Kara delik, astrofizikte, çekim alanı her türlü maddesel oluşumun ve ışınımın kendisinden kaçmasına izin vermeyecek derecede güçlü olan, kütlesi büyük bir kozmik cisimdir. Kara delik, uzayda belirli nicelikteki maddenin bir noktaya toplanması ile meydana gelen bir nesnedir de denilebilir. Bu tür nesneler ışık yaymadıklarından kara olarak nitelenirler. Kara deliklerin, "tekillik"leri dolayısıyla, üç boyutlu olmadıkları, sıfır hacimli oldukları kabul edilir. Karadeliklerin içinde zamanın ise yavaş aktığı veya akmadığı tahmin edilmektedir. Kara delikler Einstein'ın genel görelilik kuramıyla tanımlanmışlardır. Doğrudan gözlemlenememekle birlikte, çeşitli dalga boylarını kullanan dolaylı gözlem teknikleri sayesinde keşfedilmişlerdir. Bu teknikler aynı zamanda çevrelerinde sürüklenen oluşumların da incelenme olanağını sağlamıştır. Örneğin, bir kara deliğin potansiyel kuyusunun çok derin olması nedeniyle yakın çevresinde oluşacak yığılma diskinin üzerine düşen maddeler diskin çok yüksek sıcaklıklara erişmesine neden olacak, bu da diskin (ve dolaylı olarak kara deliğin) yayılan x-ışınları sayesinde saptanmasını sağlayacaktır. Günümüzde, kara deliklerin varlığı, ilgili bilimsel topluluğun (astrofizikçiler ve kuramsal fizikçilerden oluşan) hemen hemen tüm bireyleri tarafından onaylanarak kesinlik kazanmış durumdadır.
Sunuş ve terminoloji
Kara delik “çekimsel tekillik” denilen bir noktaya konsantre olmuş bir kütleye sahiptir. Bu kütle "kara deliğin olay ufku" denilen ve söz konusu tekilliği merkez alan bir küreyi oluşturur. Bu küre, kara deliğin uzayda kapladığı yer olarak da düşünülebilir. Kütlesi Güneş'in kütlesine eşit olan bir kara deliğin yarıçapı yalnızca yaklaşık 3 km'dir.
Yıldızlar arası (milyonlarca km) uzaklıklar söz konusu olduğunda, bir kara delik, herhangi bir kozmik cisim üzerinde, kendisiyle aynı kütleye sahip bir kozmik cisminkinden daha fazla bir çekim kuvveti uygulamaz. Yani, kara delikleri karşı konulamaz bir kozmik “aspiratör” olarak düşünmemek gerekir. Örneğin Güneş’in yerinde onunla aynı kütleye sahip bir kara delik bulunsaydı, Güneş Sistemi’ndeki gezegenlerin yörüngelerinde herhangi bir değişim olmayacaktı.
Birçok kara delik türü mevcuttur. Bir yıldızın çekimsel içe (kendi üzerine) çökmesiyle oluşan kara delik türüne "yıldızsal kara delik" denir. Bu kara delikler galaksilerin merkezinde bulundukları takdirde birkaç milyarlık “güneş kütlesi”ne kadar çıkabilen devasa bir kütleye sahip olabilirler ve bu durumda “dev kara delik” (veya galaktik kara delik) adını alırlar. Kütle bakımından kara deliklerin iki uç noktasını oluşturan bu iki tür arasında bir de, kütlesi birkaç bin "güneş kütlesi" olan üçüncü bir türün bulunduğu düşünülür ve bu türe “orta kara delik”ler denilir. En düşük kütleli kara deliklerin ise kozmos tarihinin başlangıcındaki Büyük Patlama’da oluştukları düşünülür ve bunlara da "ilksel kara delik" adı verilir. Bununla birlikte ilksel kara deliklerin varlığı halihazırda doğrulanmış değildir.
Bir kara deliği doğrudan gözlemlemek imkânsızdır. Bilindiği gibi bir nesnenin görülebilmesi için, kendisinden ışık çıkması veya kendisine gelen ışığı yansıtması gerekir; oysa kara delikler çok yakınından geçen ışıkları bile yutmaktadırlar. Bununla birlikte varlığı, çevresi üzerindeki çekim icraatinden, özellikle mikrokuasarlarda ve aktif galaksi çekirdeklerinde kara delik üzerine düşen yakınlardaki maddenin son derece ısınmış olmasından ve güçlü bir şekilde X ışını yaymasından anlaşılmaktadır. Böylece, gözlemler dev veya ufak boyutlardaki bu tür cisimlerin varlığını ortaya koymaktadır. Bu gözlemlerin kapsadığı ve genel görelilik kuramına uyan cisimler yalnızca kara deliklerdir.
Tarihçe
Kara delik kavramı ilk olarak 18. yüzyıl sonunda, Newton'un evrensel çekim kanunu kapsamında doğmuştur denebilir. Fakat o dönemde mesele yalnızca “kaçış hızı” ışık hızından daha büyük olmasını sağlayacak derecede kütleli cisimlerin var olup olmadığını bilmekti. Dolayısıyla kara delik kavramı ancak 20. yüzyılın başlarında ve özellikle Albert Einstein'ın genel görelilik kuramının ortaya atılmasıyla fantastik bir kavram olmaktan çıkmıştır. Einstein'ın çalışmalarının yayımlanmasından kısa süre sonra, Karl Schwarzschild tarafından, “Einstein alan denklemleri”nin merkezî bir kara deliğin varlığını içeren bir çözümü yayımlanmıştı. Bununla birlikte kara delikler üzerine ilk temel çalışmalar, varlıkları hakkındaki ilk sağlam belirtilerin gözlemlerini izleyen 1960'lı yıllara dayanır. Kara delik içeren bir cismin ilk gözlemi, 1971'de Uhuru uydusu tarafından yapıldı.Uydu Kuğu takımyıldızının en parlak yıldızı olan Cygnus X-1 çift yıldızında bir X ışınları kaynağı olduğunu saptamıştı. Fakat "kara delik" terimi daha önceden, 1960'lı yıllarda Amerikalı fizikçi John Wheeler vasıtasıyla ortaya atılmıştı. Bu terimin terminolojiye yerleşmesinden önce ise kara delikler için “Schwarzschild cismi” ve “kapalı yıldız” terimleri kullanıldı.
