Astrofizikçiler, M87’nin Dev Kara Deliğinden Gelen Gama Işını Patlamasının Büyüleyici Görüntülerini Yakaladı

İlk kez 2019 yılında bir kara deliğin fotoğrafı, Event Horizon Telescope (EHT) tarafından yayınlandığında dünyayı sarstı. Bu fotoğraf, Virgo A veya NGC 4486 olarak da bilinen M87 galaksisinin merkezindeki süper kütleli kara deliği gösteriyor. Bu kara delik, bilim insanlarını yine şaşırttı; çünkü bir teraelektronvolt gama ışını patlaması keşfedildi. Bu patlama, görünür ışıktan milyarlarca kat daha enerjik fotonlar yayıyor. On yılı aşkın bir süredir gözlemlenen en yoğun patlama olan bu olay, kara deliklerin etrafındaki aşırı ortamlarda elektron ve pozitron gibi parçacıkların nasıl hızlandırıldığına dair önemli bilgiler sağlıyor.

M87’nin merkezinden çıkan jet, etkinlik ufkunu – yani kara deliğin yüzeyini – yedi kat daha fazla büyük; bu da otuz milyon katının üzerinde bir büyüklük anlamına geliyor. Gama ışını patlamasının yaydığı parlak yüksek enerjili emisyon, kara delik bölgesinden tipik olarak algılanan enerji seviyelerinin oldukça üzerindeydi. Patlama yaklaşık üç gün sürdü ve muhtemelen üç ışık-gününden daha küçük bir alandan, yani 15 milyar milden biraz daha az bir mesafeden oluştu.

Gama ışını, elektromanyetik enerjinin bir paketi olarak bilinen bir fotondur. Gama ışınları, elektromanyetik spektrumda herhangi bir dalga boyundaki en fazla enerjiye sahiptir ve kara deliklerin etrafındaki sıcak ve enerjik bölgelerde üretilir. M87’nin gama ışını patlamasındaki fotonların enerji seviyeleri birkaç teraelektronvolta kadar çıkmaktadır. Teraelektronvolt, altatomik parçacıkların enerjisini ölçmek için kullanılır ve bir hareket halindeki sivrisineğin enerjisine eşdeğerdir. Ancak bu, bir sivrisinekten trilyonlarca kat daha küçük parçacıklar için muazzam bir enerji miktarıdır. Birkaç teraelektronvolt enerjiye sahip fotonlar, görünür ışığın bileşenlerini oluşturan fotonlardan çok daha enerjik durumdadır.

Madde kara deliğe doğru düşerken, parçacıkların yerçekimi potansiyel enerjisini kaybetmeleri nedeniyle bir akresyon diski oluşur ve bazı parçacıklar güçlü manyetik alanlar tarafından yönlendirilerek kara deliğin kutuplarından dışarı doğru fırlatılır. Bu süreç düzensizdir ve genellikle “patlama” adı verilen ani enerji boşalmalarına neden olur. Ancak gama ışınları, Dünya’nın atmosferini geçemez. Fizikçiler 70 yıl kadar önce, gama ışınlarının atmosferle çarpıştıklarında üretilen ikincil radyasyonu gözlemleyerek yerde tespit edilebileceğini keşfetmişlerdir.

“Parçacıkların kara deliğin yakınında veya jetin içerisinde nasıl hızlandırıldığına hâlâ tam olarak hâkim değiliz,” diyor UCLA’dan postdoktor araştırmacı Weidong Jin ve bulguları tanımlayan uluslararası bir ekibin makalesinin eş yazarı. “Bu parçacıklar o kadar enerjik ki, ışık hızına yakın bir hızda hareket ediyorlar ve bu enerjiye nereden ve nasıl sahip olduklarını anlamak istiyoruz. Çalışmamız, bu galaksi için daha önce toplanmış en kapsamlı spektral verileri sundu ve bu süreçleri aydınlatmaya yönelik modellemeler içermektedir.”

Jin, VERITAS adı verilen ve Güney Arizona’daki Fred Lawrence Whipple Gözlemevi’nde çalışan yer tabanlı bir gama ışını aracından elde edilen en yüksek enerji verilerinin analizine katkıda bulundu. UCLA, VERITAS’ın elektronik sistemlerinin geliştirilmesi ve teleskop verilerini analiz etmek için bilgisayar yazılımının geliştirilmesinde önemli bir rol oynamıştır. Bu analiz, tabandaki değişikliklerle birlikte patlamanın tespit edilmesine yardımcı olmuştur.

NASA’nın Fermi-LAT, Hubble Uzay Teleskobu, NuSTAR, Chandra ve Swift teleskoplarının da dahil olduğu yirmiden fazla yüksek profilli yer ve uzay tabanlı gözlem tesisleri, 2018 yılı itibarıyla bu ikinci EHT ve çok dalga boylu kampanyaya katılmıştır. Bu gözlemevleri, X-ışını fotonlarına ek olarak yüksek enerjili ve çok yüksek enerjili gama ışınlarına duyarlıdır.

Bu çalışmada kullanılan önemli veri setlerinden birine spektral enerji dağılımı denir.

“Spectrum, astronomik kaynaklardan gelen enerjinin, ışığın farklı dalga boylarına nasıl dağıtıldığını açıklar,” diyor Jin. “Bu, ışığı bir gökkuşağına ayırmak ve her renk için mevcut enerji miktarını ölçmek gibidir. Bu analiz, süper kütleli kara delik jetinde yüksek enerjili parçacıkların hızlandırılmasını sağlayan farklı süreçleri ortaya çıkarmamıza yardımcı olur.”

Makalenin yazarları tarafından yapılan daha fazla analiz, halkalı alanın, yani etkinlik ufkunun, konumunda ve açısında belirgin bir değişiklik buldu; bu da parçacıklar ile etkinlik ufku arasındaki fiziksel ilişkinin farklı boyut ölçeklerinde jetin konumunu etkilediğini göstermektedir.

“M87’nin kara deliğini en çarpıcı özelliklerinden biri, çekirdekten binlerce ışık yılına kadar uzanan bipolar bir jet.” diyor Jin. “Bu çalışma, patlama sırasında çok yüksek enerji gama ışını emisyonunun kökenini araştırmak ve patlamaya neden olan parçacıkların hızlandırıldığı yeri belirlemek için eşsiz bir fırsat sundu. Bulgularımız, Dünya’da tespit edilen kozmik ışınların kökenleri hakkında uzun zamandır devam eden bir tartışmayı çözmeye yardımcı olabilir.”

Bu yazı sitesinde sciencedaily.com yayınlanmıştır.