Samanyolu'nun merkezindeki kara delik dönüş enerjisini saçıyor olabilir

Süper kütleli kara delikler evrenin en güçlü enerji kaynakları arasında; ancak bu enerjinin büyük bölümü kara deliğin kendisinden değil, çevresinde dönen ve aşırı ısınan maddeden geliyor. Fizik yasaları başka bir yola da izin veriyor: Dönen bir kara deliğin dönüş enerjisinin bir kısmını doğrudan çekip almak. 3 Eylül 2026'da arXiv'de yayımlanan bir çalışma, Samanyolu'nun merkezindeki kara delik Sagittarius A*'nın (Sgr A*) bu yolla parçacıkları olağanüstü enerjilere hızlandırıyor olabileceğini ve bunun izinin gelecekteki gözlemevleriyle yakalanabileceğini öne sürüyor.

Penrose süreci nedir?

İngiliz fizikçi Roger Penrose, 1969'da dönen kara deliklerden enerji çekmenin kuramsal olarak mümkün olduğunu gösterdi. Penrose, kara deliklerin oluşumuna dair çalışmalarıyla 2020 Nobel Fizik Ödülü'nün de sahiplerinden biri oldu.

Sürecin kilit noktası ergosfer. Dönen bir kara delik, çevresindeki uzay-zamanı da kendisiyle birlikte sürükler. Olay ufkunun hemen dışında bu sürüklenme o kadar güçlenir ki hiçbir cisim, ışık bile, yerinde duramaz; kara deliğin dönüş yönünde hareket etmek zorundadır. Ergosfer adı verilen bu bölgeden kaçmak ise hâlâ mümkündür.

Penrose'un düşünce deneyinde ergosfere giren bir cisim ikiye ayrılır. Parçalardan biri, dışarıdan bakan bir gözlemciye göre "negatif enerjili" bir yörüngeye girerek kara deliğe düşer. Enerjinin korunumu gereği diğer parça, ergosferden başlangıçta sahip olduğundan daha fazla enerjiyle çıkar. Aradaki fark kara deliğin dönüş enerjisinden karşılanır; kara delik biraz yavaşlar ve kütlesi azalır. Klasik haliyle süreç sınırlı bir verim sunar; tek bir parçacığın bozunmasıyla kazanılabilecek enerji, en hızlı dönen kara delikte bile parçacığın kütle enerjisinin yaklaşık yüzde 20'si kadar. Ancak işin içine manyetik alanlar girdiğinde, yüklü parçacıklar çok daha büyük enerji kazanabiliyor. Bu varyasyona manyetik Penrose süreci deniyor.

Nötronlar ergosferde

Marina Cermeño ve meslektaşlarının çalışması bu süreci Sgr A* için hesaplıyor. Yaklaşık 4,3 milyon Güneş kütlesindeki bu kara delik Dünya'dan yaklaşık 27.000 ışık yılı uzakta; Olay Ufku Teleskobu, onun ilk görüntüsünü Mayıs 2022'de yayımlamıştı.

Araştırmacılar, kara deliğin çevresindeki ortamda nükleer tepkimelerle üretilen nötronları ele aldı ve bu nötronların eğri uzay-zamandaki yörüngelerini izleyerek hangilerinin ergosfere girebildiğini hesapladı. Nötronun elektrik yükü yok; ancak serbest bir nötron, bir proton, bir elektron ve bir antinötrinoya bozunur. Bu bozunma ergosferde gerçekleştiğinde Penrose'un "ikiye ayrılma" adımının yerini tutuyor. Ortaya çıkan yüklü proton ve elektron, kara deliğin çevresindeki manyetik alanla etkileşiyor. Ekibin hesaplarına göre bu yolla protonlar peta elektronvolt (PeV) düzeyine, yani bir milyon milyar elektronvolta kadar hızlandırılabiliyor. Bu, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki protonların enerjisinin yüz katını aşıyor.

Galaktik bir PeVatron mu?

Bu sonuç, uzun süredir tartışılan bir soruya bağlanıyor. Dünya'ya ulaşan kozmik ışınlar arasında PeV enerjili protonlar var ve Samanyolu içinde bunları hangi kaynakların ürettiği tam bilinmiyor. Bu tür hızlandırıcılara "PeVatron" deniyor. H.E.S.S. gama ışını gözlemevi, 2016'da Galaksi merkezinin yakınında PeV enerjilerine ulaşan protonların izlerini bildirmişti. Yeni çalışma, Sgr A*'nın bu PeVatron için güçlü bir aday olduğu yorumunu destekliyor.

Işık ve nötrinoyla çifte iz

Hızlandırılan protonlar ergosferden neredeyse ışık hızında kaçıp kara deliğin çevresindeki moleküler bulutun gazına çarptığında yüksek enerjili gama ışınları üretmeli. Nötron bozunmasının kendisi ve bu çarpışmalar nötrino da üretiyor. Böylece süreç, hem ışık hem de nötrino ile izlenebilecek "çok haberci" bir imza bırakıyor.

Sorun, bu sinyallerin bugünkü aygıtlarla seçilemeyecek kadar sönük olması. Ancak yazarlar, öngörülen sinyallerin incelenen tüm senaryolarda Güney Yarımküre'de kurulması planlanan geniş açılı gama ışını gözlemevi SWGO'nun hedeflenen duyarlılığı içinde kaldığını belirtiyor. Meksika'daki HAWC gözlemevinin geliştirilmiş sürümleri ve Antarktika'daki IceCube nötrino gözlemevinin yeni nesli de bu tür sinyalleri arayabilecek aygıtlar arasında.

Neden önemli?

Penrose süreci yarım yüzyıldır büyük ölçüde kâğıt üzerinde kalmış bir düşünce. Gözlemsel bir kanıt, kara deliklerin yalnızca madde yutan değil, dönüş enerjileri çekilip alınabilen dinamik nesneler olduğunu doğrudan gösterecek. Çalışma henüz hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir ön baskı; sonuçların sınanması, gelecek on yılın gözlemevlerine kalıyor.

Kısaca

• Penrose süreci, dönen kara deliklerin ergosferinden enerji çekmeyi tarif ediyor.
• Yeni hesaplar, Sgr A*'nın ergosferindeki nötron bozunmalarının protonları PeV düzeyine çıkarabileceğini gösteriyor.
• Süreç gama ışını ve nötrinodan oluşan bir imza bırakmalı.
• Sinyaller bugün sönük, ancak SWGO gibi gelecekteki gözlemevlerinin erişiminde.