Devasa nötron yıldızlarındaki kuark madde çekirdeklerine dair daha fazla kanıt

Nötron yıldızı çekirdekleri, günümüz evrenimizde ulaşılan en yüksek yoğunluktaki maddeyi içerir; 25 km çapındaki bir kürenin içine sıkıştırılmış iki güneş kütlesi kadar madde içerir. Bu astrofiziksel nesneler gerçekten de yerçekiminin çekirdeklerini tek tek proton ve nötronlarınkini kat kat aşan yoğunluklara sıkıştırdığı dev atom çekirdekleri olarak düşünülebilir.

Bu yoğunluklar nötron yıldızlarını parçacık ve nükleer fizik açısından ilgi çekici astrofiziksel nesneler haline getirmektedir. Uzun süredir devam eden açık bir sorun, nötron yıldızlarının muazzam merkezi basıncının, protonları ve nötronları, soğuk kuark maddesi olarak bilinen maddenin yeni bir aşamasına sıkıştırıp sıkıştıramayacağıdır. Maddenin bu egzotik halinde, bireysel protonlar ve nötronlar artık mevcut değil.

Helsinki Üniversitesi teorik parçacık fiziği profesörü Aleksi Vuorinen şöyle açıklıyor: “Onları oluşturan kuarklar ve gluonlar tipik renk sınırlamalarından kurtuluyor ve neredeyse serbestçe hareket etmelerine izin veriliyor.”

Güçlü bir faz geçişi yine de günü mahvedebilir

‘de yayınlanan yeni bir makalede Doğa İletişimiHelsinki Üniversitesi merkezli bir ekip, büyük nötron yıldızlarının içindeki kuark madde çekirdeklerinin olasılığına ilişkin ilk kez niceliksel bir tahmin sağladı. Mevcut astrofiziksel gözlemlere dayanarak, en büyük nötron yıldızlarında kuark maddesinin neredeyse kaçınılmaz olduğunu gösterdiler: Ekibin çıkardığı niceliksel bir tahmin, bu olasılığın %80-90 aralığında olduğunu ortaya koydu.

Tüm nötron yıldızlarının yalnızca nükleer maddeden oluşması için kalan küçük olasılık, nükleer maddeden kuark maddeye geçişin, sıvı suyun buza dönüşmesine bir şekilde benzeyen, güçlü bir birinci dereceden faz geçişi olmasını gerektirir. Nötron yıldızı maddesinin özelliklerindeki bu tür hızlı değişim, yıldızı öyle bir istikrarsızlaştırma potansiyeline sahiptir ki, küçücük bir kuark madde çekirdeğinin oluşumu bile yıldızın bir kara deliğe dönüşmesine neden olabilir.

Finlandiya, Norveç, Almanya ve ABD’den bilim insanları arasındaki uluslararası işbirliği, kuark madde çekirdeklerinin varlığının bir gün nasıl tamamen doğrulanabileceğini veya reddedilebileceğini daha da göstermeyi başardı. Önemli olan, nükleer madde ile kuark maddesi arasındaki faz geçişinin gücünü sınırlayabilmektir; bunun, ikili bir nötron-yıldız birleşmesinin son kısmından gelen yerçekimsel dalga sinyali bir gün kaydedildiğinde mümkün olması beklenir.

Devasa süper bilgisayar gözlemsel verileri kullanarak çalışıyor

Yeni sonuçların elde edilmesinde önemli bir bileşen, Bayes çıkarımını kullanan bir dizi devasa süper bilgisayar hesaplamasıydı; bu, gözlemsel verilerle doğrudan karşılaştırma yoluyla farklı model parametrelerinin olasılıklarının çıkarıldığı bir istatistiksel çıkarım dalıdır.

Araştırmanın Bayes bileşeni, araştırmacıların nötron yıldızı maddesinin özellikleri için yeni sınırlar elde etmelerine olanak tanıdı ve onların, en büyük kararlı nötron yıldızlarının çekirdeklerine yakın sözde konformal davranışa yaklaştıklarını gösterdi.

Makalenin baş yazarlarından biri olan Dr. Joonas Nättilä, çalışmayı astrofizik, parçacık ve nükleer fizik ile bilgisayar bilimi alanlarında uzmanlık gerektiren disiplinlerarası bir çalışma olarak tanımlıyor. Mayıs 2024’te Helsinki Üniversitesi’nde Doçent olarak göreve başlayacak.

“Her yeni nötron yıldızı gözleminin, nötron yıldızı maddesinin özelliklerini artan bir hassasiyetle çıkarmamızı nasıl sağladığını somut olarak görmek büyüleyici.”

Joonas Hirvonen, Ph.D. Nättilä ve Vuorinen’in rehberliğinde çalışan öğrenci ise yüksek performanslı bilişimin önemini vurguluyor:

“Teorik tahminlerimizi gözlemlerle karşılaştırabilmek ve kuark-madde çekirdeklerinin olasılığını sınırlandırabilmek için milyonlarca CPU saati süper bilgisayar zamanı kullanmak zorunda kaldık. Bize tüm kaynakları sağladığı için Finlandiya süper bilgisayar merkezi CSC’ye son derece minnettarız. ihtiyacımız vardı!”