Erken evrenin dev kara delikleri yıldız çarpışmalarından doğmuş olabilir

James Webb Uzay Teleskobu, evrenin çok genç olduğu dönemde, beklenenden çok daha sıkı ve yoğun yıldız sistemleri ile hızla büyüyen kara delikler gösteriyor. Bu kara deliklerin kısa sürede nasıl bu kadar kütle kazandığı hâlâ açık bir soru. The Astrophysical Journal'da 26 Ekim'de yayımlanan bir çalışma, cevabın kalabalık yıldız kümelerinde yaşanan yıldız çarpışmalarında olabileceğini öne sürüyor.

Çalışmanın baş yazarı, Kaliforniya Üniversitesi Los Angeles'ta (UCLA) doktora öğrencisi Claire E. Williams. UCLA'dan astrofizikçi Smadar Naoz'un da aralarında bulunduğu 11 kişilik ekip, erken evrendeki yoğun yıldız ortamlarını tek bir çerçevede inceleyen bir model geliştirdi.

Kalabalık kümede yıldızlar birbirine çarpıyor

Bugünkü evrende yıldızların birbirine çarpması çok nadir görülür; yıldızlar arasındaki mesafeler çok büyüktür. Ancak Samanyolu'nun merkezindeki süper kütleli kara delik Sgr A* çevresindeki çekirdek yıldız kümesi gibi aşırı yoğun bölgeler bir istisna. Makaleye göre orada yaşanan çarpışmalar, yaşlı yıldızların birleşerek genç ve kütleli yıldızlar gibi görünmesi gibi alışılmadık sonuçlar doğurabiliyor. Neredeyse her galaksinin merkezinde süper kütleli bir kara delik bulunması da çarpışmaya elverişli ortamların evrende yaygın olduğuna işaret ediyor.

Webb'in kütleçekimsel mercek etkisiyle büyütülmüş gözlemleri, erken evrende yıldız oluşumunun son derece kümelenmiş olduğunu gösterdi. Bazı genç kümelerde yüzey yoğunluğu, parsek kare başına 100 bin Güneş kütlesini aşıyor. Bu kümelerin bugünkü küresel yıldız kümelerinin ya da galaksi çekirdeklerindeki yıldız kümelerinin atası olabileceği düşünülüyor.

Model nasıl kuruldu?

Ekip, kümenin merkezinden dışına doğru katman katman çalışan analitik bir model kurdu. Başlangıç koşullarını yüksek çözünürlüklü kozmolojik simülasyonlardan aldı; böylece kümelerin boyutu, kütlesi, yoğunluk dağılımı, merkezdeki kara deliğin kütlesi ve çift yıldız oranı gibi pek çok değişkeni geniş bir aralıkta taradı. Modelin öngörüleri, ayrıca Monte Carlo simülasyonlarıyla sınandı ve iki yöntem önemli durumlarda uyumlu sonuç verdi.

Makaleye göre en katı parametre seçimleriyle bile, kırmızıya kaymanın 12 ile 5 arasında olduğu dönemde, yani evrenin ilk bir milyar yılı dolaylarında, pek çok sıkı sistemde yıldız çarpışmaları dinamik olarak önem taşıyor.

İki farklı yol: dev yıldız ya da yoğun gaz

Modelin en dikkat çekici sonucu, kümenin merkezinde kütleli bir kara delik olup olmamasına göre iki ayrı yol çıkması:

• Kara deliksiz kümeler: Çarpışmalar genellikle "yapıcı" oluyor; yani yıldızlar birleşip büyüyor. Birleşme ürünleri kümenin merkezine çöküyor ve art arda çarpışmalarla hızla "çok kütleli bir yıldız" oluşuyor. Bu dev yıldızlar ömürlerinin sonunda orta kütleli ya da süper kütleli kara deliklere dönüşebilir.
• Süper kütleli kara delikli kümeler: Kara deliğin yakınında yıldızlar çok hızlı hareket ettiği için çarpışmalar "yıkıcı" oluyor; yıldızlar parçalanıp gaza dönüşüyor. Bu da kara deliğin çevresinde kısa sürede çok yoğun bir gaz birikmesine yol açıyor.

İkinci yol, Webb'in erken evrende bulduğu "küçük kırmızı noktalar" ile ilgili. Bu küçük ve kırmızı görünen nesnelerin, kalın bir gaz örtüsüyle sarılmış ve hızla büyüyen kara delikler barındırabileceği düşünülüyor; ama tamamen yıldızlardan oluştuklarını savunan modeller de var. Ekip, yıkıcı çarpışmaların ürettiği yoğun gazın küçük kırmızı noktalara benzer bir ortam yaratabileceğini gösteriyor. Makaleye göre bu nesnelerin yoğunlukları, 10 bin ile 100 bin Güneş kütlesi arasında çok kütleli yıldızların oluşmasına yetecek düzeyde; bu da onların dinamik açıdan kara delik barındırma olasılığının yüksek olduğunu düşündürüyor.

Ekip ayrıca Webb'in mercekle büyütülmüş görüntülerinde incelenen bazı genç kümelerin, yoğunluk yapılarına bağlı olarak 1.000 ile 10.000 Güneş kütlesi arasında dev bir yıldızı barındırmış olabileceğini belirtiyor. Çarpışmalarla serbest kalan gazın azotça zengin olması bekleniyor; bu da küresel kümelerde gözlenen alışılmadık azot bolluğuyla bağlantılı olabilir.

Sınırlar ve sıradaki adım

Yazarlar, analitik yaklaşımın belirli bir sistemi birebir yeniden üretmediğini vurguluyor. Çarpışmalarda kaybedilen kütlenin kaba tahmini, kümedeki gazın hesaba katılmaması ve birleşmeden sonra hesabın durdurulması, çarpışma oranlarını olduğundan düşük gösterebilir. Öte yandan kara deliksiz kümelerde yoğunluk yapısının zamanla değişmesi modele girmediği için bazı oranlar olduğundan yüksek de çıkabilir. Ekip, kara delik barındıran kümelerde yıldızların parçalanma olaylarının sıklığını ise gelecekteki çalışmalara bıraktı.

Çalışma, Webb'in gözlediği kompakt kümeler, küçük kırmızı noktalar ve ilk kara delik tohumlarını aynı fiziksel süreçle ilişkilendirmesi bakımından önemli. Fikrin doğrulanması için daha fazla erken evren kümesinin ayrıntılı gözlemi ve çarpışmaları doğrudan izleyen sayısal simülasyonlar gerekecek.