Kara delikler büyümek için galaksi çarpışmalarına muhtaç olmayabilir

Galaksilerin merkezindeki süper kütleli kara deliklerin büyümesinde galaksi çarpışmalarının ne kadar pay sahibi olduğu, gökbilimin uzun süredir tartışılan sorularından biri. Oxford Üniversitesi'nden Sophie M. Jewell'in yönettiği bir ekip, Karanlık Enerji Tayfsal Aracı (DESI) verilerini kullanarak bu soruya yeni bir yanıt getirdi: Kara delikler, şiddetli birleşmeler yaşamadan da galaksileriyle birlikte büyüyebilir. Çalışma Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dergisinde yayımlandı.

Çıkıntısız galaksiler neden önemli?

Bir galaksinin merkezindeki kara deliğin kütlesi, galaksinin bazı özellikleriyle sıkı biçimde ilişkili. Merkezdeki yıldızlardan oluşan şişkin bölgeye, yani "çıkıntıya" ait kütle, galaksinin toplam yıldız kütlesi ve merkezdeki yıldızların hız dağılımı büyüdükçe kara delik de büyüyor. Bu ilişkiler, kara delik ile içinde bulunduğu galaksinin birlikte evrildiğini düşündürüyor.

Uzun süre bu birlikte evrimin başlıca motorunun büyük galaksi birleşmeleri olduğu düşünüldü. İki galaksi çarpıştığında merkeze büyük miktarda gaz akıyor, hem yıldız oluşumu hem de kara deliğin beslenmesi hızlanıyor. Bu tür birleşmeler aynı zamanda galaksinin merkezinde belirgin bir çıkıntı bırakıyor. Bu yüzden çıkıntı, geçmişteki büyük birleşmelerin bir izi sayılıyor.

Bir galaksinin birleşme geçmişini doğrudan görmek mümkün değil. Merkezinde çıkıntı bulunmayan ya da çok küçük bir çıkıntısı olan "çıkıntısız" galaksiler ise dolaylı bir sınama imkânı sunuyor: Bunlar büyük olasılıkla büyük bir birleşme yaşamamış galaksiler.

Webb'in karıştırdığı tablo

Son yıllarda iki gözlem bu soruyu yeniden gündeme taşıdı. James Webb Uzay Teleskobu, çok uzak, yani çok erken evrende, yakın evrendeki ilişkilere göre galaksilerine kıyasla "fazla büyük" görünen kara delikler buldu. Webb ayrıca erken evrende beklenenden çok daha fazla disk galaksisi saptadı. Diskler büyük birleşmelerin kolayca bozduğu kırılgan yapılar olduğundan, birleşme yaşamamış bu galaksilerde kara deliklerin nasıl büyüdüğü sorusu öne çıktı.

Bilgisayar simülasyonları, kozmik zaman boyunca kara delik büyümesinin büyük kısmının birleşmelerle değil, galaksinin içindeki çubuklar ve sarmal kollar boyunca merkeze süzülen gaz gibi yavaş süreçlerle gerçekleştiğini öngörüyordu. Ancak bunu gözlemle sınamak zordu.

Ekip ne yaptı?

Araştırmacılar, merkezinde etkin biçimde madde yutan bir kara delik bulunan 2.435 disk galaksisi topladı. Her galaksinin ışık profili, GALFITM adlı otomatik bir görüntü işleme yöntemiyle bileşenlerine ayrıldı: merkezdeki nokta kaynak, disk ve varsa çıkıntı ya da çubuk. Bu ayrıştırma sonucunda 546 galaksinin gerçekten çıkıntısız olduğu, 240 galaksinin ise bir miktar çıkıntı taşıdığı belirlendi. Yöntemin güvenilirliği, gerçek görüntülere yapay çıkıntılar eklenip bunların yeniden bulunup bulunamadığına bakılarak sınandı.

Kara deliklerin kütlesi ise hidrojen atomunun yaydığı hidrojen-alfa çizgisinden kestirildi. Kara deliğin çevresinde hızla dönen gaz bu çizgiyi genişletiyor; çizginin genişliği ve parlaklığı, kara deliğin kütlesi hakkında bilgi veriyor.

Bulgular

Sonuç açık: Çıkıntısız galaksilerdeki kara delik kütlesi ile galaksinin toplam yıldız kütlesi arasındaki ilişki, çıkıntılı galaksilerdekiyle uyumlu çıktı. Yani merkezinde çıkıntı bulunmayan galaksiler de kara deliklerini en az çıkıntılı olanlar kadar etkili biçimde büyütüyor.

Kara delik kütlesi yalnızca çıkıntı kütlesiyle karşılaştırıldığında ise iki grup keskin biçimde ayrıştı. Çıkıntısız galaksilerin kara delikleri, küçük çıkıntılarına göre "aşırı kütleli" kaldı. Bu, kara delik büyümesinin esas olarak birleşmelerle gerçekleştiğini savunan modelin beklentisinin tam tersi.

Ekibin modellemesi, bu kara deliklerin gözlenen kütlelerine birleşme olmadan da makul bir sürede ulaşabileceğini gösterdi. Beslenmeyi büyük olasılıkla yıldız çubukları ve sarmal kollar sağlıyor: Örnekteki galaksilerin yaklaşık üçte ikisinde çubuk, büyük çoğunluğunda ise belirgin sarmal kollar görülüyor. Bu yapılar gazı merkeze verimli biçimde taşıyabiliyor.

Simülasyonlar için uyarı

Çalışma, büyük kozmolojik simülasyonlar için de bir sorun ortaya koyuyor. Horizon-AGN gibi simülasyonlar, DESI örneğinde bol miktarda bulunan düşük kütleli kara delikleri üretmekte zorlandı. Araştırmacılara göre bu birden çok simülasyonda tekrar eden bir eksiklik ve kara delik nüfusunun önemli bir bölümü simülasyonlarda yeterince temsil edilmiyor olabilir.

DESI nedir?

DESI, ABD'nin Arizona eyaletindeki Kitt Peak Ulusal Gözlemevi'nde bulunan Mayall Teleskobu'na yerleştirilmiş bir tayf aracı. Odak düzlemindeki 5.000 küçük robot, her biri ayrı bir lif tutarak aynı anda binlerce gök cisminin ışığını toplayabiliyor. Mayıs 2021'de başlayan beş yıllık ana tarama Nisan 2026'da tamamlandı. Mart 2025'te yayımlanan ilk veri sürümü, yaklaşık 18,7 milyon cismin tayfını içeriyordu. Aracın asıl amacı karanlık enerjiyi incelemek olsa da topladığı dev veri seti galaksi ve kara delik araştırmaları için de paha biçilmez.

Sırada ne var?

Ekip, Avrupa Uzay Ajansı'nın Euclid teleskobu ile Ağustos 2026'da fırlatılan NASA'nın Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu'nun daha keskin ve geniş alanlı görüntüleriyle, bugün seçilemeyen sönük ve küçük çıkıntıların da yakalanabileceğini umuyor. Böylece bu galaksilerin gerçekten ne kadar "çıkıntısız" olduğu netleşecek ve kara deliklerin sessiz büyümesi daha kesin biçimde ölçülebilecek.

Kısaca

• DESI verileriyle etkin kara delik barındıran 2.435 disk galaksisi incelendi.
• 546 galaksi gerçekten çıkıntısız çıktı.
• Bu galaksiler kara deliklerini çıkıntılı galaksiler kadar etkili büyütüyor.
• Gaz akışını büyük olasılıkla çubuklar ve sarmal kollar sağlıyor.