Kara delik çevresinde hayalet parçacık avı

Karanlık madde, evrenimizin yaklaşık yüzde 27’sini oluşturur ama hiçbir parçasını göremeyiz veya gözlemleyemeyiz; zira algımızın ötesindeki bir alanda bulunur.
Bir karadeliğin çevresindeki yerçekimi etkisi o denli büyüktür ki, ışığın bile bükülerek bu turuncu ışık halesini meydana getirmesine neden olur. Görsel: NSF / EHT

Lissie Connors

Bir resmin bin kelimeye değer olduğunu söylerler; ancak çok azı 5 milyon gigabayt büyülüğünde olabilir. 2019’un Nisan ayında, 200’ü aşkın bilim insanından oluşan uluslararası bir ekip olan Event Horizon Telescope (EHT / Olay Ufku Teleskobu) sayesinde, ilk kez kara deliklerin (veya daha öznel olarak çevresindeki olay ufkunun) görünür olduğu bir tablo dünyayla paylaşıldı. M87’nin* bir görüntüsünü elde etmek astrofizik alanında çok büyük bir başarıydı; bununla birlikte, ‘Physical Review Letters’ dergisinde yayınlanan araştırma, karanlık maddeyle ilgili algımızın nasıl değişebileceğini gösteriyor.

BİR KARA DELİĞİN RESMİNİ GÖRMEK

Karanlık madde, evrenimizin yaklaşık yüzde 27’sini oluşturur ama hiçbir parçasını göremeyiz veya gözlemleyemeyiz; zira algımızın ötesindeki bir alanda bulunur. Varlığı 1930’lardan itibaren kuramsallaştırıldı ama doğrudan tespit etmek için gösterilen tüm çabalar başarısızlığa uğradı. Bu denli bol olmasına karşın, karanlık maddenin varlığı yalnızca dolaylı biçimde ispatlandı; varlığını, gök cisimleri üzerindeki yerçekimsel etkileriyle gözlemlenebilir hale getiriyor.

Yıllar içerisinde değişen kütlelere, özelliklere ve hatırlanabilir isimlere sahip birçok karanlık madde adayı önerildi. MACHO’lar, WIMP’ler, Axion’lar**, Kaluza-Klein parçacıkları, Gravitino’lar*** ve daha birçok öneri mevcut. 2019’un (ABD) Demokrat Parti Başkanlığı adaylarına gayet benzer biçimde öne çıkan bazı isimler var ama alan inanılmaz derecede dolu.

Karanlık madde gibi, kara delikler de görünmezdir ama tamamen farklı bir nedenden ötürü… Kütleleri öylesine büyüktür ki, yerçekimi kuvveti çevresindeki ışık parçacıklarını dahi bükebilir ve EHT tarafından elde edilen gölgeli hâle görüntüsünü yaratabilir. Yaklaşık 55 milyon ışık yılı uzağımızda bulunan Messier 87 galaksisinin merkezindeki bu süper kütleli karadelik (M87*), evrendeki en büyük kara deliklerden biri. Bu akıl almaz boyutu hakkında bir fikir vermek için, M87*’nin, güneşimizin kütlesinin yaklaşık 6,5 milyar katı büyüklükte olduğunu söyleyelim.

BİLİM İNSANLARINI BÜYÜLEYEN FOTOĞRAF

Dünyadaki birçok insanı hayran bıraktığı gibi, parçacık fizikçileri Hooman Davoudiasl ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’nda görevli Peter Denton da görüntüden ve bilimin kendisi için temsil ettiği şeyden büyülendiler.

Görüntü, aynı zamanda zihinlerindeki bir fikri de açığa çıkardı.

Davoudiasl, “Bu görüntü yayınlandığında büyüleyici bir başarı ortaya koydu; bir grup insan bir kara deliği görüntüleyebiliyor ve kara delik algımızı çok daha gerçek bir hale getiriyordu,” diyor. “Ölçüleri çok büyüktü ve dönüş yönüne dair izler vardı; öte yandan (M87*’nin) boyutu, karanlık madde parçacıklarının bazılarının yakalanabileceği bir parametre alanı içerisinde.”

Kara delikler, evrenimizden tek yönlü bir çıkış olması itibariyle, toplumsal hayal gücümüzü de yakalayıverir. Araştırma makalesinin de belirttiği üzere, büyük olasılıkla “Kara delikler aynı zamanda basit ve gizemlidir. Bunlar sadece birkaç parametreyle tarif edilir: Kütle, spin (dönüş) ve yük.” Spin, bir kara deliğin açısal momentumunu, nesnenin hem kütlesini hem de açısal hızını dikkate alan bir parametreyi işaret eder. Mesela, süper kütleli ve dönen bir kara delik, yüksek bir açısal momentuma sahip olacaktır ve yukarıdaki resimdekine benzeyen bir dönüş sergileyecektir. Ayrıca, yukarıdaki nesnenin altı buçuk milyar tane Güneş kütlesinde olduğunu ve neredeyse ışık hızında döndüğünü de hayal edin… İşte bu, M87* kara deliği!

KARA DELİKLER, PARÇACIKLAR VE SÜPER IŞINIM

Peki bir kişi, parçacık gibi inanılmaz derecede küçük bir şeye bakmak için, kara delik gibi devasa bir şeyi nasıl kullanır? Her şey, ‘süper ışınım’ (ing. superradiance) denilen bir kavramla ilgili. Kara delik dönerken, enerjisini ve momentumunu onu çevreleyen bir bozon bulutuna aktarabilir. Parçacıklar enerjiyi emerken, kara deliğin dönüş hızını büyük oranda azaltabilirler.

