Pulsarlar kozmik şafaktaki dev kara delik çiftlerine ilk doğrudan kütle sınırını koydu

James Webb Uzay Teleskobu ve yerdeki teleskoplar, evren henüz bir milyar yaşına varmamışken kütlesi Güneş'in milyarlarca katına ulaşan kara delikler barındıran kuasarlar ve gökadalar buldu. Bu devlerin bu kadar kısa sürede nasıl büyüdüğü bilinmiyor. Olası yollardan biri, kara deliklerin çiftler hâlinde birbirinin çevresinde dolanıp birleşmesi. Physical Review Letters'da yayımlanan yeni bir çalışma, "kozmik şafak" denen bu döneme ait süper kütleli kara delik çiftleri için kütleçekim dalgalarıyla elde edilen ilk doğrudan sınırları ortaya koydu.

Çalışmayı Pekin Normal Üniversitesi'nden Yiqin Chen ve Shi-Yi Zhao eşit katkıyla yürüttü; sorumlu yazar aynı üniversiteden Xingjiang Zhu. Ekipte Avustralya'nın ulusal bilim kurumu CSIRO'dan ve çeşitli Avustralya üniversitelerinden araştırmacılar da var.

Galaksi büyüklüğünde bir dedektör

Birbirinin çevresinde dolanan iki dev kara delik, uzay-zamanda kütleçekim dalgaları denen dalgalanmalar yaratır. Bu kadar büyük kütleli çiftlerde dolanımlar çok uzun sürer ve dalgaların frekansı nanohertz düzeyine iner. Bu dalgalar, yıldız kütleli kara delik birleşmelerini yakalayan Dünya'daki lazer dedektörlerinin duyamayacağı kadar yavaştır.

Bu yüzden gökbilimciler pulsar zamanlama dizilerine başvuruyor. Milisaniye pulsarları, kendi ekseni çevresinde saniyede yüzlerce kez dönen ve her dönüşte bir radyo atımı gönderen nötron yıldızları; atımları kozmik bir saat kadar düzenli. Galaksiden geçen bir kütleçekim dalgası bu atımların varış zamanlarını çok küçük miktarlarda kaydırıyor ve kayma bütün dizide ortak bir desen oluşturuyor. Çalışmada Avustralya'daki Parkes radyo teleskobuyla yürütülen Parkes Pulsar Zamanlama Dizisi'nin üçüncü veri yayınındaki, yaklaşık 18 yıla yayılan gözlemler kullanıldı. Veri setindeki 32 milisaniye pulsarından kütleçekim dalgalarına duyarlılığı ihmal edilebilir düzeyde olan ikisi dışarıda bırakıldı ve analiz 30 pulsarla yapıldı.

Uzaklık her zaman sinyali zayıflatmıyor

Makaleye göre bu alandaki standart aramalar evrenin genişlemesinden kaynaklanan kırmızıya kaymayı göz ardı ediyor ve gözlenen kütleyi doğrudan kaynağın gerçek kütlesi gibi yorumluyor. Bu yaklaşım yakın evrende işe yarıyor, ama çok uzak çiftlerin kütlesini yanlış ölçeklendiriyor. Ekip kırmızıya kaymayı hesaba katan bir çerçeve geliştirdi.

Bu çerçevenin şaşırtıcı bir sonucu var. Uzak bir kaynaktan gelen dalga, yolda gerilerek frekansı düşmüş biçimde ulaşıyor. Belirli bir frekansta gözlenen dalga, uzak bir çift için aslında daha yüksek bir frekansta, yani kara deliklerin birbirine daha çok yaklaştığı ve daha güçlü dalgalar yaydığı bir evrede salınmış demek. Bu güçlenme, uzaklığın yol açtığı sönükleşmeyi dengeleyebiliyor; makaleye göre yaklaşık 2,6 kırmızıya kaymanın ötesinde baskın da çıkıyor. Kuramcıların on yıl önce "kırmızıya kayma yanlılığı" adıyla öngördüğü bu davranış, pulsar dizilerinin çok uzak kaynakları da etkili biçimde yoklayabileceği anlamına geliyor.

İki uç hedef

Ekip, konumu ve uzaklığı elektromanyetik gözlemlerle bilinen iki hedefe yönelik aramalar yaptı. Birincisi 6,327 kırmızıya kaymasındaki son derece parlak kuasar J0100+2802. Bu kuasarın merkezindeki kara deliğin kütlesi yaklaşık 12 milyar Güneş kütlesi olarak tahmin ediliyor. İkincisi, Webb'in keşfettiği ve 14,32 kırmızıya kaymasıyla tayfsal olarak doğrulanmış en uzak gökada olan JADES-GS-z14-0.

Her iki hedef için de cıvıltı kütlesi 10 milyar Güneş kütlesi ve üzerinde olan kara delik çiftleri dışlandı. Cıvıltı kütlesi, iki kara deliğin kütlelerinden türetilen ve çiftin kütleçekim dalgası yayılımını belirleyen bir büyüklük. Dizinin en duyarlı olduğu frekanslarda üst sınır birkaç milyar Güneş kütlesine kadar iniyor. Çarpıcı olan, çok daha uzaktaki JADES-GS-z14-0 için bulunan sınırların J0100+2802'ninkilerle karşılaştırılabilir, bazı frekanslarda daha da sıkı olması; yazarlara göre bu, kırmızıya kayma yanlılığının iş başında olduğunu gösteriyor.

Sınırlar ne anlama geliyor?

J0100+2802 için bulunan sınırlar, kuasarın bilinen kara delik kütlesinden eşit kütleli bir çift için hesaplanan yaklaşık 5,2 milyar Güneş kütlesi değerine yaklaşıyor. Yazarlara göre bu, mevcut pulsar verilerinin erken evrenin en kütleli sistemlerinde çift kara delik bulunma oranını fiziksel olarak sınırlayabilecek eşiğe geldiğini gösteriyor. JADES-GS-z14-0 için durum farklı: Gökadanın yıldız kütlesi görece düşük olduğundan merkezindeki kara deliğin bu sınırın çok altında olması bekleniyor. Bu hedef daha çok, yöntemin kozmik şafağın derinliklerinde de uygulanabildiğini gösteren bir kavram kanıtı.

Ekip ayrıca benzetimli sinyallerle, uzaklığı hassas biçimde bilinen az sayıda pulsarın analize katılmasının, uzak bir çiftin hem saptanmasını hem de gökyüzündeki yerinin ve özelliklerinin doğru ölçülmesini sağlayabileceğini gösterdi. Çift kara delik adaylarından birini Markarian 501 haberimizde ele almıştık. Daha uzun süreli ve daha çok pulsar içeren veri setleri, kozmik şafaktaki çiftlere dair bu sınırları zamanla daraltabilir.