Özellikler
Kara delik diğer astrofizik cisimleri gibi bir astrofizik cisimdir. Doğrudan gözlemlenmesinin çok güç olmasıyla ve merkezî bölgesinin fizik kuramlarıyla tatminkâr biçimde tanımlanamaz oluşuyla nitelenir. Merkezî bölgesinin tanımlanamayışındaki en önemli etken, merkezinde bir "çekimsel tekilliği" içeriyor olmasıdır. Bu çekimsel tekillik; ancak bir “kuantum çekimi” kuramıyla tanımlanabilir ki, günümüzde böyle bir kuram bulunmamaktadır. Buna karşılık, uygulanan çeşitli dolaylı yöntemler sayesinde, yakın çevresinde hüküm süren fiziksel koşullar ve çevresi üzerindeki etkisi mükemmel biçimde tanımlanabilmektedir.
Öte yandan kara delikler çok az sayıdaki parametrelerle tanımlanmaları bakımından şaşkınlık verici nesnelerdir. Yaşadığımız evrendeki tanımları yalnızca üç parametreye bağlıdır: Kütle, elektriksel yük ve açısal momentum. Kara deliklerin tüm diğer parametreleri (boyu, biçimi vs.) bunlarla belirlenir. Bir kıyaslama yapmak gerekirse, örneğin bir gezegenin tanımlanmasında yüzlerce parametre söz konusudur (kimyasal bileşim,elementlerin farklılaşması, konveksiyon, atmosfer vs.) Bu yüzden 1967’den beri kara delikler yalnızca bu üç parametreyle tanımlanırlar ki, bunu da 1967’de Werner Israel tarafından ortaya atılan "saçsızlık kuramı"na borçluyuz. Bu, uzun mesafeli temel kuvvetlerinin yalnızca kütleçekim ve elektromanyetizm oluşunu da açıklamaktadır; kara deliklerin ölçülebilir özellikleri yalnızca, bu kuvvetleri tanımlayan parametrelerle, yani kütle, elektriksel yük ve açısal momentumla verilir.
Bir kara deliğin kütle ve elektriksel yükle ilgili özellikleri "klasik" (genel göreliliğin olmadığı) fiziğin uygulanabileceği olağan özelliklerdir: Kara deliğin kütlesine oranla bir "kütleçekim alanı" ve elektriksel yüküne oranla bir elektrik alanı vardır. Buna karşılık açısal momentum etkisi genel görelilik kuramına özgü bir özellik taşır: Kendi ekseni etrafında dönen kimi kozmik cisimler, yakın çevrelerindeki uzay-zamanı da “sürüklemek” (eğmek) eğilimindedirler. "Lense-Thirring etkisi" denen bu fenomen şimdilik Güneş Sistemi’mizde gözlemlenmemektedir. Kendi ekseni etrafında “dönen karadelik” türü çevresindeki yakın uzayda bu fenomen inanılmaz ölçülerde gerçekleşmektedir ki, bu alana “güç bölgesi” (ergorégion) veya “güç küresi” adı verilmektedir.
Kara deliklerin dönme ve yüklerine göre sınıflandırılması
| M > 0 | ||
|---|---|---|
| J = 0 | J ≠ 0 | |
| Q = 0 | Schwarzschild kara deliği | Kerr kara deliği |
| Q ≠ 0 | Reissner-Nordström kara deliği | Kerr-Newman kara deliği |
Bir karadeliğin bütün özelliklerini belirleyen üç unsuru vardır: kütlesi, açısal momentumu ve elektriksel yükü. Bir kara deliğin kütlesi her zaman sıfırdan büyüktür. Diğer unsurların sıfır ya da sıfırdan büyük olmasına göre, kara delikleri dört sınıfa ayırmak mümkündür.
Açısal momentum ve elektriksel yükü sıfır olan kara deliklere "Schwarzschild kara deliği" denilir. Bu ad 1916’da bu tür nesnelerin varlığı fikrini Einstein alan denklemlerinin çözümleri olarak ortaya atmış Karl Schwarzschild’a ithafen verilmiştir.
Kara deliğin elektriksel yükü sıfır olmayıp açısal momentumu sıfır olduğu takdirde "Reissner-Nordström kara deliği" türü söz konusu olur. Bilinen hiçbir süreç böyle sürekli bir elektriksel yük içeren sıkışmış bir cisim üretmek olanağı vermediğinden, bu tür kara delikler varsa bile, astrofizikte pek ilgi odağı olmamaktalar. Bu elektriksel yük, karadeliğin çevresinden alacağı zıt elektrik yüklerinin emilmesiyle zamanla dağılabilir. Sonuç olarak, "Reissner-Nordström kara deliği" doğada mevcut olma olasılığı pek bulunmayan teorik bir cisimdir.
Kara deliğin bir açısal momentumu olup (kendi ekseni etrafında dönüyorsa) elektriksel yükü olmadığı takdirde "Kerr kara deliği" türü söz konusu olur. Bu ad, 1963’te bu tür cisimleri tanımlayan formülü bulmuş olan Yeni Zelanda’lı matematikçi Roy Kerr’in adına ithafen verilmiştir. Reissner-Nordström ve Schwarzschild kara delik türlerinin aksine, Kerr kara deliği türü astrofizikçiler için önemli bir ilgi odağı olmuştur; çünkü kara deliklerin oluşum ve evrim örnekleri onların çevrelerindeki maddeyi bir yığılım diski aracılığıyla emme eğiliminde olduklarını ve maddelerin yığılım diskine kara deliğin dönüş yönünde spiral çizerek düştüklerini göstermektedir. Böylece madde, kendisini yutan kara deliğin açısal momentumuyla bir ilişki halinde olmaktadır. Bu durumda, astronominin ilgilenebileceği kara delikler yalnızca Kerr kara delikleridir.
Bununla birlikte, bu kara deliklerin, açısal momentumlarının iyice zayıfladığı hallerde, doğal olarak, Schwarzschild kara deliklerini andırmaları mümkündür.
