Kara delikler çarpışıp birleşir mi? Eğer öyleyse süreç nasıl işliyor?

Kara delikler birleşir mi? Kara delikler birleştiğinde, yeni kara deliğin sadece kütlesi mi yoksa gerçek çapı da artar mı?

Kısa cevap evet: Karadelikler birleşebilir. Kara delikler birleştiğinde ortaya çıkan yeni kara delik hem daha fazla kütleye hem de daha büyük bir çapa sahip olur. Şimdi daha uzun bir anlatıya ilerleyelim.

Albert Einstein’ın 20. yüzyılın başında geliştirdiği Görelilik Teorisi, evrene dair birçok soruyu yanıtlamakla kalmadı; aynı zamanda ileri sürdüğü öngörülerle de bilim dünyasında devrim yarattı. Einstein, evrende ışığın bir hız sınırı olduğunu açıklamanın ötesinde, kütleçekimi (yerçekimi) olgusunu, uzay-zamanın bükülmesiyle ilişkilendirerek yeniden tanımladı. Bu teori, kara delikler gibi devasa cisimlerin çarpışmalarını ve bu çarpışmalardan kaynaklanan olayları anlamamıza da kapı araladı

Bu çarpışma, Dünya’dan yaklaşık 1,3 milyar ışık yılı uzakta, 30 güneş kütlesine sahip iki kara deliğin birleşmesiyle gerçekleşti. Olay, bir anlamda “sessiz bir patlama” olarak düşünülebilir. Kara delikler arasındaki bu çarpışmada ışık, radyasyon ya da herhangi bir parçacık yayılmadı, çünkü kara deliklerin çekim gücünden hiçbir şey kaçamaz. Ancak, devasa gravitasyonel dalgalar oluştu ve bu dalgalar, uzay-zamanın kendisinde dalgalanmalara neden olarak milyarlarca ışık yılı uzaklıkta bile tespit edilebildi.

Peki bu birleşme nasıl oluyor?

Yıldız kütleli kara deliklerle başlayalım. Bunlar, elbette, Güneş'imizden kat kat büyük kütleli bir yıldızın bir süpernova sonucu “ölmesiyle” oluşuyor. Tıpkı normal yıldızlar gibi, bu büyük kütleli yıldızlar da ikili sistemler halinde olabilirler. Bu türden bir çift ikili yıldızın bulunduğu bir yıldız nebulası düşünün. Ancak Güneş'ten farklı olarak, bunların her biri Güneş'ten kat kat fazla kütleye ve enerjiye sahipler.

İki yıldız sadece birkaç milyon yıl boyunca birbirlerinin yörüngesinde dönecek ve sonra biri süpernova olarak patlayacak. Artık bir kara deliğin etrafında dönen devasa bir yıldızınız olacak. Sonra ikinci yıldız patlayacak ve artık birbirinin etrafında dönen iki kara deliğiniz olacak.

Kara delikler birbirlerinin etrafında dönerken, yörüngelerinin bozulmasına neden olan yerçekimsel dalgalar yayarlar. Aslında bu biraz akıl almaz bir şey çünkü kara delikler momentumlarını kütleçekim dalgalarına dönüştürüyorlar.

Gravitasyonel dalgalar ve son parsek problemi

Kara delikler birbirlerine yaklaştıkça uzay-zamanda adeta bir gölet yüzeyinde yayılan dalgalar gibi gravitasyonel/yerçekimsel dalgalar ortaya çıkarırlar. Bu dalgalar, kara delikler arasındaki enerjiyi emmeye başlar. Fakat, bu dalgaların enerjiyi etkili bir şekilde taşıyabilmesi için kara deliklerin birbirine gerçekten çok yakın olması gerekir.

Burada, astrofizikte "son parsek problemi" olarak bilinen bir bilmece ortaya çıkar. Kara delikler yakınlaşırken enerjinin ve momentumun korunumu gereği, kaybettikleri enerji ve momentumu etraflarındaki gök cisimlerine (gazlar, yıldızlar gibi) transfer ederler. Böylelikle etraflarındaki maddelere hız kazandırır ve kendilerinden uzak tutarlar. Ta ki aralarındaki mesafe 1 parseğin (3.26 ışık yılı) altına düşene kadar. Bu mesafeden sonra sahip oldukları müthiş dönme hızları, etraftaki bütün maddenin uzaklaşmasına ve izole bir ortam oluşmasına sebep olur. İzole ortamda enerjinin ve momentumun tamamen korunması gerekir ancak karadelikler yine de enerji kaybetmeye devam eder. Bu enerji ve momentumun nereye gittiğini halen bilmiyoruz, zaten son parsek problemi de bu. Bazı bilim insanları tarafından tüm kaybın yayılan kütleçekim dalgası olduğu düşünülse de hesaplamalar yayılan dalgalardan çok daha fazla enerji ve momentum kaybı olduğunu göstermekte.

