2024’ün sonlarında sadece bir ay arayla çarpışan iki süper kütleli kara deliğin tespit edilmesi, bilim adamlarının evrendeki en ekstrem kozmik olayları yorumlama biçimini yeniden şekillendirdi. Bu ikiz birleşme, yalnızca kara deliklerin nasıl oluştuğuna ve evrimleştiğine dair yeni bilgiler sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda Albert Einstein’ın genel görelilik teorisinin öngörülerini benzersiz bir kesinlikle doğruluyor. Bulgular, araştırmacıların kara deliklerden enerji çıkarabilecek yeni, keşfedilmemiş parçacıkları keşfetmesine yardımcı olabilir.
28 Ekim’de yayınlanan bir çalışmada Astrofizik dergilerinden mektuplarUluslararası LIGO-Virgo-KAGRA işbirliği, geçen yılın Ekim ve Kasım aylarında kaydedilen olağandışı dönüş desenlerine sahip kara deliklerden gelen iki olağanüstü kütleçekimsel dalga sinyalinin tespit edildiğini duyurdu.
Uzay ve zamandaki dalgalanmalar kozmik çarpışmaları ortaya çıkarıyor
Yerçekimi dalgaları, büyük gök cisimleri çarpıştığında veya birleştiğinde uzay-zamanda oluşan küçük dalgalanmalardır. En güçlü sinyal çarpışan kara deliklerden gelir. İlk olay olan GW241011 (11 Ekim 2024), Dünya’dan yaklaşık 700 milyon ışıkyılı uzaklıkta, Güneşimizin yaklaşık 20 ila 6 katı kütleye sahip iki kara deliğin birleşmesiyle meydana geldi. Bunlardan en büyüğü, şimdiye kadar gözlemlenen en hızlı dönen kara delik olarak tanımlandı.
Yaklaşık bir ay sonra, yaklaşık 2,4 milyar ışıkyılı uzaklıkta ikinci bir olay olan GW241110 (10 Kasım 2024) tespit edildi. Bu birleşme yaklaşık 17 ila 8 güneş kütlesine sahip kara delikleri içeriyordu. Yörüngelerinde aynı yönde dönen çoğu kara deliğin aksine, GW241110’un ana kara deliği ters yönde dönüyor ve bu, böyle bir konfigürasyonun ilk gözlemini işaret ediyor.
Navigas de Laviegas Üniversitesi’nde astrofizik alanında yardımcı doçent olan ortak yazar Karl-Johan Haster, “Her yeni tespit, evren hakkında önemli bilgiler sağlıyor ve bize gözlemlenen her birleşmenin hem astrofiziksel bir keşif olduğunu hem de fiziğin temel yasalarını keşfetmek için paha biçilmez bir laboratuvar olduğunu hatırlatıyor” dedi. “Bunun gibi ikili dosyalar önceki gözlemlerde tahmin edilmişti, ancak bu onların varlığının ilk doğrudan kanıtıdır.”
Kara delik birleşmelerinin gizli yaşamını ortaya çıkarmak
Einstein, genel görelilik teorisinin bir parçası olarak ilk kez 1916’da kütleçekim dalgalarının varlığını öngördü. Varlıkları 1970’lerde dolaylı olarak doğrulandı, ancak bilim adamları, LIGO Gözlemevi’nin bir kara delik birleşmesiyle oluşturulan dalgaları tespit ettiği 2015 yılına kadar onları doğrudan gözlemlemediler.
Bugün LIGO-Virgo-KAGRA ağı, gelişmiş dedektörlerden oluşan küresel bir sistem olarak hizmet vermektedir. Ekip şu anda Mayıs 2023’te başlayan ve Kasım 2025 ortasına kadar devam edecek olan O4 olarak bilinen dördüncü gözlem görevinde bulunuyor. Bugüne kadar, devam eden bu görev sırasında bulunan adaylar da dahil olmak üzere yaklaşık 300 kara delik birleşmesi tespit edildi.
GW241011 ve GW241110’un yakın zamanda tespit edilmesi, yerçekimsel dalga astronomisinin kara delik sistemlerinin iç işleyişini çözmede ne kadar ileri gittiğini gösteriyor. Her iki olay da bu kara deliklerin bazılarının önceki birleşmelerin kalıntılarından oluşmuş “ikinci nesil” olabileceğini gösteriyor.
Cardiff Üniversitesi’nde profesör ve LIGO Bilimsel İşbirliği sözcüsü Stephen Fairhurst, “GW241011 ve GW241110, Ligo-Virgo-Cagra ağı tarafından gözlemlenen yüzlerce şeyin en yenisidir” dedi. “Her iki olayda da, diğerinden önemli ölçüde daha büyük ve daha hızlı dönen bir kara delik, bu kara deliklerin önceki kara delik birleşmelerinden oluştuğuna dair heyecan verici kanıtlar sağlıyor.”
