Çift kuasarlar arasındaki gerçek uzaklığı ölçmenin yeni yolu

Gökyüzünde yan yana görünen iki kuasar, gerçekten birbirine yakın mı, yoksa biri ötekinin milyonlarca ışık yılı gerisinde mi? Bu soruya yanıt vermek, galaksilerin ve onların merkezindeki süper kütleli kara deliklerin nasıl birleştiğini anlamak için kritik. Alberta Üniversitesi'nden Huanqing Chen'in önderliğindeki bir ekip, The Astrophysical Journal Letters'ta yayımlanan çalışmasında bu derinlik sorununu çözebilecek yeni bir yöntem öneriyor.

Kuasar nedir?

Kuasarlar, galaksilerin merkezindeki süper kütleli kara deliklerin çevresine düşen maddenin ısınarak inanılmaz bir parlaklıkla ışıması sonucu oluşan etkin galaksi çekirdekleri. İlk kuasar olan 3C 273, 1963'te Maarten Schmidt tarafından tanımlandı. Bu nesneler evrenin en parlak cisimleri arasında yer alıyor; bazıları Samanyolu gibi dev bir galaksinin tüm yıldızlarının toplamından yaklaşık yüz kat fazla ışık yayabiliyor.

İki galaksi birleşme yoluna girdiğinde, merkezlerindeki kara delikler de zamanla birbirine yaklaşıyor ve sonunda tek bir daha büyük kara delik oluşturuyor. Bu süreçte her iki kara delik de etkinse, gökyüzünde birbirine yakın iki kuasar görülebiliyor. Bu çiftler, kara delik birleşmelerinin öncülleri olarak değerli bir araştırma konusu.

Sorun: Derinliği görememek

Gökbilimciler, iki kuasarın gökyüzü düzlemindeki açısal ayrımını çok hassas biçimde ölçebiliyor. Asıl zorluk, görüş doğrultusundaki ayrımda. Bir galaksinin uzaklığı genellikle tayfındaki çizgilerin kırmızıya kaymasından hesaplanıyor. Ancak kuasarlarda etkin kara delikler gazı çoğu zaman çok yüksek hızlarla dışarı püskürtüyor. Bu gaz hareketleri ölçülen hızı galaksinin gerçek hızından saptırıyor ve görüş doğrultusundaki uzaklık hesabında 10 milyon ışık yılına varan hatalara yol açabiliyor.

Chen, gökyüzünde yakın görünen iki kuasarın aslında üç boyutlu evrenin iki boyutlu bir izdüşümü olduğunu vurguluyor. Gerçek fiziksel ayrımı bilmeden, bu iki galaksinin birleşip birleşmeyeceğini ya da ne kadar sürede birleşeceğini söylemek mümkün değil.

Çözüm: Kuasarın yakın çevresindeki saydam bölge

Chen, Michigan Üniversitesi'nden Camille Avestruz ve yüksek lisans öğrencisi Jakob Wiest ile birlikte, "kuasar yakınlık etkisi" adı verilen bir olguyu kullanmayı önerdi. Erken evrende galaksiler arası ortam, ışığı soğuran nötr hidrojenle dolu. Bir kuasarın güçlü ışınımı ise yakın çevresindeki hidrojeni iyonlaştırıp ısıtıyor ve bu bölgeyi saydam hale getiriyor. Kuasarın tayfında bu, hidrojen soğurma çizgilerinin seyreldiği bir "yakınlık bölgesi" olarak görünüyor.

Araştırmacıların fikri basit ama etkili. İki kuasar görüş doğrultusunda birbirinin önünde ve arkasında duruyorsa, arkadaki kuasarın ışığı öndekinin saydamlaştırdığı bölgeden de geçiyor. Bu durumda arkadaki kuasarın tayfında, kendi yakınlık bölgesine ek olarak, öndeki kuasarın konumuna karşılık gelen ikinci bir saydam bölge beliriyor. Chen bunu iki ampulle açıklıyor: Ampuller aynı noktadaysa tek bir aydınlık bölge görürsünüz; biri öne alınırsa ileride ikinci bir parlak leke çıkar ve bu lekenin ne kadar önde olduğu, ampuller arasındaki mesafeyi verir.

Ne kadar hassas?

Ekip, yöntemi benzetimle üretilmiş tayflar üzerinde sınadı. Basit bir tepe bulma algoritması, birbirine yakın kuasarlar için farklı uzaklık senaryolarını kolayca ayırt edebildi. Gerçek ayrım yaklaşık 3 megaparsekten fazla olduğunda yöntem yaklaşık 0,2 megaparseklik, yani yaklaşık 650 bin ışık yılı mertebesinde bir hassasiyete ulaşıyor; daha büyük uzaklıklarda belirsizlik artıyor. Bu, kırmızıya kayma yönteminin onlarca milyon ışık yılına varabilen hata payıyla kıyaslandığında büyük bir iyileşme.

Yöntemin en çekici yanı, yeni gözlem gerektirmemesi. Kuasar çiftlerinin halihazırda alınmış tayflarına uygulanabiliyor. Chen'e göre geleneksel yollarla gerçek ayrımı belirlemek yıllar sürecek ek gözlemler isteyebilir; bu yaklaşım ise ikinci bir gözleme gerek kalmadan sonuç verebilir.

Neden önemli?

Kuasar çiftlerinin gerçek uzaklıklarını bilmek, süper kütleli kara deliklerin ne sıklıkla ve ne hızla birleştiğini anlamaya yardımcı olacak. Bu birleşmeler, kütleçekim dalgası gözlemevlerinin gelecekte yakalamayı hedeflediği en güçlü sinyallerden birini üretiyor. Ayrıca galaksilerin büyümesinde birleşmelerin rolünü ölçmek, evrenin yapısının nasıl geliştiğini anlamak için temel bir adım.

Sırada ne var?

Çalışma şimdilik bir kavram kanıtı niteliğinde ve benzetilmiş verilere dayanıyor. Ekibin bir sonraki adımı, gerçek kuasar tayflarındaki daha ince ve küçük ölçekli özellikleri kullanarak yöntemin hassasiyetini artırmak ve yaklaşımı gözlenmiş kuasar çiftlerine uygulamak.

Kısaca

• Kırmızıya kayma ile ölçülen kuasar uzaklıklarında 10 milyon ışık yılına varan hatalar olabiliyor.
• Yeni yöntem, kuasarların çevresindeki saydam gaz bölgelerini kullanıyor.
• Benzetimlerde yüz binlerce ışık yılı mertebesinde hassasiyet elde edildi.
• Yöntem mevcut verilere yeni gözlem gerekmeden uygulanabilir.