Bir galaksinin ağırlığı nasıl bulunuyor hiç merak ettiniz mi? Gökbilimciler evreni ölçerken son derece yaratıcı olmak zorunda. Bir galaksiyi endüstriyel teraziye koyup ne kadar geldiğini göremiyoruz (Isaac Newton bunu düşünmüş ve Dünya'nın yerçekimini de hesaba katmamız gerektiğini önermiştir).
Ay, gezegen veya yıldız gibi uzaydaki bir nesnenin kütlesini belirlemenin klasik yolu diğer nesnelerle olan yerçekimi etkileşimini ölçmektir. Bu ilk ölçümler Newton'ın yerçekimi yasasının Johannes Kepler'in gezegen hareket yasasıyla birleştirilmesiyle elde edildi. Yani gezegenin yörünge hızının diğer nesneyle olan uzaklığı arasındaki ilişkiye bakılarak. Bilim adamları bugün galaksilerin kütlesinin bir milyon Güneş kütlesi ile 30 trilyon Güneş kütlesi arasında değiştiğini biliyor. Peki ama nasıl?
Bir Galaksinin Ağırlığını Bulmak
Galaksilerin kütleleri içlerindeki yıldızların yörünge hareketlerinden bulunur. Daha büyük kütleli galaksideki yıldızlar, daha düşük kütleli galaksideki yıldızlardan daha hızlı hareket eder. Çünkü büyük galaksinin sahip olduğu daha yüksek yerçekimi, yıldızların yörüngede yol alırken daha büyük oranda ivmelenmesine neden olur. Yıldızların hızlarını ölçerek o galaksideki yerçekimi kuvvetini öğrenirsiniz. Yerçekimi, kütleye ve uzaklığa bağlı olduğundan, yıldızın yörüngesinin boyutunu bilmek o galaksinin kütlesini elde etmenizi sağlıyor.
Samanyolu Galaksisi'ni devasa bir teraziye koyarsanız ağırlığı yaklaşık 1 trilyon Güneş olacaktır. Bu ağırlık toz, gezegen, 200 milyar yıldız ve hatta Samanyolu'nun merkezindeki 4 milyon Güneş kütleli devasa kara delikten geliyor. Ancak ağırlığın yarısından çoğu (%85) aslında karanlık maddeye aittir. Karanlık maddenin kütlesinin dolaylı ölçümlerini almak için hem Avrupa Uzay Ajansı'nın Gaia uydusundan hem de NASA'nın Hubble Uzay Teleskobu'ndan gelen veriler ve gözlemler kullanılıyor.
Bilim adamları bundan önce de Samanyolu'nun ağırlığını tahmin etmeye çalıştı. Ancak rakamlar biraz geniş yelpazedeydi ve 500 milyar ila 3 trilyon Güneş kütlesi gibi bir aralığa işaret etti. Bunun nedeni karanlık maddenin kütlesini net olarak ölçememekten gelir. Göremediğiniz bir şeyi doğru şekilde ölçemezsiniz öyle değil mi?
Küresel Yıldız Kümesi Tekniği
Bir galaksideki karanlık madde yoğunlukta merkezde yer alır. Karanlık madde, galaksinin kütlesinin çoğunluğunu oluşturduğundan Samanyolu gibi herhangi bir galaksinin kütlesini ölçmek için merkeze bakmanız gerekiyor. Günümüz teknolojisinin de elverişli hale gelmesiyle bilim insanları son zamanlarda Samanyolu'nun kütlesini ölçmek için yeniden harekete geçmiştir.
Bu amaçla galaksinin merkezindeki yörüngede dönen küresel yıldız kümelerinin hızları gözlemlendi. Bir galaksi ne kadar büyükse yıldız kümeleri galaksinin yerçekimi etkisiyle o kadar hızlı hareket edecektir. Gökbilimciler Hubble ve Gaia'yı bu küresel yıldız kümelerinin üç boyutlu hareketini ölçmek için kullandılar.
Bu kümeler, her biri Samanyolu'nun merkezindeki yörüngede bulunan ve yüzbinlerce yıldız içeren küresel adalardır. Yıldız kümelerini özel kılan şey Samanyolu'nun en eski nesneleri arasında olmaları. Büyük Patlama'dan yalnızca birkaç yüz milyon yıl sonra oluştuklarından genişleyen galaksimizde 65.000 ile 130.000 ışık yılı gibi nispeten derin ve merkeze yakın bir noktada bulunuyorlar (Samanyolu 100.000 ışık yılı uzunlukta ve 1 ışık yılı 9,5 trilyon km).