Dördüncü tür, Kerr kara deliğinin elektriksel yüke sahip olduğu türdür. Buna Kerr-Newman kara deliği türü denir. Bu türe de var olma olasılığı çok zayıf olduğundan pek ilgi gösterilmemektedir.
Kara ve delik
Kara deliklerin varlığı John Michell ve Pierre-Simon Laplace tarafından, birbirlerinden habersiz olarak, daha 18. yüzyılda gözönünde bulundurulmuştur. O zamanlar düşünülen, "kaçış hızı" ışık hızından daha fazla olabilecek, yani ışığın çekimlerinin etkisinden kaçamayacağı kozmik cisimlerin varlığıydı. Işığın kara delikçe çekilmesi olgusunda, bir güçten ziyade, "Einstein dengelenmesi", "kızıla kayma" veya "çekimsel kızıla kayma" gibi adlarla belirtilen, ışığın (fotonların) çekim alanları etkisiyle maruz kaldığı bir değişim söz konusudur. Çekim alanı etkisiyle oluşan bu dengelenme veya değişimde ışık, bir karadeliğin "potansiyel kuyular"ından çıkmaya çalışırken enerji bütünlüğünü kaybeder. Burada, "evrenin genişlemesi"nden, yani uzak galaksilerde gözlemlenen ve çok derin "potansiyel kuyu"ların olmadığı bir uzay genişlemesinden kaynaklananınkine oranla biraz farklı tabiatta bir kızıllaşma değişimi söz konusudur. Bu özellik de kara deliğin "kara" sıfatına çok uygun gelmektedir; çünkü bir kara delik ışık yayamamaktadır. Bu yüzden "kara delik" cisimlerinin adına "kara" sıfatı eklenmiştir. Bu, ışık için olduğu kadar, madde için de geçerlidir; çünkü bir kez kara delikçe çekilmeye başladıktan sonra hiçbir partikül o kara delikten kaçamamaktadır. Bu da kara deliğe "delik" adının verilmesini sağlamıştır.
Olay ufku
| Yıldız Kütlesi | Yarıçap | Yoğunluk | Son Ürün |
| Myıldız< 0,08 Mgüneş | 10-103 gr/cm3 | Kahverengi cüce veya Kara cüce | |
| 0,08 Mgüneş< Myıldız < 1,44 Mgüneş | 7000 km | 106 gr/cm3 | Beyaz cüce |
| ~1,35 Mgüneş< Myıldız <~2,1 Mgüneş | 10-20 km | 8x1013-2x1015 gr/cm3 | Nötron yıldızı |
| Myıldız > ~3 Mgüneş | 4 km | >1016 gr/cm3 | Kara delik |
Kara deliklerin var olma olasılığı yalnızca genel görelilik kuramına ait bir sonuç değildir; kütleçekimi konu alan hemen hemen tüm diğer gerçekçi fizik kuramları da onların varlığını muhtemel görmektedir. Diğer kütleçekim kuramları gibi genel görelilik kuramı da kara deliklerin varlığını öngörmekle kalmayıp, onların uzayın bir bölgesinde sıkışmış maddeden oluşmuş olacağını öngörmektedir. Örneğin Güneş’imiz yarıçapı yaklaşık üç kilometre olan bir küre içine (yani ebatlarının dört milyonda biri kadar bir hacme) sıkıştırılmış olsaydı, bir kara delik haline gelirdi. Hatta Güneş’imizi 1cm³(santimetreküp) hacmine sıkıştırabilseydik, bu kez 1cm³'lük bir karadelik yapmış olurduk. Fakat bu durumda sistemimizdeki gezegenlerin yörünge hareketlerinde bir değişiklik olmayacaktı; yani Güneş Sistemi’mizdeki gezegenler bu 1cm³'lük kara deliğin Güneş'inkine eş çekim kuvvetinde, yörüngelerinde dönmeye devam edeceklerdi. Bir başka örnekle, Dünya’mız birkaç santimetre küplük bir hacim içine sıkıştırılmış olsaydı, o da bir kara delik haline gelecekti.
Astrofizikte kara delik bir çekimsel içe çökmenin son aşaması olarak ele alınır. Yıldızların evrim süreçlerinin sonları, sahip oldukları kütleye göre belirlenir. Evrim sürecinin son aşamasına yaklaşmış yıldızlarda, maddenin sıkışması sonunda, kütlelerine göre, iki hal söz konusu olur; bunlar ya ak cüce haline dönüşürler veya sonradan kara deliğe dönüşebilecek nötron yıldızı haline dönüşürler. Ak cüce halinde, ak cüceyi kütleçekime karşı denge halinde tutan elektronların yozlaşma basıncıdır. Nötron yıldızı halinde ise nükleonların yozlaşma basıncı söz konusu değildir, denge halini sağlayan "güçlü etkileşim"dir. Kara delik ak cücelere ilişkin içe çökmeyle oluşamaz; bu çökme sırasında yıldızı oluşturan çok ağır nükleonlar oluşur. Açığa çıkan enerji yıldızı dağıtmaya yeterlidir.
Fakat evrim sürecinde dönüşme eşiğindeki yıldız, belirli bir kritik kütleyi aştığında (kütlesi yeterince büyük olduğunda), eğer kütleçekim gücü basınç etkisini aşabilmeye yetecek derecede büyükse bir kara delik oluşabilir. Bu durumda bilinen hiçbir kuvvet, dengeyi sağlamaya yetmez ve söz konusu cisim tümüyle içe çöker. Pratikte bu, birçok şekilde oluşabilir:
Bir nötron yıldızına, belirli bir kritik kütleye ulaşana kadar, bir başka yıldızdan çıkan maddenin katılımıyla oluşabilir.
Bir nötron yıldızının başka bir nötron yıldızıyla birleşmesiyle oluşabilir (çok nadir, a priori bir fenomendir).
Büyük bir yıldızın kalbinin doğrudan kara delik halinde içe çökmesiyle oluşabilir.
