Eski Tahmin İçin Yeni Kanıt: Gerileyen Süper Kütleli Kara Delikler

Büyük galaksilerin merkezlerinde süperkütleli deliklerin (SMBH) bulunduğu konusunda yeterli kanıt var. Yerçekimi dalgası dedektörlerinden gelen kanıtlar da arttıkça, bu SMBH’lerin galaksiler birleştiğinde birleştiği görülüyor. Ancak astronomlar, bazen birleşmediklerini düşünüyor ve bunlara geri tepen SMBH’ler deniyor.

Birleşme uzun sürer ve son aşamalarında güçlü yerçekimi dalgaları yayılır. Kuramsal tahminler, bu dalgaların tüm yönlerde eşit yayılmadığı—yani izometrik olmadığı—durumda, dengesizliğin birleşmeden arta kalan SMBH’yi galaktik merkezden güçlü bir savurma ile uzaklaştırdığını söylüyor. Bu SMBH galaksiden tamamen ayrılmaz. Bunun yerine salıncak benzeri bir harekete başlar, ileri geri salınır ve galaktik merkez boyunca salınır.

Kritik olan, böyle bir SMBH birleşme artığının sabit hızda hareket etmemesidir. Bunun yerine galaktik merkezde en hızlı hareket eder ve salınmanın diğer ucunda yavaşlar. Bu durum yeni araştırmada önemli bir öneme sahip.

Araştırma, “Active galactic nuclei’de kütürlü delik geri tepmeleri için istatistiksel kanıt” başlığını taşıyor ve Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dersinde yayımlandı. Araştırmanın baş yazarı, Birmingham Üniversitesi Fizik ve Astronomi Fakültesi’nde yardımcı doçent Bence Bécsy.

“Çok sayıda SMBH ikilisinin, yerçekimi dalgası yayılımı nedeniyle yörüngeden düşerek birleşmesi bekleniyor ve LISA tarafından mHz yerçekimi dalgası bandında gözlemlenebileceği tahmin ediliyor,” yazarlar açıklıyor. Düzensiz yerçekimi dalgaları, birleşme artığının SMBH’sine 360.000 km/h ile 3,6 milyon km/h arasında bir geri tepme hızı verebilir. Geri tepme, salıncak benzeri salınmasını sürdürür.

Bu sanatçı illüstrasyonu, iki deliğin birleştiğini gösteriyor. Birleşme sırasında oluşan yerçekimi dalgaları düzensizse, geri tepen bir delik oluşturabilir. Görsel Kaynağı: NASA

“Böyle bir SMBH’nin, birleşmeden sonra 10 milyon ile 100 milyon yıl arasında aktif kalarak birikim diskinin iç bölgesini koruması ve birleşmenin kinematik ve uzaysal işaretleriyle algılanabilir bir kuasar (QSO) olarak gözlemlenebilmesi bekleniyor,” yazarlar ekliyor.

Bu geri tepen SMBH’ler için kanıt elde etmek zor olmuştur. Araştırmacılar bazı adaylar belirlemiş, ancak her durumda gözlemler için alternatif bir açıklama vardı. Bu çalışma farklı çünkü birey adaylarına odaklanmıyor. Bunun yerine, astrofizikçilerin geri tepen delikler hakkında doğru olduğunu düşündüğü şeyi bir popülasyonda istatistiksel olarak arıyor.

“Yerçekimi dalgasıyla geri tepen süperkütleli deliklerin popülasyon düzeyinde bir işaretini arıyoruz: toz kapaması ile ana galaksiye göre geniş çizgi hız ofsetinin büyüklüğü arasında pozitif bir korelasyon,” yazarlar yazıyor. Çalışmaları, Sloan Digital Sky Survey’in 16. veri yayılımı ve kuasar kataloguna dayanıyor.

Kuasarlar, en parlak aktif galaktik merkezlerdir; bunlar, malzeme aktif biçimde biriktiren SMBH’lerdir. Yüksek parlaklıkları, onları bulmak ve gözlemek için daha kolay kılar. Araştırmacılar çalışmalarında yaklaşık 100.000 kuasarı analiz ettiler. Ne arıyorlardı?

Kuasarlar son derece parlaktır ve özelliklerinin çoğu hâlâ iyi anlaşılmamıştır. Neyse ki, yüksek parlaklıkları çalışmalarını kolaylaştırır. Görsel Kaynağı: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva (Spaceengine)

Kuasarlardan gelen ışıkta kritik öneme sahip iki bilgi kodlanmıştır. İlki, hızlarıdır. Kuasarlar SMBH olduğundan, kütülüdür ve yakınındaki gaz üzerinde güçlü bir yerçekimi tutması vardır. Geri tepen bir SMBH salındıkça, hızı galaktik merkeze göre konumuna bağlı olarak değişir. SMBH’ye yakın gaz, onunla birlikte hareket eder ve Geniş Çizgi Bölgesi (BLR) olarak adlandırılır. Daha uzakta bulunan gaz onunla birlikte hareket etmez ve Dar Çizgi Bölgesi (NLR) olarak adlandırılır. İki gaz kütlesinden gelen ışık, birbirine göre küçük bir miktar kayar.

