Kara Delik Avcıları

Kara Delik Avcıları'nda, Samanyolu gökadasının milyonlarca kayıp kara deliklerinden bazılarını bulmak için yardımınız gerekiyor. TESS uydusundan alınan verileri kullanarak, yıldızların parlaklıklarının zamanla nasıl değiştiğini gösteren grafiklere bakmanızı ve kütleçekimsel mikrolenslenme adı verilen bir etkiyi aramanızı istiyoruz. Bu lenslenme etkisi, bir yıldızın önünden yüksek kütleli bir cisim geçtiğine işaret edebilir -bu durumda kütleçekimi yıldızın ışığını eğip odaklayacaktır- ve bu fenomeni kullanarak başka bir şekilde göremeyeceğimiz kara delikleri bulmayı umuyoruz.

Kara delikler nedir?

Kara delik, bir yıldızın yakıtı bittiği zaman oluşabilecek şeylerden birisidir. Bütün yıldızlar arkalarında bir kara delik bırakmaz. Geriye kalan şey yıldızın kütlesi tarafından belirlenir. Güneş'imiz gibi daha hafif yıldızlar, geriye beyaz cüceler bırakır. Güneş'in yaklaşık 10 katı kütleye sahip yıldızlar, arkalarında nötron yıldızları bırakır. Ve en büyük yıldızlar, yani kütleleri Güneş'in 20 katı veya daha fazla olanlar ise geriye bir kara delik bırakırlar.

Her üç durumda da, arkada bırakılan cisim, onu yaratan yıldızdan çok daha yoğundur. Bir beyaz cücenin kütlesi yaklaşık olarak Güneş'in kütlesi kadardır (orijinal yıldızın kütlesinin hepsi kalıntı olarak kalmaz, bu sebeple her durumda geriye bırakılan cisim, orijinal yıldızdan daha hafiftir) ve boyutu ise Dünya'nınkine benzer. Bir nötron yıldızı daha ağırdır, Güneş'in kütlesinin 2 katına kadar çıkabilir ve 10 km çaplarındadır. Kara deliklerin bir üst kütle sınırı yoktur, ancak çoğu 10 güneş kütlesi civarında ve yarıçapları ise 30 kilometre civarlarında olmalıdır.

Kara delikler tuhaf cisimlerdir. Yukarıda kara delikler için bahsedilen yarıçap fiziksel bir yüzey değildir, onun yerine kaçış hızının (cismin kütleçekimsel alanından kurtulabilmek için gerekli hızın) ışık hızına eşit olduğu bir uzaklıktır ve Schwarzschild Yarıçapı veya olay ufku olarak adlandırılır. Bu, kara deliklerin siyah olmalarının sebebinin bu yarıçapın içerisindeki alanda ışığın bile kaçamayacağı muazzam bir kütleçekim gücüne sahip olmaları olduğu anlamına gelir. Şu ana değin sahip olduğumuz fizik bilgisi, kara deliklerin içinde ne gerçekleştiğini tamamen açıklayabilecek durumda değildir. Genel görelilik, bize kara deliğin kütlesinin sıfır hacme ve sonsuz yoğunluğa sahip bir noktaya sıkıştırılması gibi çok da akla yatmayan bir cevap vermektedir. Kuantum fiziği de henüz bir açıklama getirebilmiş değildir.

İçeride olan bitenler gizemli olaylardır, ama fizik bir kara deliğin hemen dışında ne olduğunu (her ne kadar şiddetli de olsa) açıklayabilir. Kara delikler, "birikim" (İng. accretion) denilen bir olay ile yakınlarındaki yıldızlardan malzeme çekerek onu muazzam sıcaklıklara ulaştırırlar - o kadar yüksek sıcaklıklar elde edilir ki parlak X-ışınları yayılır. Birikim yapmadıkları zamanlarda ise büyük oranda görünmez olurlar, ama onları bulmamıza yardımcı olabilecek bazı ipuçları bırakırlar.

Gökadamızın gizli kara delikleri

Çoğu yıldız yalnız değildir. Çoğu zaman, iki yıldızın birbirinin yörüngesinde dolandığı "ikili" sistemler olarak eşleşmişlerdir. Bazen kütleçekimsel olarak bağlı daha büyük sistemlerde de bulunabilirler.

Kara delik yaratmaya yetecek kütlede bulunan yıldızların çoğu ikili sistemlerde bulunur. Bir yıldız kara delik oluşturmak için çöktüğünde, dış katmanları güçlü bir süpernova şeklinde patlar. Bu durumda diğer yıldıza ne olur?

Süpernova patlamasının kuvvetinin diğer yıldızı yok edeceği veya en azından kara delikten kaçmasına yetecek kadar uzağa iteceğini düşünebilirsiniz. Bazen bu durumlar elbette gerçekleşebilir, ama çoğu zaman kütleçekimi, patlamanın kuvvetini yenebilecek düzeydedir ve diğer yıldız bütünlüğünü korumakla kalmayıp kara delikle yörüngede kalmaya devam edebilir.