1980’li yıllarda nötron yıldızlarındakinden de daha sıkışmış bir madde halinin varlığı konusunda bir hipotez ortaya atılmıştır. Bu, "tuhaf yıldızlar" da denilen “kuark yıldızları”ndaki sıkışmış madde haliydi. Bu konuda 1990’lı yıllardan itibaren net bulgular elde edilebilmiştir; fakat bu bulgular, yıldız türündeki belirli bir kütlenin, evrimini kara delik halinde içe çökmesiyle tamamlaması konusunda önceden bilinenleri değiştirmemiştir. Değiştirdiği şey yalnızca, kütlenin miktarı konusundaki sınır olmuştur.
2006 yılında, kütlelerine bağlı olarak dört kara delik sınıfı ayırt edilmiştir : Yıldızsal kara delikler, dev kara delikler, orta kara delikler ve ilksel (ya da mikro) kara delikler.
Boyutlarına göre kara delikler
Yıldızsal kara delikler
Yıldızsal kara delikler birkaç güneş kütlesi kadar bir kütleye sahiptirler. Ölmekte olan bir yıldız, eğer Güneş’imizin üç mislinden daha ağırsa, nötron yıldızı düzeyinde kalamaz, çekirdeğindeki tepkime ve yoğunluk artması devam eder ve "kara delik" haline gelir. Yıldızsal kara delik büyük (başlangıç olarak yaklaşık 10 güneş kütlesi kadar kütleli veya daha fazla kütleli) bir yıldızın kalıntısının (artık maddesinin) çekimsel içe çökmesinin ardından doğarlar. Yıldızın kalbinde termonükleer tepkimelerle yanma tamamlandığı zaman, yakıt kalmadığı için, bir süpernova oluşur. Bu süpernova da ardında hızla içe çökecek bir öz kısım bırakabilir.
1939’da Robert Oppenheimer, bu öz kısmın belirli bir sınırdan daha yüksek bir kütleye sahip olması durumunda kütleçekim gücünün kendisini kesinlikle tüm diğer güçlerin üzerine taşıyacağını ve bir kara delik oluşacağını ortaya koymuştur.
Bir kara delik oluşturmak üzere içe çöküş “kütleçekim dalgaları” yaymaya elverişli bir durumdur ki, bu dalgaların yakın bir gelecekte Cascina’daki (İtalya) Virgo veya Amerikan LIGO “girişim aracı” gibi bazı dedektör aygıtlarıyla saptanabileceği sanılmaktadır. Yıldızsal kara delikler günümüzde "X çift yıldızları"nda ve "mikrokuasar"larda gözlemlenmektedir ve bazı “aktif galaksi çekirdekleri”nde “akış”ların (Fr.jet) oluşmasına neden olurlar.
Dev kara delikler
Dev kara delikler birkaç milyon ile birkaç milyar güneş kütlesi arasında değişen bir kütleye sahiptir. Galaksilerin merkezinde bulunurlar ve varlıkları bazen “akış”ların ve X ışınımının oluşmasına yol açar. Bu yüzden bu galaksi çekirdekleri, yıldızların üst üste yer almasından oluşan normal parlaklığa kıyasla daha parlak hale gelirler ve “aktif galaksi çekirdekleri” adını alırlar. Galaksimiz Samanyolu da böyle bir kara delik içerir ve bu kara deliğe yakın yıldızların son derece hızlı hareket ettiklerinin gözlemlenmesi bu bulguyu doğrular.
Örneğin bu yıldızlardan biri olan S2 adlı yıldızın gözlemlenemeyen karanlık bir nesnenin çevresinde en az 11 yıllık bir dolanım hareketinde bulunduğu gözlemlenmiştir. Bu yıldızın eliptik yörüngesi söz konusu karanlık cisimden 20 astronomik birim uzaklığındadır ve karanlık cisim sınırlı hacmine karşın 2,3 milyon güneş kütlesi kadar bir kütleye sahiptir. Kara delikten başka, sınırlı hacmine karşın böyle yoğun madde içeren bir cisim örneğine şimdiye dek rastlanmamıştır.
Chandra teleskopu ile NGC 6240 galaksisi üzerinde yapılan gözlemler de bu galaksinin merkezinde birbirleri çevresinde dönen iki dev kara deliğin gözlemlenmesini sağlanmıştır. Böyle devlerin oluşumu hakkındaki tartışmalar hâlen sürmektedir, kimilerine göre de kozmosun başlangıcında çok hızlı bir şekilde oluşmuşlardır.
Orta kara delikler
Orta kara delikler yakın zamanlarda keşfedilmiş olup, kütleleri 100 güneş kütlesi ile 10.000 güneş kütlesi aralığında değişir. 1970’li yıllarda orta kütleli kara deliklerin küresel yıldız kümelerinde oluştuğu hipotezi ortaya atılmış, fakat bu hipotezi destekleyecek hiçbir gözlem elde edilememişti. 2000’li yılların gözlemleri parlaklık-ötesi veya “ aşırı parlak X ışını kaynakları”nın varlığını ortaya koydu. Bu kaynaklar hiç de dev kara deliklerin bulunduğu galaksi çekirdeklerine bağlı görünmüyorlardı. Ayrıca gözlemlenen X ışınları miktarı, “Eddington limiti”ne (yıldızsal kara delik için maksimum limit) eşit bir oranla madde katılımı göz önünde bulundurulduğunda, 20 güneş kütleli bir kara delik tarafından üretilemeyecek kadar çoktu...
İlksel kara delikler
Mikro kara delikler veya kuantum kara delikleri de denilen "ilksel kara delikler" çok küçük boyutlarda olan kara deliklerdir. Bunlara “ilksel” adının verilme nedeni, Büyük Patlama sırasında oluştuklarının sanılmasındandır. "İlksel kozmos"da küçük ölçekli aşırı yoğunlaşmaların çekimsel içe çökmesiyle oluştukları sanılmaktadır. 1970’li yıllarda ünlü fizikçilerden Stephen Hawking ve Bernard Carr kara deliklerin ilksel kozmosdaki oluşum mekanizması üzerine araştırmalarda bulundular ve kara delik kavramını geliştirerek "mini kara delik" adı verilen, yıldızsal kara deliklere nazaran son derece küçük kara deliklerin bol miktarda bulunduğu sonucuna vardılar. Bu kara deliklerin kütleleri bakımından yoğunlukları ve dağılımları henüz bilinmemekteyse de, bunları belirleyen etkenlerin ilksel kozmosdaki yani "kozmik şişkinlik"teki hızlı genişleme evresine ilişkin koşullarla ilgili olduğu sanılmaktadır. Bu küçük kütleli kara deliklerin –eğer var iseler- bir gama ışınımı yaymaları gerekir. Işınımları muhtemelen INTEGRAL gibi uydular tarafından keşfedilecektir.