Gaia ile Hubble'dan alınan yıldız kümesi verileri bir haritada birleştirildiğinde ortaya çıkan sonuçlar Dünya'dan 1 milyon ışık yılı uzaklıktaki Samanyolu nesnelerinin hızlarını ölçmeyi mümkün kılıyor. Ancak bu tekniğin ana kısıtlaması içinde bulunduğumuz galaksinin merkezine doğru bakmanın çok zor olmasıdır.
Uydu Galaksi Tekniği
Bazı bilim adamları bu nedenle Samanyolu'nun uydu galaksilerinin açısal momentumunu inceliyor. Tıpkı kendinden büyük bir gezegenin etrafında dönen bir uydu gibi uydu galaksilerin hızları da merkez galaksinin yer çekimine yani kütlesine bağlı olarak değişir.
Yerçekimsel olarak bize bağlı bu tür 50 küçük galaksi var. Ancak bu komşu galaksilerin gökyüzündeki hareketi o kadar yavaştır ki Ay kadar uzaktaki bir saç telinin büyüme hızına bakmak gibidir. Aslında bu nesnelere galaksi değil daha çok tracer yani "iz bırakan" deniliyor çünkü gerçek bir galaksi olmalarının yanı sıra önceki galaksilerden kopan yıldızlar da olabiliyorlar.
Bu tür uydu nesneler kendilerinden daha ağır olan merkez galaksinin etrafında dönmektedir. Tracer'ların hızlarını ve konumlarını ölçerek bir galaksinin kütlesini tahmin etmek geçerli bir yöntem olmakla birlikte açısal momentum tekniği bundan çok daha isabetli sonuçlar verir.
Çünkü uzaydaki bir cismin açısal momentumu o cismin hem mesafesine hem de hızına bağlıdır. Uydu galaksiler Samanyolu çevresinde eliptik bir yörüngede hareket ettiklerinden galaksimize yaklaştıkça hızları artar ve uzaklaştıkça azalır. Açısal momentumda hem konum hem de hız hesaba katıldığından, tracer'ın yörüngede ne kadar yakın veya uzak bir konumunda olduğu sonucu değiştirmez.
Bir patencinin kendi etrafında dönerek piruet yaptığını düşünün. Hızı değişecektir ancak açısal momentumu tüm hareket boyunca aynı kalır.
Samanyolu Galaksisi'nin Kütlesi
Açısal momentum yaklaşımından hareketle Samanyolu'nun bilinen 50 uydu galaksisinden dokuzunun üç boyutlu hareketlerine bakılarak ölçümler elde edildi. Bu ölçümler ile kendi galaksimize benzeyen toplam 20.000 galaksiden ve 90.000 uydu galaksiden oluşan bir evren simüle edildi. Buradan Samanyolu Galaksisi'nin kütlesini gösteren bir değere ulaşıldı.
Bu değer yaklaşık 0,96 trilyon Güneş kütlesidir. Önceki 700 milyar ila 2 trilyon Güneş kütlesi tahminlerinden oldukça farklı olmasının yanı sıra Andromeda Galaksisi (M31)'nin, Samanyolu Galaksisi'nden daha büyük olduğuna dair tahminleri de güçlendiriyor. 0,96 trilyon Güneş kütlesi 1,8 tredesilyon kilogram demek. Bu da 1.800.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 kilogram yapar (1,8'den sonra 41 sıfır). Bunu yaklaşık 6 milyar milyar milyar fil, 296 katrilyon Dünya veya süper kütleli bir kara deliğin 135 katı olarak düşünebilirsiniz.
Uydu galaksilerin hızlarını ölçmeye yarayan yeni gözlemler geliştirildikçe Samanyolu gibi galaksilerin kütlesini ölçmeye dair kısıtlamalar azalacak ve bilim adamlarının yeni nesil simülasyonlar ile son derece soluk galaksilerin kütlesini bulması dahi kolaylaşacak.
Bu ölçümler önceleri mümkün değildi çünkü yerdeki teleskoplar bu işe uygun teknolojiyi sunmuyordu. Ancak uzun yıllardır uzayda olan Hubble Uzay Teleskobu gibi teleskoplar artık bu galaksilerin veya yıldızların hareketlerinin bıraktığı izleri bizlere gösterebiliyor.