Araştırmacılar, kara delik çifti arasındaki büyük kütle farkı (daha büyük olan, arkadaşının neredeyse iki katı kadar kütleye sahiptir) ve olağandışı dönüş yönleri de dahil olmak üzere birçok ilgi çekici desen gözlemledi. Bu özellikler, kara deliklerin, yoğun bölgelerdeki kara deliklerin yaşamları boyunca birçok kez çarpıştığı, hiyerarşik birleşme adı verilen bir süreç yoluyla oluştuğunu göstermektedir.
Williams College’dan yardımcı yazar ve yardımcı doçent Thomas Callister, “Bu iki ikili kara delik birleşmesi bize kara deliklerin geçmiş yaşamlarına dair şimdiye kadarki en ilginç bilgilerden bazılarını sağlıyor” dedi. “Bize bazı kara deliklerin yalnızca izole yoldaşlar olarak değil, yoğun, dinamik bir kalabalığın üyeleri olarak da var olduğunu öğretiyorlar. Gelecekte, bu olayların ve diğer gözlemlerin bize bu kalabalığa ev sahipliği yapan astrofiziksel ortam hakkında daha fazla şey öğretebileceğini umuyoruz.”
Einstein’ın teorisini aşırı koşullarda test etmek
GW241011’in tespitindeki olağanüstü hassasiyet, araştırmacıların Einstein’ın genel görelilik teorisini şimdiye kadar ölçülen en ekstrem ortamlardan birinde test etmesine olanak sağladı. Bu fenomen çok net bir şekilde yakalandığı için bilim insanları, sonuçları Einstein’ın denklemleri ve Roy Kerr’in dönen kara deliklerle ilgili açıklamasıyla yapılan tahminlerle karşılaştırabildiler.
GW241011’in hızlı dönüşü, şeklini hafifçe bozarak yerçekimsel dalgalar üzerinde benzersiz bir iz bıraktı. Verilerin analizi, Kerr’in modeliyle olağanüstü bir eşleşme gösterdi ve Einstein’ın tahminlerini rekor doğrulukla doğruladı.
Çarpışan kara deliklerin kütlelerindeki önemli fark, bir müzik enstrümanında duyulan bir tür harmonik olan “daha yüksek bir harmonik” yaratır. Yalnızca üçüncü kez açıkça görülen bu nadir özellik, Einstein’ın teorisinin başarılı bir şekilde test edilmesini sağlıyor.
Haster, “GW241011’in gücü, kara delik bileşenlerinin olağanüstü özellikleriyle birleştiğinde, kara deliklere dair anlayışımızı test etmek için benzeri görülmemiş bir yol sağlıyor” dedi. “Artık kara deliklerin Einstein ve Kerr’in öngördüğü şekle sahip olduğunu biliyoruz ve genel görelilik, birçok başarı listesine iki kontrol daha ekleyebilir. Bu keşif, Einstein’ın teorisinin dışında kalan her türlü yeni fiziğe karşı her zamankinden daha duyarlı olduğumuz anlamına geliyor.”
Yeni parçacıklar hakkında ipuçları aranıyor
Bu çalışmada gözlemlenen gibi hızla dönen kara deliklerin artık başka bir uygulaması var: parçacık fiziği. Bilim insanları bunları belirli hafif temel parçacıkların var olup olmadığını ve kütlelerini kontrol etmek için kullanabilirler.
Ultra hafif bozonlar olarak adlandırılan bu parçacıklar, bilinen tüm temel parçacıkları tanımlayan ve sınıflandıran parçacık fiziğinin Standart Modelinin ötesine geçen bazı teoriler tarafından tahmin edilmektedir. Eğer ultra hafif bozonlar mevcutsa, kara deliklerden dönme enerjisini çıkarabilirler. Zaman içinde ne kadar enerji elde edileceği ve kara deliğin dönüşünün ne kadar yavaşlayacağı bu parçacıkların kütlesine bağlıdır ve bu hala bilinmemektedir.
GW241011’i yayan ikili sistemdeki devasa kara deliğin milyonlarca veya milyarlarca yıl sonra bile hızla dönmeye devam ettiği gözlemi, çok çeşitli ultra hafif bozon kütlelerini dışlıyor.
“LIGO, Virgo ve KAGRA dedektörlerinin planlanan yükseltmeleri, benzer sistemlerin daha fazla gözlemlenmesini sağlayacak ve hem bu ikili kara delikleri yöneten temel fiziği hem de bunların oluşumuna yol açan astrofiziksel süreçleri daha iyi anlamamıza olanak sağlayacak.”
LIGO Livingston Gözlemevi saha şefi Joe Giaime, LIGO bilim adamlarının ve mühendislerinin son yıllarda dedektörlerde iyileştirmeler yaptığını ve bunun sonucunda GW241011 ve GW241110 için gereken hassas gözlemleri mümkün kılan tutarlı dalgaların doğru ölçümlerine olanak sağladığını belirtti.
“Gelişmiş hassasiyet, LIGO’nun yalnızca çok daha fazla sinyali tespit etmesine değil, aynı zamanda tespit ettiğimiz sinyallerin daha derin anlaşılmasına da olanak tanıyor” dedi.