Dünyayı Bombalayan Kozmik Işınlarda Karadeliklerin Daha Fazla Rolü Olabileceği Keşfedildi

Bir mikrokuasar sisteminde bir yıldızı yavaşça yutan yıldız kütleli bir kara deliğin illüstrasyonu. (Kaynak: Robert Lea (Canva ile oluşturulmuştur))

NASA'nın gama ışını tespit eden Fermi uzay aracından elde edilen 16 yıllık verileri kullanan gökbilimciler, bir kara deliğin bir yıldızı yavaşça yuttuğu sistemler olan mikrokuasarların görece küçük olsalar da sandığımızdan çok güçlü olabileceklerini keşfettiler.

Küçücük yapılarına rağmen bu araştırma, küçük yıldızları yiyen mikrokuasarların bile etkileyici bir kozmik etkiye sahip olabileceğini ve güçlü doğal parçacık hızlandırıcıları haline gelebileceğini gösteriyor.

Bu da her boyutta yıldızla beslenen kara deliklerin, Dünya'yı sürekli bombardıman eden ve kozmik ışınlar olarak adlandırılan yüksek enerji yüklü parçacıkların tahmin edilenden daha fazla miktarda olmasından sorumlu olabileceği anlamına geliyor. Bu parçacık hızlanmasının mekanizması, mikrokuasarlardan çıkan ışık hızına yakın astrofizik jetlerdir.

Università di Trieste'den ekip eş lideri Guillem Martí-Devesa “Dünya sürekli olarak galaksimizin başka yerlerinde hızlandırılmış parçacıklar tarafından bombardımana tutuluyor. Bunlar genellikle kozmik ışınlar olarak bilinen protonlar ve elektronlardır,” diyor. “Ancak bunların kökeni onlarca yıldır tartışılıyor.” diyerek tamamlıyor.

Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü'nden Martí-Devesa ve ekip eş lideri Laura Olivera-Nieto'nun bulduğu şey, bir kara deliğin düşük kütleli bir yıldızla yavaşça beslendiği iyi bilinen bir mikrokuasar olan GRS 1915+105'in konumuyla tutarlı yeni bir gama ışını kaynağı.

Olivera-Nieto yaptığı açıklamada, “Parçacıkları hızlandırabilen kaynakları bulmak ve onları özel kılan şeyin ne olduğunu anlamak, evrenin bazen parçacıkların çok küçük bir kısmına neden ve nasıl büyük miktarlarda enerji sağladığını ortaya çıkarmak için ilk adımdır” dedi. “Parçacıkları hızlandırmak için tipik olarak birkaç bileşene ihtiyacınız vardır: güçlü manyetik alanlar, yüksek miktarda güç ve ayrıca hızlandırılacak parçacıkların varlığı.

“Mikrokuasar jetleri bunların hepsine sahip!”

Kuasarlar Karşısında Mikrokuasarlar

Alışıldık standart kuasarlar, aktif galaktik çekirdek (active galactic nucleus, AGN) adı verilen bazı galaksilerin merkezi bölgelerinde çevrelerindeki madde ve gazla beslenen süper kütleli kara deliklerden güç alır.

Kuasarlar evrendeki en parlak ışık kaynaklarından bazılarıdır ve genellikle kendilerini çevreleyen galaksideki milyarlarca yıldızın birleşik ışığını gölgede bırakırlar.

Süper kütleli kara delikler Güneş'in milyonlarca ila milyarlarca katı kütleye sahipken, mikrokuasarların kalbindeki yıldız yutan yıldız kara deliklerin kütleleri birkaç yüz güneş kütlesinden fazla değildir (çeviren notu: birkaç yüz Güneş kütlesi bile olağanüstü derecede büyük; stellar karadeliklerin çoğu birkaç veya birkaç on Güneş kütlesindedir).

“Galaksideki çoğu yıldız yalnız değildir, aslında başka bir yıldızın yörüngesindedir. Mikrokuasarlar, iki yıldızdan birinin çoktan 'öldüğü', yani yakıtının bittiği ve patladığı özel bir merdiven çifti türüdür,” diyor Olivera-Nieto. “Geride kalan şey bir kara deliktir. Eğer normal yıldız kara deliğe yeterince yakınsa, kara delik ondan madde koparmaya ve onu yutmaya başlayacaktır.

“Bu nesnelere 'mikrokuasarlar' diyoruz çünkü benzer bir fenomen olan ancak galaksilerin merkezinde süper kütleli kara delikler bulunan kuasarlara benziyorlar.”

Bir yıldızı yavaşça yutan bir kara deliği gösteren illüstrasyon (Kaynak: MPIK/H.E.S.S. için Bilim İletişim Laboratuvarı)

Kara deliklerin yıldızları kemirmesi oldukça yaygın bir olgudur. Bir yıldız süper masif bir kara deliğe çok yaklaştığında, bu kozmik devin muazzam kütleçekim etkisi, yıldızı dikey olarak gererken yatay olarak ezen gelgit kuvvetleri üretir.

Bu spagettileşme süreci talihsiz yıldızı, süper kütleli kara deliğin etrafını saran ve yavaş yavaş ona beslenen bir yıldız malzemesi şehriyesine dönüştürür. Bu güçlü ve şiddetli olaylar gelgit bozulma olayları (tidal disruption events) olarak adlandırılmaktadır.

Süper masif bir kara deliğin bir yıldızı parçaladığı gelgit bozulması olayının bir örneği (Kaynak: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF)

Mikrokuasarlar süper masif karadeliklere ilişkin gelgit bozulma hadiselerinden farklıdır çünkü bu daha küçük kara delikler kurban yıldızlarını yok etmekten ziyade kemirirler.