Yüksek enerjili fiziksel örnekler üzerinde çalışan bazı fizikçilere göre bu kara deliklerin daha küçük benzer örnekleri Cenevre yakınlarındaki LHC gibi "parçacık hızlandırıcı” kullanılarak laboratuvarda da oluşturulabilir.
Kara deliklerin gözlemi
Kara deliklerin yalnızca iki türü için birçok gözlem donanımları düzenlenmektedir (doğrudan değil, dolaylı gözlem olmakla birlikte, aşağıdaki bölümde görüleceği gibi, gitgide daha açık ve seçik gözlemlere doğru ilerleme kaydedilmektedir): Bunlar yıldızsal kara delikler ve dev kara deliklerdir. Bize en yakın dev kara delik, galaksimizin merkezinde, yaklaşık 8 kilo-parsek uzaklıkta bulunmaktadır.
Bir kara deliği bulma konusundaki ilk yöntemlerden biri, yörünge parametrelerine başvurarak bir çift yıldızın iki bileşeninin (iki yoldaşının) kütlelerinin belirlenmesiydi. Böylece çift yıldızlardan diğer bileşeni görünmez olan, kütlesi az olan bileşenler, yörüngelerindeki hızlarına da dikkat edilerek araştırıldı. Bileşenlerden, kütlesi büyük ve görünmez olanı, -normalde böyle kütledeki bir yıldızın kolaylıkla görülebilmesi gerektiğine göre- genellikle bir nötron yıldızı olarak veya bir kara delik olarak yorumlanabilir. O zaman, yörünge eğikliği açısı da bilinmiyorsa, yoldaşının kütlesinin nötron yıldızlarının maksimum kütle sınırını (yaklaşık 3,3 güneş kütlesi) geçip geçmediğine bakılır. Eğer sınırı geçiyorsa bu bir kara deliktir, geçmiyorsa bir ak cüce olabilir.
Bunun yanı sıra, bazı yıldızsal kara deliklerin "gama ışınları dalgalarının yayını" sırasında belirdikleri bilgisi göz önünde bulundurulur. Zaten böyle kara delikler süpernova halindeki (Wolf-Rayet yıldızı gibi) büyük bir yıldızın patlaması yoluyla oluşabilirler ve "collapsar" örneğiyle tanımlanan bazı hallerde kara delik bir gama ışınları dalgası üretildiği an oluşur. Böylece, bir "gama ışınları dalga yayını" (GRB) bir kara deliğin doğumunun işareti olabilir. Süpernovalar vasıtasıyla daha küçük kütleli kara delikler de oluşabilir. Örneğin 1987A süpernovasından kalan artıkların bir kara deliğe dönüştüğü düşünülmektedir.
Bir kara deliğin varlığını gösteren bir başka fenomen de esas olarak radyo dalgaları alanında gözlemlenen "akış"ların varlığıdır ki, bu akışlar hem yıldızsal kara deliklerce, hem de dev kara deliklerce yaratılabilmektedir. Bu akışlar kara deliğin "yığılım diski”nde oluşan büyük ölçekli manyetik alan değişimlerinden kaynaklanırlar.
Uluslararası bir radyo teleskop ağı olan Olay Ufku Teleskobu (Event Horizon Telescope – EHT) tarafından 2019 yılında ilk defa bir kara delik fotoğrafı çekildi. Bu fotoğraf M87 galaksisinin merkezinde yer alan kara deliğin bir görüntüsü ve etrafında dolanan ısınmış gazın yaptığı ışıma görülebiliyor.
Doğrudan gözlem olasılığı
Bir kara deliğin küçüklüğü doğrudan gözlemini zorlaştırır, örneğin birkaç kilometrelik kara deliklerin doğrudan gözlemlenmesi imkânsızdır. Açısal çapı bundan biraz daha büyük bir kara deliği ele alalım; 1 “güneş kütlesi” kadar kütlesi olan ve bir parsek (yaklaşık 3,26 ışık yılı) uzaklıkta bulunan bir kara deliğin açısal çapı ancak 0,1 mikrosaniye olacaktır ki, bu, gözleminin olanaksızlığı hakkında yeterince bir fikir vermektedir.
Buna karşılık, dev kara deliklerin konumu doğrudan gözlem bakımından daha elverişli görünmektedir. Bir kara deliğin ebatları kütlesiyle orantılıdır. Bir galaksinin merkezindeki kara deliğin kütlesi ortalama 2,6 milyon güneş kütlesidir. Onun "Schwarzschild yarıçapı" da yaklaşık 7 milyon km. olur. Bu kara deliğin 8,5 kilo-parsek uzaklıkta bulunduğunu farzedersek, açısal çapı 30 mikrosaniye olur. Bu sonuç, söz konusu cismin, “gözle görülür ışık alanı”nda gözlemlenmesinin yine son derece zor olduğunu ortaya koymaktaysa da, günümüzde “radyo girişim aracı” saptama sınırlarına hiç de uzak değildir. Günümüzde, milimetrik alandaki frekanslara dayalı radyo girişim araçlarının duyarlılıkları gitgide geliştirilmektedir. Kara deliğin açısal çapının büyüklüğü yerine, frekans alanındaki büyüklüğe ilişkin herhangi bir kazanım, bize karadeliğin gözlemlenebilmesi konusunda çok daha elverişli bir olanak sağlayacaktır. Şu halde bir galaksi merkezindeki kara deliğin bu teknikle imajlarının elde edilmesi pek uzak bir hayal olmasa gerek. M87 galaksisinin merkezinde yer alan kara delik üstte sözü edilen kara deliğe kıyasla 2000 kez daha uzak olmakla birlikte, ondan 1300 kez daha büyüktür. Belki de bu kara delik, gelecekte, galaksimiz Samanyolu’ndaki kara delikten sonra imajı elde edilmiş ikinci kara delik olacaktır.
