2020 Nobel Fizik Ödülü Kara Delik Çalışmalarına Verildi

Nobel Fizik Ödülü’nün 2020 yılındaki sahipleri Roger Penrose, Reinhard Genzel ve Andrea Ghez oldu. Penrose’un kara deliklerin oluşmasının genel görelilik kuramının doğrudan bir sonucu olduğuna dair ispatı, Genzel ve Ghez’in ise gök adamızın merkezinde yer alan ve devasa kütlesiyle etrafındaki yıldızların yörüngesini belirleyen gök cismini keşfetmeleri dolayısıyla ödüle layık görüldükleri açıklandı.

Karadeliklerin Oluşması Mümkün müdür?

Bir gök cisminin çekiminden kurtulmak için gerekli hız cismin kütlesine ve hacmine göre değişir. Kütle büyüdükçe ve hacim küçüldükçe kurtulma hızı artar. Eğer yeteri kadar küçük bir hacmin içine yeteri kadar büyük bir kütle sıkışırsa kurtulma hızının ışık hızını geçmesi bile mümkün olabilir. John Michell ve Pierre Simon de Laplace, henüz 1800’lerde bu şekilde bir mantık yürütmenin sonucu olarak, ışığın bile çekiminden kurtulamadığı ve bu yüzden doğrudan gözlemlenemeyen “karanlık yıldızlar” olabileceğini öne sürmüşlerdi.

Genel görelilik kuramının geliştirilmesinden sadece birkaç ay sonra Karl Schwarzschild alan denklemlerinin bir çözümünü buldu ve kuramın karanlık yıldızlara benzer, daha sonra kara delikler olarak adlandırılacak gök cisimlerinin varlığını tahmin ettiğini gösterdi. Ancak genel görelilik kuramındaki kara deliklerin karanlık yıldızlardan çok önemli bir farkı vardır. Tamamen kurtulup uzaya kaçması mümkün olmasa da, bir cismin, kütle çekimiyle bağlı olduğu bir karanlık yıldızdan az da olsa uzaklaşması mümkündür. Ne kadar çok uzaklaşabileceği karanlık yıldıza olan mesafeye ve sahip olunan enerjiye bağlı olarak değişir. Kara delikleri diğer gök cisimlerinden ayıran en önemli özellikse etraflarında bir olay ufku olmasıdır. Bir kez olay ufkunu geçip kara deliğe giren bir cisim ne kadar çok enerjiye sahip olursa olsun bir daha olay ufkunun dışına çıkmayı başaramaz. Devamlı olarak kara deliğin merkezine doğru yol almaya devam eder. Ta ki yolculuk kara deliğin merkezindeki tekillikte son bulana kadar.

Albert Einstein kara deliklerin oluşmasının mümkün olamayacağını, henüz bilinmeyen bazı süreçlerin kara deliklerin oluşmasını engelleyeceğini düşünmüştü. Zaten kuramsal hesaplardaki modeller de eninde sonunda gerçek dünyaya değil gerçek dünyanın basit bir modeline karşılık geliyordu. O dönemlerde yaşamış pek çok büyük fizikçi de benzer görüşlere sahipti. Örneğin çeşitli kuantum mekaniksel süreçlerin kara deliklerin oluşmasını engelleyebileceği düşünülüyordu.

Onlarca yıl boyunca kara deliklerin varlığı sadece bir varsayım olarak kaldı. Ancak 1963’te ilk kuasar’ın (evrendeki en parlak gök cisimlerinin) gözlemlenmesinden sonra durum değişti. O yıl Başak (Virgo) Takımyıldızı yönünde, Dünya’ya bir milyar ışık yılından daha uzak bir gök cismi keşfedildi. Gök cismi o kadar parlaktı ki yaydığı ışığın yoğunluğu yüzlerce gök adanınki kadardı. Bu kadar küçük hacimli bir bölgeden bu kadar çok ışık yayılmasının tek bir açıklaması olabilirdi: devasa kütleli bir kara delik ve bu kara deliğe düşen maddeler.

Fiziksel dünyada kara deliklerin oluşmasının gerçekten de mümkün olup olmadığı Roger Penrose’un üzerinde kafa yorduğu problemlerden biriydi. Penrose, çözüm bulmayı kolaylaştıracak varsayımlara başvurmadan, topolojik yöntemler kullanarak, kara deliklerin oluşmasının genel görelilik kuramının doğrudan bir sonucu olduğunu ispatladı. Penrose’un ispatı yaparken kullandığı yöntemlerden daha sonraları evrenin büyük ölçekteki yapısıyla ilgili araştırmalarda sıklıkla yararlanılacaktı.