Bu sorun henüz tam olarak çözülememiştir. Ancak hangi mekanizma gerçekleşirse gerçekleşsin sonunda kara delikler, kütleçekim dalgalarının sistemden gerçekten çok fazla enerji çekebileceği kadar yaklaşır. Bu noktada, kara deliklerin birleşmeden önce sadece birkaç saniyeleri kalmış oluyor.

İlerlemeden önce olay ufku (Schwarzschild yarıçapı olarak da adlandırılır) hakkında biraz daha bilgi verelim. Gökbilimciler bir kara deliğin büyüklüğünden bahsederken esasında olay ufkunun büyüklüğünden bahsediyorlar. Bu bölge ışık hızının bile kara deliğin çekiminden kaçmak için yeterli olmadığı, geri dönüşü olmayan nokta olarak düşünülebilir. Bu, dokunabileceğiniz fiziksel bir yapı değil, matematiksel, küresel bir sınırdır. Kara deliğin merkezinde ise kütlesi olan ama hacmi olmayan tekillik yatar.

Devam edecek olursak; bilim insanları, iki kara deliğin birleşmesini yalnızca gelişmiş bilgisayar simülasyonlarıyla izleyebilmekte. Ve bu simülasyonlar gösteriyor ki çarpışma anında, kara delikler birbiriyle bağlantılı bir tünel oluşturarak bu geçici köprü sayesinde birleşiyorlar. Bu süreç birkaç milisaniye kadar sürüyor. Bu dallar buluşup birleşerek iki kara delik arasında, sanki göbek bağıyla bağlıymışlar gibi bir köprü oluşturuyor. Sonrasında ise bu köprü çok hızlı bir şekilde genişleyerek çarpışan iki sabun köpüğü gibi olay ufuklarını birbirine yapıştırıyor.

Bu süreçte kara deliklerin iç tarafında ne olduğunu tahmin etmek imkansız, en azından günümüz fizik algımızla. Bir kara deliğin merkezi tekillik olarak bilinir ve burası sonsuz yoğunluğa sahip bir noktadır. Simülasyonlar tekilliklerin hızla birbirlerini bulduklarını, kısa bir süre yörüngede döndüklerini ve sonra birleştiklerini gösteriyor - ancak gerçekte ne olduğu belirsiz.

Birleşme sonrası kütle kayboluyor

Garip bir şekilde birleşmenin ardından oluşan yeni kara delik, başlangıçtaki kara deliklerin toplam kütlesinden daha düşük bir kütleye sahip oluyor. Örneğin, 2016 yılında yapılan LIGO gözlemi, 36 ve 30 Güneş kütlesindeki kara deliklerin birleşerek 63 Güneş kütlesinde bir kara delik oluşturduğunu ortaya koydu. Eksik kalan kütle, gravitasyonel dalgalar halinde enerjiye dönüştü. Kara deliklerin birleşmesi esnasında kütlelerinin yaklaşık yüzde 5’inin enerji olarak salındığı düşünülüyor.

Yüzde 5 çok küçük bir oran gibi gelebilir ancak sayılar sizi yanıltmasın. Bu, evrendeki tüm yıldızların yaydığı enerjiden daha fazlasının anlık olarak serbest bırakılması anlamına geliyor. Ancak tüm bu süreç, mutlak bir sessizlik ve karanlık içinde gerçekleşiyor.

Yakında iki süper kütleli kara delik birleşecek

UGC 4211’deki bu kara delik çifti, şimdiye kadar görülen en yakın kara delik çifti olarak öne çıkıyor. Aralarındaki mesafe yaklaşık 750 ışık yılı (230 parsek) gibi çok kısa bir uzaklık. Bilim insanlarına göre bu çift, birleşme süreçlerinin ortalarında bulunuyor. Çevrelerinde dönen yıldız ve gaz yığınları, kara deliklerin yörüngesindeki enerjiyi yavaş yavaş tüketiyor ve iki dev cismin birbirine daha da yaklaşmasına neden oluyor. Bu birleşmenin kozmos için oldukça yakın bir zamanda, yaklaşık 200 milyon yıl içinde tamamlanacağı öngörülüyor.