Denton, “Parçacık-dalga ikiliğine göre, tüm parçacıkların karakteristik bir dalga boyu vardır,” diyor. “Çoğunlukla bu prensibi pek düşünmeyiz ama parçacıklar gerçekten hafif olduğunda düşünmeye başlarız; zira dalga boyları gerçekten de uzun.”

‘Süper ışınım’ın ortaya çıkması için, parçacığın dalga boyunun, kara deliğin yarıçapının boyutuna yakın olması gerekir. Bilim insanları, bu kavramı daha önce kara deliklerin çevresinde bulunan karanlık maddeyi incelemek amacıyla kullandılar; fakat M87* ölçülen en büyük kara delik olduğu için, mümkün olan en küçük karanlık maddenin kütlesini öğrenmek için kullanılabilir. M87*’nin açısal momentumu çok büyük olduğu için, dönüşündeki herhangi bir önemli azalma, gözlemlerde de açık biçimde görülebilir.

‘BULANIK KARANLIK MADDE’

M87* aralığındaki bir karanlık madde sınıfına, ‘bulanık karanlık madde’ denir. İsmi dokusuna değil, (hayal kırıcı biçimde) davranış tarzına atıfta bulunur. Bu tür bir madde neredeyse hayal edilemeyecek kadar hafif, bir nötrinodan bile çok daha küçüktür. Küçük kütleleri, bireysel parçacıklar gibi davranmaktan ziyade aşırı bulanık bir tüy kütlesi gibi davrandıkları anlamına gelir. Astrofizikçiler açısından bu aday çok cazibelidir; çünkü soğuk karanlık maddenin aksine, bulanık bir karanlık madde modeli, evrende gözlemlediğimiz şeylerle daha tutarlı dağılıma sahip galaksiler meydana getirebilir.

Bulanık karanlık madde parçacıkları (herhangi bir parçacığın üretilmesi için çok yetersiz bir yer olan) M87*’nin çevresinde asılı halde kalıyorsa, dönüşünü çok fazla yavaşlatıyorlar demektir. M87*’nin geniş çaplı dönüşü, süper ışımanın meydana gelmediğini gösterir; bu ise belirli bir kütleye sahip bulanık karanlık madde parçacıklarının olay ufku çevresinde ya da başka herhangi bir yerde bulunamayacağı manasına gelir. Bu durum, tüm bulanık karanlık maddelerin varlığını çürütmese de en ağır bulanık parçacıkların varlığını tartışmaya açar.

Roma Sapienza Üniversitesi’nde süper ışıma ve karanlık madde araştırmaları yürüten, ayrıca ‘Marie Curie Bilim Kurulu’ üyesi Dr. Richard Brito, “Birinin, düşünebileceğimiz en hafif parçacıkları araştırmak için evrendeki en büyük nesnelerden bazılarını kullanabilmesi çok dikkat çekici,” diyor.

KARA DELİKLE KARANLIK MADDE AVI

Daha da ilginç olan husus, karanlık maddenin bu çalışmanın içerdiği tek parçacık olmaması. Araştırmacıların tahminlerine göre, bu kütle aralığındaki herhangi bir parçacık, karanlık madde olsun ya da olmasın, kara deliğin enerjisini kullanmadan var olamazdı. Bu durum, parçacık fizikçileri evrenin parçacıklar halindeki yapı taşlarını aramaya devam ederken, bu kütle aralığında herhangi bir şey bulamayacakları anlamına geliyor.

Kaliforniya Irvine Üniversitesi’nde (UC Irvine) kozmoloji ve karanlık madde hakkında araştırmalar yapan doktora öğrencisi Sophia Nasr, “EHT sayesinde artık tam anlamıyla farklı bir ışıkta kara deliklere bakabiliyoruz,” diyor, “bu yüzden, bunlardan birinin -yani M87*’nin- aşırı hafif bozonik karanlık maddeyi incelemek için iyi bir aday olduğunu bilmek gerçekten heyecan verici.”

Fizik, kimi zaman sınırsız genişliğe sahip bir konu yelpazesini kapsar gibi hissettirir ama buna benzer çalışmalar, en ağır nesnelerden en hafif parçacıklara dek her şeyin birbiriyle bağlantılı olduğunu ortaya koyuyor. EHT, LIGO ve gelecekte görev yapacak gözlemevleri vasıtasıyla git gide daha fazla kara delik araştırıldıkça, bu tür hayalet parçacıkları bulmak için bizi daha da yakına taşıyacak.

* Messier 87 galaksisinin merkezindeki süper kütleli kara delik M87* biçiminde belirtilmiştir. Yani, ‘M87*’ ibaresi bir kara delik anlamına gelir, M87 ifadesi galaksiyi ifade eder.

** Axion; yük-parite simetrisini kıran işlemlerin nadirliğini hesaba katan varsayımsal bir atom altı parçacığa verilen isimdir.

*** Gravitino, graviton denilen varsayımsal parçacığın, süper simetrideki kalibretik Fermiyonudur. Bu parçacık, karanlık madde için bir aday olarak önerilmiştir.

**** Yazının aslı Physics Buzz sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)