Kara delikler her ne kadar doğrudan görülemese de kütle çekimi aracılığıyla çevrelerindeki gök cisimleriyle etkileşirler. Görülebilen gök cisimlerinin hareketlerini gözlemleyerek uzayın belirli bölgelerinde kara delikler olduğuna dair çıkarımlar yapılabilir.

Gökadamızın Merkezinde Karadelik mi Var?

Harlow Shapley, yüz yıldan uzun bir süre önce gök adamızın merkezinin Yay (Sagittarius) Takımyıldızı yönünde olduğunu tespit emişti. Daha sonraları yapılan gözlemler bu bölgede Sagittarius A* adı verilen güçlü bir radyo dalgası kaynağının olduğunu gösterdi. 1960’ların sonlarına doğru Sagittarius A*’ın gök adamızın merkezinde yer aldığı ve gök adamızdaki tüm yıldızların bu gök cisminin etrafında dolandığı anlaşıldı.

Gök adamızın merkezini gözlemlemek çeşitli nedenlerle hayli zordur. Öncelikle yıldızlar ve gaz, toz bulutları gök adamızdan yayılan görünür ışığın büyük bir kısmının yeryüzüne ulaşmasına engel olur. Gök adamızın merkezindeki yıldızların gözlemlenmesi ancak kızılötesi teleskopların ve radyo dalgası teknolojilerinin geliştirilmesinden sonra mümkün oldu. Bir diğer zorluk yerküreyi çevreleyen atmosferdeki gazların uzaydan gelen ışığı saçması ve böylece alınan görüntüleri bulanıklaştırmasıdır. Uzak yıldızların sürekli yanıp sönüyormuş gibi görünmesinin sebebi de budur. Modern teleskoplar bu sorunla başa çıkabilmek için, atmosferdeki gazların görüntülerde sebep olduğu bozulmaları düzelten özel aynalarla donatılır. Teknolojik zorluklar sebebiyle, gök adamızın merkezi ile ilgili sistematik araştırmalar ancak 1990’lardan sonra başladı

Reinhard Genzel ve Andrea Ghez, birbirlerinden bağımsız olarak gök adamızın merkezini gözlemlediler. Kendi araştırma gruplarıyla yeni yöntemler geliştirdiler, var olan yöntemleri iyileştirdiler ve türünün tek örneği aletler tasarlayıp ürettiler. Yaklaşık 30 yıla yayılan çalışmalar sonucunda gök adamızın merkezinden alınan görüntülerin çözünürlüğünü 1000 katına çıkarmayı başardılar. Genzel ve Ghez’in çalışmaları sayesinde artık gök adamızın merkezindeki yıldızların konumları çok hassas bir biçimde tespit edilebiliyor ve bu bölgedeki yıldızlar gecelerce takip edilebiliyor.

S2 olarak adlandırılan bir yıldız, gök adamızın merkezi etrafındaki bir turunu sadece 16 yılda tamamlar. Bu sürenin ne kadar kısa olduğunun daha iyi anlaşılması için Güneş sisteminin gök adamızın merkezi etrafındaki bir turunu yaklaşık 200 milyon yılda tamamladığını da not edelim. Genzel ve Ghez’in araştırma grupları, bu yıldızın yörüngesini takip ederek gök adamızın merkezinde kütlesi Güneş’inkinin yaklaşık 4 milyon katı olan bir gök cismi olduğunu gösterdiler. Bu kadar küçük hacmin içine sıkışmış, bu kadar büyük kütleli bir cismin ancak bir kara delik olabileceği düşünülüyor.

Yakın gelecekte gök adamızın merkezindeki kara deliğin fotoğrafını da görebiliriz. Geçtiğimiz yıl Olay Ufku Teleskobu’yla çalışmalar yapan bir grup gök bilimci M87 Gök Adası’nın merkezindeki kara deliğin fotoğrafını elde etmeyi başarmıştı. Aynı araştırma grubu şimdi de Sagittarius A*’ı görüntülemek için çalışıyor.

Yazı içinde geçen kelimelerin anlamı: 

Tekillik: Madde yoğunluğunun ve uzayın eğikliğinin sonsuz olduğu nokta

Topoloji: Geometrik nesnelerin sürekli deformasyonlar altında değişmeyen özellikleriyle ilgili matematik dalı

Kaynak: Nobel Prize