Yıldızsal kara delik örnekleri
1965’te bulunan Cygnus X-1, bir kara delik içerdiği bilinen ilk astrofizik cismidir. Bu, dönen bir kara delikten ve bir kızıl devden oluşan bir çift yıldız sistemiydi.
Eğer kara delik bir çift yıldız sisteminin parçasıysa, o zaman normal yıldızdan kara deliğe doğru bir madde akışı olur. Madde akışı, açısal momentumun korunması prensibine bağlı olarak kara delik çevresinde "yığılım diski" denilen bir disk oluşturur. Bu disk maddesi kara deliğin yakınında, büyük kütleçekim potansiyeli altında müthiş sıcaklıklara ulaşmakta ve kara deliğin tarafımızdan fark edilebilmesini sağlayan X-ışınları yaymaktadır.
“Yığılım diski”yle “akış”lar oluşturan bir kara deliğin veya bir nötron yıldızının bulunduğu çift yıldız sistemlerine, galaksimiz ötesindeki (ekstragalaktik) ebeveynleri denilebilecek kuasarlara ithafen mikrokuasar adı verilmiştir. Aslında her iki sınıftaki cisimler de aynı fiziksel süreçleri izlerler. Mikrokuasarlar içinde en fazla incelenmiş olanlarından biri 1994'te keşfedilmiş, "ışıktan hızlı" “akış”ları olan GRS 1915+105’tir.
Böyle akışların bulunduğu bir başka sistem de GRO J1655-40’tir. Fakat bu ikincisinin mesafesi hâlen tartışmalı olduğundan, akışlarının ışıktan hızlı olmama olasılığı da bulunmaktadır.
Bir başkası da çok özel bir mikrokuasar olan SS 433’tür. Bunun öyle sürekli akışları vardır ki, orada madde ışık hızının beşte biri civarındaki hızlarla yığın yığın yer değiştirmektedir.
Dev ve orta kara delik örnekleri
Dev kara delik adayları öncelikle "aktif galaksi çekirdekleri" ve radyoastronomlar tarafından 1960’lı yıllarda keşfedilen kuasarlardır. Dev kara deliklerin varlığına en büyük kanıt oluşturan gözlemler Sagitarius A adlı galaktik merkezin çevresindeki yıldızların yörüngeleri üzerinde yapılan gözlemlerdi. Bu yıldızların yörünge ve hızları hakkındaki gözlemler, bu "galaktik merkez"in o bölgesinde dev kara delikten başka hiçbir kozmik cismin söz konusu olamayacağını göstermekteydi. Bu keşfin ardından başka galaksilerde başka kara deliklerin bulunduğu saptandı.
Şubat 2005'te SDSS J090745.0+24507 adlı dev bir mavi yıldızın galaksimizin kaçış hızının iki katı bir hızla, yani ışık hızının 0,0022’si kadar bir hızla Samanyolu galaksimizden çıkacak şekilde yol aldığı gözlemlendi. Hızı ve çizdiği yörünge incelendiğinde dev bir kara deliğin çekimsel etkisiyle fırlatılmış olduğu anlaşıldı.
Kasım 2004'te astronomlardan oluşan bir grup, galaksimizde orta kütleli ilk kara deliğin keşfedilmiş olduğunu açıklamışlardı. Yörüngesi galaksimizin merkezinden yalnızca üç ışık yılı uzaklıkta olan bu kara delik 1300 güneş kütlesi kadar bir kütleye sahipti ve yalnızca yedi yıldızdan oluşan bir yıldız kümesinde bulunuyordu. Bu yıldız kümesi, muhtemelen, vaktiyle büyük yıldızlardan oluşan ve merkezî kara delik tarafından yutularak ufalan bir yıldız kümesinin kalıntısıydı. Bu gözlem, dev kara deliklerin, çevresindeki yıldızları ve diğer kara delikleri yuttukça büyüdükleri görüşünü desteklemektedir.
Bütün bunlar, muhtemelen yakın bir zamanda, LISA adlı “uzay girişim aracı” vasıtasıyla yapılacak, söz konusu sürecin çekimsel dalgalarının doğrudan gözlemiyle doğrulanabilecektir.
Haziran 2004'te astronomlar 12,7 milyar ışık yılı uzaklıktaki bir galaksinin merkezinde Q0906+6930 adı verilen bir dev kara delik keşfettiler. Büyük Patlama göz önüne alındığında, bu gözlem, galaksilerdeki dev kara deliklerin oluşum hızlılığının göreli bir fenomen olduğunu göstermektedir.
Tekillik kuramları
Kara delikler hakkındaki temel meselelerden biri hangi koşullar altında oluştukları meselesidir. İlk zamanlar, kara deliklerin oluşum koşullarının son derece özel olmasından dolayı, pek çok olma şanslarının çok az olduğu düşünülüyordu. Fakat, Stephen Hawking ve Roger Penrose’a borçlu olduğumuz bir dizi matematik teoremleri hiç de öyle olmadığını gösterdi. Kara deliklerin meydana gelmesi son derece farklı koşullarda oluşabilmekte olup, bir çeşitlilik gösteriyordu. Bu iki bilim adamının söz konusu alandaki kuşkuya yer bırakmayan çalışma ve kuramları "tekillik kuramları" olarak adlandırılmıştır. Bu kuramlar, 1970’li yılların başlarında, yani henüz kara deliklerin varlığını doğrulayan hiçbir gözlemin yapılmamış olduğu bir dönemde ortaya konulmuştur. Sonraki gözlemler, kara deliklerin evrende gerçekten çok sık bulunan cisimler olduğunu doğrulamış bulunmaktadır.