“Aşağıdaki tartışmada, geri tepen bir SMBH’nin BLR’iyle birlikte hareket edeceğini, NLR’in ise geride kalıp galaktik merkezdeki toz torusu ve ana galaksiyle tutarlı bir kırmızıya kayma göstereceğini varsayıyoruz,” yazarlar açıklıyor.

Her gaz bulutundan—BLR ve NLR—gelen ışık sinyali farklıdır. Bu etkiye Doppler kayması denir ve astronomlar bunu tespit etmek için spektrograflar kullanır. İki sinyali karşılaştırarak araştırmacılar, kütleli kara deliğin hızını belirleyebilir.

Işığa kodlanan ikinci kanıt tozla ilgilidir.

Kuasarın yakındaki toz, onu söndürme olarak adlandırılan bir olgu ışığını kızılaştırır. Kuasar benzer ışık kaynaklarından daha kırmızıysa, daha fazla söndürme yaşıyor demektir. Söndürme spektroskopi ve fotometriyle ölçülebilir.

Toz, galaktik merkezde en kalındır ve aynı zamanda artan kütleli kara deliğin en hızlı hareket ettiği yer de burasıdır. Dolayısıyla daha hızlı hareket eden bir kuasar, toz söndürmesiyle daha fazla kızılarmalıdır. İşin kalbindeki ilişki budur.

Sonuçlar, en fazla kızılaştırılmış kuasarlar arasında şaşırtıcı bir fark ortaya koydu. Tozdan dolayı görünmezlik, kara delik hızını takip ediyor: kara delik ne kadar hızlı hareket ederse, kuasarının tozun içine gömülme olasılığı o kadar yüksek; en hızlı grup, en yavaş gruba göre üç kat daha fazla örtülü oran gösteriyor. Geri tepen kara delikler bu sonucu üretir, ancak bunun tümünün geri tepen kara delik olduğu anlamına gelmez.

LISA, yerçekimi dalgalarını tespit etmek için özel olarak tasarlanmış ilk uzay gözlemevi olacaktır. Güneş’in etrafında dönerken eşkenar üçgen formunu koruyan üç uzay aracından oluşan bir gruba sahip olacaktır. Bu üç aracın arasındaki lazer ışınları yerçekimi dalgalarını tespit edecektir. Bu araştırma doğruysa, LISA geri tepen kütleli kara delikleri tespit edebilmelidir. Görsel Kaynağı: ESA. Lisans: CC BY-SA 3.0 IGO veya ESA Standard Lisansı

“Tek bir kuasarın içindeki kara deliğin atıldığınu kanıtlamak çok zordur, çünkü benzer imzalar üreten diğer olgular da mümkündür. Araştırmamızın yeni yanı, bireysel adaylar aramak yerine, tüm bir popülasyonun izlerini istatistiksel olarak aramamızdır” dedi baş yazar Bécsy, bir basın açıklamasında. “Bu da bize teoretik öngörlerle tutarlı bir ilişki tanımlamamızı sağladı.”

“Bulduğumuz korelasyon, geri tepen kütleli kara deliklerden oluşan bir popülasyon için kanıt olabilir, ancak alternatif açıklamalar mümkündür” yazarlar yazıyor. Rüzgarlar, gözlem açısı veya diğer etkiler bunu açıklayabilir. Yine de, büyük bir istatistiksel örneklem üzerinde bu eğilimi bulmak ilgi çekicidir.

Geri tepen kütleli kara delikler için daha kesin kanıtlar, planlanan 2035 fırlatmasının ardından Laser Interferometer Space Antenna (Lazer Girişimölçer Uzay Anteni) LISA ile gelebilir.

“Sinyal gerçekten de atılan kara deliklerden kaynaklanıyorsa, bu durumda kuasarların önemli bir oranında iki kütleli kara delik nispeten yakın zamanda birleşmiş demektir; yani bu olaylar yaygındır” dedi çalışma ortaklarından ve HUN-REN–ELTE Galaksiler Arası Astrofizik Araştırma Grubu Başkanı Profesör Zsolt Frei.

“Bu, LISA’nın tespit edebileceği böyle olayların sayısını doğrudan belirler.”