Gökadamızın çoğu kara deliğinin bu gibi sistemlerde -bir yıldız ve kara delik bulunduran ikili sistemlerde- olması gerektiğini düşünüyoruz. Buna benzer bazı sistemler (70 kadarı) biliniyor, ama neredeyse hepsi kara deliğin yıldıza malzeme biriktirebilecek kadar yakın olması ve belirgin X-ışını sinyalleri yayarak konumunu haber etmesiyle bulunmuştur. Problem şudur ki çoğu kara delik, zamanının çoğunu birikim yapmadan geçirir. Gaia görevi ile alınan yüksek netlikli ölçümlerle birkaç sessiz kara delik keşfedilmiştir, ama bunlardan toplamda yaklaşık 10 milyon kadar olmasını bekliyoruz! Çok sayıda kara delik kayıp ve ışık yaymadıkları için bizden gizlenmektedir.

Öz-lenslenme: gizli kara delikleri bulmanın bir yöntemi

Aradığımız kara delikler görünmez olabilir, ama hala onları aramak için birkaç numaramız var. Kara delikler ışık yaymazlar, ancak çevreleri ile kütleçekimsel etkiler yardımıyla etkileşime girerler. Bu projede aradığımız şey, kara deliğin kütleçekiminin yoldaşları olan yıldızların ışığı üzerindeki kütleçekimsel lenslenme olarak adlandırılan bir etkisidir.

Eğer yıldız ve kara deliğin yörüngesi, kara deliği yıldızla bizim aramızdan geçirecek şekilde ise kara deliğin kütleçekimi yıldızın ışığını eğerek büyüteç gibi davranabilir ve yıldızı olduğundan daha parlak gösterir.

Şekil 1: Bir yıldızın ışığı, önünden bir kara delik geçmesiyle büyümeye uğrar. Bu, ışık eğrisinde belirgin bir tepe yaratır.

Ve aradığımız şey işte budur! Yıldızların ışığının değişimini izleyebilmek için milyonlarca ölçümümüz mevcut. Ama yardımınıza ihtiyacımız var - mikrolenslenme olayları nadir olacaktır (çünkü her şeyin düzgün şekilde bir araya gelmesi gerekmekte) ve yıldızları bir anlık parlak kılabilen başka olaylar da mevcut (parlamalar gibi). Diğer her şeyin arasından kara delikleri bulmak için bize yardım edin!

Nasıl yardımcı olabilirsiniz

Yapmanız gereken tek şey aşağıdaki gibi basit grafiklere bakmak, ve tepe-benzeri belirgin şekle sahip bir şey görüyorsanız bildirmektir. Bu grafiklere ışık eğrisi denir ve ölçüm alınan zamanlarda yıldızın parlaklığını gösterir. Yıldızların aniden parlaklaştığı ve sonra normale geri döndüğü anları aramaktayız.

Buna benzer bir şey yakaladığınızda, grafikte işaretleyin. Hata yapmaktan çekinmenize gerek yok! Her ibirini birden çok insana gösterip cevaplarınızı toplayacağız, yani bir hata varsa ortalama cevaplar alınarak yok olacaktır.

Son sonuçlarımızı elde ettiğimizde, bunu daha çok incelemek için bir aday listesi çıkarmakta kullanacağız. Her yıldızın yakınında bir kara delik olup olmadığını saptamak için yapabileceğimiz diğer türlü ölçümler de vardır (mesela yıldızın hareketini izleyebiliriz). Bu ölçümler uzun zaman alır, yani pahalıdırlar ve bunları her yıldız için yapamayız - bu sebeple kısa bir listeyle başlamak çok yardımcı olur.

Bunu neden bir bilgisayarın değil de sizin yapmanıza ihtiyaç duyduğumuzu merak edebilirsiniz. Kısa cevap, bilgisayarların bazı şeylerde iyi ve insanların diğer şeylerde iyi olmasıdır. İnsanların ve bilgisayarların emeğini birleştirerek ikisinin de tek başına yapabileceğinden daha iyi aramalar yapabiliriz. Bilgisayarları bariz örneklerin çoğunu bulmak için kullanabiliriz ama insanların -sizlerin!- zorlu olanlarla daha iyi başa çıkacağınızı düşünüyoruz. Bilgisayar için çok zor olabilecek bu durumlar sizler için kolay olmalı.

Verilerimiz nereden geliyor?

Üstünde çalıştığımız veriler uzay-tabanlı Transiting Expolanet Survey Satellite, yani TESS'ten gelmektedir. TESS uydusu 2018'den beridir Güneş Sistemi dışında (ötegezegen olarak bilinen) gezegenleri bulmak için yörüngede dolanmakta ve gezegenlerin yıldızların önünden geçerken yaptıkları parlaklıl düşüşlerini takip etmektedir. Bu bizim incelediğimiz şeye çok benzer, bu sebeple TESS verisi bizim için de idealdir.

TESS verisiyle çalışmaya başlamadan önce, yer tabanlı SuperWASP tarafından elde edilen veriyle de benzer bir arama yaptık. TESS'e benzer şekilde, SuperWASP da bir ötegezegen arayışıydı ve 2004'ten 2016'ya kadar sürmüştü. SuperWASP araştırmamızın sonuçları hala analiz ediliyor ve yakında yayımlanacaktır.