Olivera-Nieto, “Bir mikrokuasar kararlı bir yörüngededir ve kara delik yıldızdan yalnızca çok yavaş bir hızda kütle alır” dedi. “Bu, gelgitleriyle yıldızı yok etmediği ve evrimi sırasında da bunu yapmayacağı anlamına geliyor.”

Kozmik Parçacık Hızlandırıcıları olarak Mikrokuasarlar

Bu yeni araştırma, kara delik motorlarının süper masif kara deliklere kıyasla küçücük boyutlarına ve yıldızları yemeye yavaş yaklaşmalarına rağmen, mikrokuasarların güçlü doğal parçacık hızlandırıcıları haline gelerek etkileyici bir kozmik etkiye sahip olabileceğini gösteriyor.

Martí-Devesa, “Bir mikrokuasar durumunda, bir kara delik tarafından yavaşça yutulan bir yıldızımız var” dedi. “Sonuç olarak, kara delik güçlü rölativistik jetler üretebilir ki bu da bir mikrokuasarın ayırt edici özelliğidir.”

Bu çıkışlar galaksimizde bulunan en güçlü astrofiziksel jetler ve dolayısıyla mükemmel kozmik parçacık hızlandırıcıları haline gelir. Asıl soru şu: Samanyolu'nun kozmik ışın içeriğinin ne kadarına mikrokuasarlar, özellikle de çok düşük kütleli kara delik motorlarına sahip olanlar katkıda bulunuyor?

Olivera-Nieto ve Martí-Devesa bu soruyu yanıtlamak için NASA'nın Fermi uzay aracı tarafından Büyük Alan Teleskobu (LAT) dedektörü kullanılarak toplanan 16 yıllık verilere başvurdu.

“V1487 Aquilae” olarak da bilinen mikrokuasar GRS 1915+105 ile ilişkili bir gama ışını sinyali buldular ve bu büyük bir sürpriz oldu (çeviren notu: normalde/genelde mikrokuasar adayı olabilecek veya mikrokuasarlara dönüşebilecek karadelik yıldız çiftleri en çok bilinen Kuğu X-1 örneğindeki gibi X-ışınlarında görülürler; eletromanyetik spektrumun daha enerjetik tarafında kalan gama ışınları esas kuasarlara yani yoğun biçimde beslenen süper masif karadeliklere mahsus).

Chandra X-ışını Gözlemevi tarafından X-ışınlarında görüntülenen mikrokuasar GRS 1915+105. (Kaynak: Chandra)

Sürprizin nedeni GRS 1915+105'in 14 güneş kütlesinde bir kara delikten oluşan düşük kütleli bir ikili olması ve güneş kütlesinin yaklaşık yarısı kadar bir yıldızı yavaşça yutmasıdır.

Bu durum, daha önce bilinen ve yalnızca büyük kütleli yıldızlara ev sahipliği yapan parçacık hızlandırıcı mikrokuasarlarla tam bir tezat oluşturmaktadır. Örneğin SS 433 mikrokuazarı, güneşin on katı kütleye sahip bir yıldızı yiyen bir kara deliğe ev sahipliği yapıyor.

Olivera-Nieto, “Bu sistemi özel kılan şey aslında oldukça yaygın olması olabilir” dedi. “Galaksideki yıldızların sayısı kütleleri arttıkça dik bir şekilde düşer: düşük kütleli yıldızlar yüksek kütleli yıldızlardan çok daha yaygındır. Sonuç olarak, aynı durum mikrokuasar sistemleri için de geçerli olmalıdır.”

Bununla beraber böylesine küçük bir yıldızı yavaşça yutan bir kara deliğe sahip bir sistemin bile parçacıkları gama ışını fotonları yaratacak kadar hızlandırabildiğini bulmak, mikrokuasarların bir bütün olarak galaksimizin kozmik ışın içeriğine katkısının bilim insanlarının beklediğinden daha yüksek olabileceği anlamına geliyor.

Fermi Gama Işını Uzay Teleskobu'nun (FGST) artistik tasviri. (Kaynak: NASA)

Olivera-Nieto, “Gama ışını emisyonu kanıtı olmayan, yani yüksek enerjilere parçacık hızlandırma kanıtı olmayan bilinen daha birçok mikrokuasar var” dedi. “Bunların bazıları yeterince hassas teleskoplarla bakmadığımız için, ancak diğerleri basitçe verimli hızlandırıcılar değil gibi görünüyor.

“Mikrokuasarların jetlerinde ne kadar kozmik ışın üretildiğini anlamak için ipucu barındıran bu sistemler arasındaki farkı anlamak istiyoruz.”

Böylece, düşük kütleli yıldızlara sahip mikrokuasarların da parçacık hızlandırıcı olabileceğine ve Dünya'ya ulaşan kozmik ışınlara katkıda bulunabileceğine dair bu yeni kanıtla birlikte Martí-Devesa, daha önce keşfedilen mikrokuasar sistemlerini yeniden ziyaret etmenin zamanının gelmiş olabileceğini açıkladı.

Martí-Devesa, “Çalışmamızın, mikrokuasarların galaksimizdeki kozmik ışın bolluğuna gerçek katkısını anlamak için önemli bir adım olacağını umuyoruz” dedi. “Bu şekilde, tüm mikrokuasar popülasyonunu ve bunların galaksimizdeki kozmik ışın üreticileri olarak gerçek önemlerini yeniden değerlendirebileceğiz.”

Ekibin araştırması Ocak ayında The Astrophysical Journal Letters'da yayımlanmıştır.

Çevrilen Haber Kaynağı:

Black holes snacking on small stars create particle accelerators that bombard Earth with cosmic rays | Space

Orijinal Çalışma:

Persistent GeV Counterpart to the Microquasar GRS 1915+105 - IOPscience