O fotoğraf, 242.600.000.000.000.000. 000.000 santimetrecik uzaktan çekildi. Eşit çözünürlükteki bir kamerayla, Bangladeş’ten bakan biri İstanbul’daki bir simitin susamlarını ayırt edebilirdi! Böylesi ufak bir noktadan saçılan sinyalleri tek bir teleskopla tespit edemezsiniz. Hiçbir tekil teleskop bu kadar uzak ve küçük bir cisimden yayılan dalgaları doğru bir şekilde çözümleyemez (“çözünürlüğü yetmez”). Ve böylesi bir sinyali tespit edebilmek için ihtiyaç duyacağımız çanak büyüklüğünü hesaplayınca, korkutucu bir sonuç çıkıyor: Dünya büyüklüğünde bir çanak gerekirdi. İnsan mühendisliği, bundan çok ama çok uzakta... Dolayısıyla bilim insanları müthiş zekice bir yöntem geliştirdiler: Tek ve devasa bir teleskop inşa etmektense, Dünya’nın 4 ayrı kıtasına yayılmış 8 farklı radyo teleskobu ağını (ki bu 8 bölgenin bir kısmının kendi içinde onlarca teleskop bulunuyor), gökyüzünde aynı noktaya çevirip veri topladılar. Böylece her birinin topladığı hafifçe farklı biçimdeki petabyte’larca veriyi bir araya getirerek ihtiyaç duyulan çözünürlüğe ulaştılar. Bu ağa, “Olay Ufku Teleskobu İş Birliği” deniyor. 2019 yılında yayınlanan Messier 87 Galaksisi’nin merkezindeki kara delik. Gökyüzünde bizim kara deliğimizle kabaca aynı büyüklükte olduğuna aldanmayın: M87* kara deliği, Sagittarius A*’dan 2 bin kat daha uzakta! Gökyüzünde kabaca aynı alanı kaplamasının nedeni, bizim kara deliğimizden 1600 kat büyük olması! Bu nedenle ilk kara delik fotoğrafı için bizim galaksimizdeki değil, bizden 53.5 milyon ışık yılı uzaktaki Messier 87 Galaksisinin merkezindeki kara delik seçildi. Bizim kara deliğimiz, kendi galaksi merkezimizin gaz, toz ve yıldız bulutu arkasında kaldığından veri toplaması daha zor – ve o nedenle bizim fotoğrafta daha fazla miktarda “istenmeyen bozukluk” (artifact) var Fotoğrafta görünen ne, kara delik nerede? İşte bu yöntem sayesinde bizden katrilyonlarca kilometre uzaklıktaki kapkaranlık bir kürenin etrafındaki akresyon diskinin saçtığı radyasyon sinyalinin görsel veriye dönüştürülmüş hâli ortaya çıktı. Peki o fotoğrafta gördüğümüz tam olarak ne? Ortadaki karanlık nokta, kara deliğin kendisi değil. Dediğim gibi, akresyon diski kara deliğin kendisinin yaklaşık 3 yarıçap uzağından başlıyor. Yani kara deliğin kendisi, ortadaki gölgenin yarıçapının 3’te 1’i kadar mesafede. O gölge içerisinde, kara deliğin arkasından bile dönüp teleskoplarımıza ulaşan elektromanyetik sinyaller var. Kara delikler öylesine büyük ki, Dünya’dan zıt yöne doğru gidecek bir fotonu bile 180 derece döndürüp Dünya’ya çevirebiliyor. Bu tuhaf etki, kara deliğin Schwarzschild Yarıçapı etrafındaki 2.6 katlık bir halka boyunca hem arkasının hem de önünün birden fazla (hatta sonsuza kadar uzayan ama giderek daralan) kopyalarının oluşmasına neden oluyor. Etraftaki sarımsı kırmızımsı halka, meşhur akresyon diski (tabii bu renkler sonradan ekleniyor). Akresyon diski kusursuz bir halka değil, çünkü kara deliğimizin diskine direkt olarak tepeden bakmıyoruz (baksaydık, daha düzgün bir halka görürdük). Bunun yerine, belli bir açıyla bakıyoruz. Bu nedenle de kara deliğin etrafındaki diskin bir tarafı Dünya’ya doğru yanaşıyor, diğer tarafı Dünya’dan uzaklaşıyor. Dünya’ya yanaşan taraf daha parlak, uzaklaşan taraf daha soluk çıkıyor. Bu, 2019 yılındaki Messier 87 galaksisinin merkezindeki kara deliğin fotoğrafında daha netti. Fotoğrafın çekilmesi ne işimize yarayacak? Her şeyden önce, böylesi bir başarının illâ pratik bir kullanımı olması gerekmiyor. Bir canlı türünün, bir coğrafi oluşumun, bir gezegenin, bir yıldızın, bir galaksinin fotoğrafı neden çekiliyorsa, bu da o nedenle çekiliyor: Belgeleme ve görsel olarak çalışmayı kolaylaştırma... Ancak bu fotoğrafın bilim için birtakım faydaları da var: Mesela artık kara deliklerin etkilerini iyi bir şekilde biliyor olsak da “kara delik” denen şeyin uzayda bir yerlerde gerçekten de var olan gök cisimleri olduğundan eminiz. Kara deliklerin gözlemsel olarak değil, Albert Einstein’ın Genel Görelilik Teorisi’nin bir öngörüsünden doğduğunu unutmamak gerek. O gün bugündür, kara delik olması gereken nesnelerin etrafında tuhaf davranışlar sergileyen yıldızları gözleyerek “kara deliğin” teorik bir ihtimalden ibaret olmadığına kanaat getirdik. Ama bu direkt gözlemlerin, Genel Görelilik Teorisi’nin öngörüleriyle yüzde 100 örtüşmesi, Evren’in nasıl çalıştığını açıklayan ana teorimizin doğruluğuna olan güvenimizi daha da artırdı. Çünkü bu kara deliklerin neye benzemesi gerektiği öngörülmüştü. Çekilen iki fotoğraf da bu öngörülerle tamamen örtüşen sonuçlar verdi Bu, bilim için muhteşem bir zafer. Zaten bilimin gücü de bu: Bilim, bildiklerimizi doğru bir şekilde derleyerek, bilmediklerimizi doğru bir şekilde öngörebilmemizi sağlıyor!

Çağrı Mert Bakırcı

Diğer Yazarlar

Şahane mi, boş beleş mi?

Leke bakımının altın kuralları

Gençler siyasetten neden uzaklaşıyor?

Her yaşın ayrı bir genç kalma reçetesi var

Yazlık konut ve gökdelen yerine erişilebilir kiralık konut yapılmalı

Galaksinin kalbinin fotoğrafı nasıl çekildi?