Erken evrende yıldızlar sık sık çarpışmış olabilir: kara delik tohumları için yeni model

Bugünkü evrende yıldız çarpışmaları son derece nadir: Yıldızlar arasındaki uzaklıklar o kadar büyük ki iki yıldızın birbirine değmesi neredeyse hiç olmuyor. Ancak UCLA'dan doktora öğrencisi Claire E. Williams ve Smadar Naoz'un öncülüğündeki bir ekibin geliştirdiği modele göre genç evrende durum çok farklıydı. Sıkışık yıldız kümelerinde çarpışmalar olağan sayılabilecek sıklıktaydı ve bu çarpışmalar, erken evrendeki süper kütleli kara deliklerin tohumlarını üretmiş olabilir. Çalışma ön baskı olarak arXiv'de paylaşıldı ve henüz hakem değerlendirmesinden geçmiş değil.

Ekipte UCLA'nın yanı sıra Northwestern Üniversitesi, Rutgers Üniversitesi, Flatiron Enstitüsü ve Tokyo Üniversitesi'nden araştırmacılar yer alıyor.

Webb'in gösterdiği sıkışık kümeler

Model, James Webb Uzay Teleskobu'nun açtığı bir tablonun üstüne kuruluyor. Makaleye göre hem gözlemler hem kozmolojik simülasyonlar, erken evrenin çok sayıda sıkışık ve yoğun yıldız sistemi barındırdığını gösteriyor. Kütleçekimsel mercek etkisiyle büyütülen uzak galaksilerin incelemeleri, ilk yıldız oluşumunun son derece kümelenmiş olduğunu ve bazı kümelerin parsek kare başına 100 bin Güneş kütlesini aşan yoğunluklara ulaştığını ortaya koymuştu.

Webb'in bir başka bilmecesi de "küçük kırmızı noktalar". Erken evrende görülen bu çok sıkışık, kırmızımsı nesnelerin merkezinde hızla büyüyen bir kara delik olduğu düşünülüyor, ama doğaları hâlâ tartışmalı. Aynı şekilde, yıldız ölümünden doğan kara deliklerle galaksi merkezlerindeki dev kara delikler arasında kalan "orta kütleli" kara delikler de neredeyse hiç gözlenemiyor.

Model ne söylüyor?

Araştırmacılar, yoğun yıldız sistemlerinin dinamiğini merkezden dışa doğru katman katman izleyen analitik bir çerçeve geliştirdi. Başlangıç koşulları yüksek çözünürlüklü kozmolojik simülasyonlardan alındı; analitik öngörüler ayrıca Monte Carlo simülasyonlarıyla sınandı ve temel durumlarda iyi uyum gösterdi. İncelenen kümeler 0,2 ile 100 parsek yarıçap, saniyede 2 ile 200 kilometre hız dağılımı ve 10 bin ile 1 milyar Güneş kütlesi arasında değişiyor.

Modelde çarpışmalar iki türlü sonuçlanıyor. Görece yavaş çarpışmalarda yıldızlar birleşiyor ve daha büyük bir yıldıza dönüşüyor. Çok hızlı çarpışmalarda ise yıldızlar parçalanıyor ve gazlarını çevreye saçıyor. Kara deliği olmayan kümelerde birleşmeler baskın: Birleşme ürünü ağır yıldızlar kümenin merkezine çöküyor ve art arda gelen birleşmeler "çok kütleli yıldız" denen devler üretiyor. Makaleye göre tipik yıldız kütlesi Güneş kadar olduğunda, 200 Güneş kütlesini aşan bir dev için kümenin yarı kütle yoğunluğunun parsek küp başına yaklaşık 100 bin Güneş kütlesini geçmesi gerekiyor; bazı yoğun kümelerde dev yıldızın kütlesi 100 bin Güneş kütlesini aşabiliyor.

Böyle bir dev yıldız ömrünün sonunda çökerek orta kütleli bir kara delik oluşturabilir. Kümede bir kara delik varsa tablo değişiyor: Kara deliğin çekimiyle hızlanan yıldızlar merkeze yakın bölgede birleşmek yerine parçalanıyor ve kara deliğin çevresinde çok yoğun bir gaz ortamı birikiyor. Ekip, bu yoğun gazın gözlenen küçük kırmızı noktalara bir benzer oluşturabileceğini öne sürüyor. Yoğun bir yıldız kümesinin ortasında duran bir kara deliğin yakın evrendeki örneği, Samanyolu'nun merkezi.

Sınırlar ve açık sorular

Çalışma, yıldız çarpışmalarını erken kara deliklerin kaynağı olarak öneren ilk çalışma değil; katkısı, bu fikri kozmolojik bağlama yerleştiren ve gözlemlerle sınanabilir sonuçlar üreten bir çerçeve sunması. Yine de bir model olarak sınırları var: Yazarlar, kara deliğin çevresinde biriken gazın kara deliğe düşmesini ya da geri besleme süreçleriyle kümeden atılmasını ayrıntılı biçimde modellemediklerini belirtiyor. Küçük kırmızı noktaların gerçekten çarpışmalarla dolu yoğun kümeler olup olmadığını, bu nesnelerin tayflarındaki ayrıntılı izler ve Webb'in yeni gözlemleri gösterecek.