Çıplak tekillikler ve kozmik sansür
Bir kara deliğin merkezinde "çekimsel tekillik" yer alır. Tüm kara delik türlerinde de bu tekillik dış alemden "olay ufku"yla "saklı"dır. Bugünkü fizik, çekimsel tekilliği tanımlamayı bilememektedir. Fakat bu pek fazla önem de taşımamaktadır ; çünkü bu tekillik, "olay ufku"yla sınırlanmış kuşağın içinde kalmakta ve dış alemin olayları üzerine etkide bulunmamaktadır. Bununla birlikte, bir ufukla çevrelenmiş olmaksızın mevcut olan bir tekilliğin bulunduğu "genel görelilik" denklemlerine matematik çözümler vardır, kinetik yük veya "kinetik moment"in belirli bir değeri aşması halinde Kerr veya Reissner-Nordström çözümlerinde söz konusu olduğu gibi... Böyle bir durumda artık kara delikten söz edilemez (artık ufuk da, "delik" de yoktur); ancak "çıplak tekillik"ten [86]söz edilebilir. Parametrelerce belirlenen bu tür durumların incelenmesi pratikte son derece zordur; çünkü tekillik ortamını tahmin edebilmemiz imkânsızdır. Bugünkü evren bilgilerimizle çıplak tekillik meselesi hakkında fazla bir şey söylememiz mümkün değildir veya en azından, 1990’lı yıllara kadar bu konuda fazla bir şey söylemek mümkün değildi.
O yıllara kadar Kerr veya Reissner-Nordström kara deliklerinin kinetik momentin veya elektriksel yükün dış katkısı yoluyla söz konusu kritik değerlere ulaşamayacakları düşünülüyordu. Çünkü, özetle, kara deliğin yük/kütle ilişkisinin hep, tam kritik değere ulaşmadan önce "doygunluğa" ulaşacağı ve böylece hiçbir zaman kritik değere ulaşamayacağı düşünülüyordu.
Bu temel kavram ve düşünceler İngiliz matematikçi Roger Penrose’u 1969’da, "kozmik sansür" denilen hipotezi ortaya atmaya yöneltmiştir. Bu hipotez hiçbir fiziksel sürecin kozmosda çıplak tekillerin doğmasına imkân vermeyeceğini ileri sürmekteydi. Mümkün birkaç açıklama/formül içeren bu hipotez, Stephen Hawking’in evrende çıplak tekilliklerin oluşabileceğini savunan Kip Thorne ve John Preskill ile iddialaşmasına konu oldu. Nihayet 1991’de Stuart L. Shapiro ve Saul A. Teukolsky evrende çıplak tekilliklerin oluşabileceğini sayısal simülasyon yoluyla ortaya koydular. Birkaç yıl sonra da Matthew Choptuik çıplak tekilliklerin oluşabileceğini başka yollarla ortaya koydu. Bununla birlikte, bu kanıtlama çalışmaları, gözlem eksikliği olduğundan, evrende çıplak tekilliklerin oluşumuna ilişkin olarak emin olunması konusunda tam anlamıyla yeterli sayılamazlar. Bu durumda, mesele şöyle de özetlenebilir: Evet, evrende çıplak tekilliklerin olması mümkündür, fakat pratikte var oldukları şüphelidir. Sonunda Stephen Hawking, 1997 yılında, vaktiyle Kip Thorne ve John Preskill karşısında girmiş olduğu iddiayı kaybetmiş bulunduğunu itiraf etti.
Kara deliklerin entropisi
1971’de İngiliz fizikçi Stephen Hawking, hangi tür kara delikte olursa olsun, "olay ufku"nun yüzeyinin asla küçülmediğini gösterdi. Bu özellik, entropi (çözülüm, dağılım,yok oluş) rolünü oynayan yüzey bakımından, tümüyle “termodinamiğin ikinci yasası”nı andırmaktadır. Klasik fizik çerçevesinde, termodinamiğin bu yasası bir kara deliğe madde göndererek ve böylece onun kozmozumuzda yok olmasını sağlayarak ihlal edilebilir.
Fizikçi Jacob Bekenstein kara deliğin (doğada doğrulanmamakla birlikte) ufuk yüzeyiyle orantılı olan bir entropiye sahip olduğunu öne sürmüştür. Bekenstein kara deliğin ışınım yaymamasından ve termodinamikle olan ilişkisinin, yalnızca bir benzerlik olup, özelliklerinin fiziksel bir tanımı olmamasından yola çıkıyordu. Bununla birlikte kısa bir süre sonra Hawking, “Kuantum Alan Teorisi”ne dayalı bir hesaplamayla, kara deliklerin entropisi hakkındaki sonucun, basit bir benzerlikten ibaret olmayıp, "kara deliklerin ışınımı"na (Hawking ışınımı) bağlı bir ısıyı tanımlamasının mümkün olduğunu gösterdi.
Kara deliklerin termodinamik denklemleri kullanıldığında, öyle görünüyor ki, kara deliğin entropisi ufkunun yüzeyiyle orantılı bulunmaktadır. Bu, "de Sitter evreni" gibi bir ufuk içeren "kozmolojik örnekler" bağlamında da uygulanabilecek evrensel bir sonuçtur. Buna karşılık, bu entropinin "mikrokanonik topluluk" bakımından açıklanması çözülememiş bir problem olarak kalmaktadır, her ne kadar "string kuramı" kısmi yanıtlar getirmeyi başardıysa da…
Daha sonra kara deliklerin azami entropi cisimleri olduğunu, yani belirli bir yüzeyle sınırlı bir uzay bölgesinin azami entropisinin aynı yüzeye sahip bir kara deliğin entropisine eşit olduğunu gösterdi. Bu saptama fizikçilerden önce Gerard ’t Hooft’u ve daha sonra Leonard Susskind’ı “holografi ilkesi” kavramını ortaya atmaya yöneltti. Bu kavramın dayandığı esas şöyle açıklanabilir: Nasıl bir hologram bir hacimle ilgili enformasyonları basit bir yüzey üzerinde kodlayabiliyor ve böylece o yüzden hareketle üç boyutlu bir kabartma etkisi sağlayabiliyorsa, aynı şekilde, uzaydaki bir bölgenin yüzeyinin tanımı da o bölgenin içeriğiyle ilgili tüm enformasyonu yeniden oluşturmaya imkân sağlamaktadır.
Kara deliklerin entropisinin keşfi, böylece, kara delikler ile termodinamiğin ve “kara delikler termodinamiği”nin arasında son derece derin benzeşim ilişkilerinin kurulmasına olanak sağlamıştır ki, bu da “kuantum çekimi” kuramının anlaşılmasına yardımcı olabilecektir.