Kendi Galaksimizin Kütlesini Ölçmenin Zorluğu
Gökbilimciler yıldızların yörünge hızlarını ölçerek yaptıkları kütle hesaplamalarını ilk kez galaksilere uygulamaya başladıklarında garip sonuçlar elde etti. Görünüşe göre bir galaksinin kütlesinin çoğu merkeze yakın bir yerde toplanıyordu. Bu nedenle merkeze yakın yıldızların kenarlarda olanlara kıyasla yörüngelerinde daha hızlı dolandıkları bulunmuştu. Karşılaştırma yaparsak gezegenlerimiz arasında Merkür en hızlı yörünge hızına sahip (47,36 km/sn) ve Neptün ise en yavaş (5,43 km/sn). Çünkü Güneş Sistemi'nin kütlesinin yüzde 99,9'u Güneş'ten gelmektedir.
1970'lerde gökbilimci Vera Rubin ve meslektaşı Kent Ford galaksimize en yakın galaksi olan büyük Andromeda Galaksisi hakkında gözlemler yaptılar ve yıldızların hızlarına dair söz konusu durumun belirli bir uzaklıktan sonra geçerli olmadığına dair kanıtlar sundular. Uçlarda olan yıldızlar neredeyse merkeze yakın yıldızlar kadar hızlı hareket ediyordu. Hatta en dıştaki yıldızlar yörüngede o kadar hızlı dönüyordu ki bu momentumun galaksiyi parçalara ayırması gerekliydi! Rubin zekice bir varsayım yaparak bu durumun ancak göremediğimiz bir kütlenin (karanlık maddenin) kanıtı olabileceğini öne sürdü. Bu görünmez madde, galaksilerin kütlesini ölçme işini daha da zorlaştırmıştır.
Karanlık maddenin kütlesini hesaplamanın zorluğu açık. Bunun yanı sıra bir de içinde bulunduğumuz Samanyolu'nun kütlesini ölçmenin zorluğunu düşünün. Güçlü teleskoplar Andromeda Galaksisi'ni neredeyse bütünüyle ve çok detaylı bir şekilde gösterebiliyor. Ancak içinde bulunduğunuz bir şeye dışarıdan bakamazsınız. Sırtınızdaki bir lekeyi ayna olmadan görmeyi denemek gibi kendi galaksimizi de pek iyi göremiyoruz. Ancak bu tür pratik zorlukları aşmanın ana yolu yaratıcı olmak ve dolaylı yöntemler geliştirmeyi denemektir.
Galaksilerin Ağırlığını Ölçmek ile İlgili Sık Sorulanlar
Gökbilimciler bir galaksinin ağırlığını nasıl tahmin ederler?
Gökbilimciler bir galaksinin ağırlığını, tüm görünür bileşenlerinin (yıldızlar, gaz, toz ve diğer görünür maddeler) kütlesinin yanı sıra görünmez bileşenlerinin (karanlık madde) yerçekimi etkilerini ölçerek tahmin ederler. Bu, galaksideki yıldızların hızlarının ölçülmesi, yerçekimsel merceklenme etkilerinin gözlemlenmesi ve karanlık maddenin dağılımının modellenmesi gibi çeşitli teknikler kullanılarak yapılabilir.
Karanlık madde nedir ve bir galaksinin ağırlığını nasıl etkiler?
Karanlık madde, ışık yaymayan veya emmeyen, ancak görünür madde üzerinde yerçekimsel bir çekim uygulayan gizemli, görünmez bir maddedir. Galaksilerdeki maddenin çoğu da dahil olmak üzere evrendeki maddenin yaklaşık %85'ini oluşturduğu tahmin edilmektedir. Doğrudan gözlemlenemediği için varlığı, bir galaksideki yıldızların dönüş hızları gibi görünür madde üzerindeki çekim etkileri gözlemlenerek çıkarılır.
Bir galaksinin olağan ağırlığı nedir?
Bir galaksinin ağırlığı, büyüklüğüne, türüne ve içerdiği karanlık madde miktarına bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir. Örneğin Samanyolu'nun tahmini kütlesi yaklaşık 1,5 trilyon güneş kütlesidir ve bu kütlenin kabaca %85'i karanlık maddedir.
Bir galaksinin ağırlığı evrimini ve davranışını nasıl etkiler?
Bir galaksinin ağırlığı, yıldız oluşum hızı, spiral kollarının şekli ve uydu galaksilerin oluşumu ve birleşmesi gibi faktörleri etkileyerek kendi evriminde ve davranışında çok önemli bir rol oynar. Bu nedenle bir galaksideki maddenin ağırlığını ve dağılımını anlamak, geçmişini ve gelecekteki evrimini anlamak için önemlidir.