Kara deliklerin buharlaşması (yok olması) ve Hawking ışınımı
Kara delikler evrendeki en kararlı ve en uzun ömürlü cisimler olmalarına rağmen, sonsuza dek yaşayamazlar, Hawking ışınımı yaparak çok yavaşça enerjilerini kaybederler. Hawking ışınımı elimizdeki teknoloji ile saptanabilecek bir ışınım değildir.
1974'te Stephen Hawking “kuantum alan teorisi"ni “genel görelilik”teki “eğrilmiş” uzayzamana uyguladı ve klasik mekanik tarafından öngörülenin aksine, kara deliklerin aslında, günümüzde “Hawking radyasyonu” adıyla bilinen bir ışınım (termik ışınıma yakın bir ışınım) yaymakta olduğunu keşfetti. Şu halde kara delikler tümüyle “kara” değildi, yani yaydıkları bir şeyler de vardı. Fakat kara delikler, bugünkü bilgilerimize göre, özellikleri gereği, başka ışıma yapamazlar; çünkü yüzeylerindeki kaçış hızı ışık hızından yüksektir. Kara deliğin yüzeyinde bir fener yakabilseydik, fenerin ışığı çekiminin etkisi ile kara delik yüzeyine geri bükülecekti.
Hawking radyasyonu bir “kara cisim”in spektroskopisine denk düşmektedir. Bu durumda, kara deliğin boyuyla ters orantılı olan ısısı bununla ilişkilendirilebilecekti. Bu bakımdan, kara delik nicelik olarak büyüdükçe, ısısı düşmektedir. Merkür gezegeni kadar kütleli bir kara delik CMB ışınımınkine (bir elektromanyetik ışınım türü) eşit bir ısıya (yaklaşık 2,73 kelvin) sahiptir. Kara deliğin kütlesi, ısısı, enerji kaybı ve Hawking radyasyonu arasındaki ilişki kara deliğin kütlesi arttıkça ısısının giderek düşmesine neden olmaktadır. Böylece, bir yıldızsal kara deliğin ısısı birkaç mikrokelvine kadar düşmektedir ki bu da “buharlaşma”sının (yok olma, Hawking radyasyonu) doğrudan saptanmasını gitgide olanaksız kılmaktadır. Bununla birlikte kütlesi pek büyük olmayan kara deliklerde ısı daha yüksek olmakta ve buna bağlı enerji kaybı, kütlesinin kozmolojik basamaklardaki değişimlerinin anlaşılmasına olanak vermektedir. Böylece, birkaç milyon tonluk bir kara delik "kozmosun şu anki yaşı"ndan daha az bir sürede buharlaşacaktır. Kara delik “buharlaşırken” de daha küçük hale gelecek ve dolayısıyla ısısı daha artacaktır. Bazı astrofizikçiler kara deliklerin tümüyle “buharlaşma”sının bir gama ışınları dalgası üreteceğini düşünmektedirler. Bu düşünce, küçük kütleli kara deliklerin varlığının onaylanması anlamına gelmektedir. Bu durumda "ilksel kara delik"lerin varlığı söz konusu olmaktadır. Günümüzde bu olasılık, INTEGRAL adlı Avrupa uydusunun sağladığı veriler üzerinde araştırılmaktadır.
Enformasyon paradoksu
21. yüzyılın başından beri henüz çözülememiş temel fizik meselelerinden biri, ünlü enformasyon paradoksudur. "Saçsızlık kuramı” nedeniyle, kara deliklerin içine girmiş olanları a posteriori olarak saptamak mümkün değildir. Bununla birlikte kara delikten uzaktaki bir gözlemcinin bakış açısından düşünülürse, enformasyon tümüyle yok olmuş da sayılamaz; çünkü vaktiyle kara deliğe düşmüş durumda bulunan madde, ışık yılı uzaklıklar göz önünde bulundurulursa, gözlemci tarafından henüz görülebilmektedir. Şu halde kara deliği oluşturan enformasyon kayıp mıdır, değil midir?
Bir "kuantum çekimi kuramı"nın olmasını gerekli kılan bu konudaki düşünceler, kara deliğin sadece ufkuna yakın uzaya bağlı entropiyle sınırlı ve bitmiş bir niceliğin var olabileceğini öne sürmektedir. Kara deliğe düşen madde ve enerjinin her türlü entropisi göz önünde bulundurulurken "Hawking ışınımı" değişkenliğinden ziyade, ufuk entropisi değişkenliği daha tatminkar görünmektedir. Yine de pek çok mesele açıklığa kavuşmamış durumda ortada durmaktadır, özellikle kuantum konusunda.
Solucan delikleri
Genel görelilik evrendeki kara deliklerin birbirleriyle bir şekilde irtibat halinde olduklarını göstermektedir. Bu yapıda kara delikleri birbirlerine bağlayan koridorlar alışılmış adıyla “kurt delikleri” (meyve kurdu), solucan delikleri veya nadir kullanımıyla Einstein-Rosen delikleri olarak belirtilmektedir. Bu konudaki düşünceye göre, kara delikler bir başka evrene açılmaktadır veya bu ikinci evrene geçiş kapılarıdır. Kara delikleri birbirine bağlayan söz konusu koridorlar bir elmanın içindeki kurdun yolunu andırır biçimde düşünüldüğünden, söz konusu koridorlara “kurt deliği” adı verilmiştir. Evrende pek çok kara deliğin var olduğu göz önünde bulundurulduğunda, uzayın birbiri içine geçmiş sayısız tünellerden oluştuğu sonucuna varılır. Zaman ve ışık-yılı uzaklıkları hiçe sayarak kozmozda “zıplama”lara olanak veren bu kurt delikleri ister istemez bilimkurgu yazarlarına esin kaynağı olmuştur.
Kozmosun tünellerle dolu bu yapısı genel görelilik tarafından doğrulanmakla birlikte, astrofizik bağlamda, pratikte bu tünellerdeki yolculuklar şimdilik imkânsız gibi görünmektedir; çünkü bilinen hiçbir süreç bu yolculukları yapabilecek nesnelerin oluşumunu ayabilir gibi görünmemektedir.
Twitter
Facebook Page
Ana Sayfa
0 Yorum:
Yorum Gönder