Evrenin en güçlü patlamalarından bilgi toplamak

Bilinen evrendeki en güçlü olaylar – gama ışını patlamaları (GRB’ler) – en yüksek enerjili ışığın kısa süreli patlamalarıdır. Güneşimizin parlaklığının kentilyon (10 ve ardından 18 sıfır) katı kadar bir parlaklıkla patlayabilirler. Artık yeni kara deliklerin doğuşunu duyuracağı düşünülen kara delikler tesadüfen keşfedildi.

Arka plan bizi ABD Hava Kuvvetleri’nin yasaklı nükleer silah testlerinden kaynaklanan gama ışınlarını tespit etmek için Vela uydularını fırlattığı 1963 yılına götürüyor. Amerika Birleşik Devletleri, Birleşik Krallık ve Sovyetler Birliği ile Dünya atmosferinde yapılan testleri yasaklayan bir anlaşma imzalamıştı ve Vela uyduları tüm tarafların buna uymasını sağladı. Bunun yerine uydular 16 gama ışını olayıyla karşılaştı.

1973’e gelindiğinde bilim insanları, bu parlak patlamaların kaynağının hem Dünya hem de Güneş olduğu ihtimalini dışlayabildiler. İşte o zaman Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndaki gökbilimciler, bu patlamaların güneş sistemimizin ötesinden kaynaklandığını açıklayan ilk makaleyi yayınladılar.

NASA’nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi’ndeki bilim adamları, sonuçları IMP 6 uydusundaki bir X-ışını dedektörü aracılığıyla hızla doğruladılar. Bu patlamaların Samanyolu galaksimizin çok ötesinde meydana geldiğini, gökyüzüne eşit şekilde dağıldığını ve olağanüstü derecede güçlü olduğunu göstermek için İtalyan Uzay Ajansı’nın BeppoSax’ı ve NASA’nın Compton Gama Işını Gözlemevi’nin katkılarıyla bir yirmi yıl daha gerekecek. Kayıtlara geçen en yakın GRB, 100 milyon ışık yılından daha uzakta meydana geldi.

Şans eseri keşfedilmiş olsalar da GRB’lerin günümüz araştırmacıları için paha biçilmez olduğu kanıtlanmıştır. Bu ışık parlamaları, çok büyük yıldızların ömrünün sona ermesi veya uzak galaksilerde kara deliklerin oluşumu gibi olaylara ilişkin bilgiler açısından zengindir.

Yine de keşfedilecek pek çok bilimsel cevher var. 2017 yılında GRB’ler ilk kez yerçekimsel dalgalarla (uzay-zaman dokusundaki dalgalanmalar) ilişkilendirildi ve bu bizi bu olayların nasıl çalıştığını daha iyi anlamaya yönlendirdi.

GRB’lerin uzun ve kısa

Gökbilimciler GRB’leri iki ana sınıfa ayırıyor: kısa (ilk gama ışınları patlamasının iki saniyeden az sürdüğü) ve uzun olaylar (iki saniye veya daha uzun süren).

Daha kısa patlamalar aynı zamanda genel olarak daha az gama ışını üretir; bu da araştırmacıların iki sınıfın farklı öncül sistemlerden kaynaklandığı hipotezini kurmalarına yol açar.

Gökbilimciler artık kısa patlamaları iki nötron yıldızının veya bir nötron yıldızı ile bir kara deliğin çarpışmasıyla ilişkilendiriyor; bu da bir kara delik ve kısa süreli bir patlamayla sonuçlanıyor. Kısa GRB’leri bazen kimyasal elementlerin radyoaktif bozunumuyla üretilen ışık olan kilonova takip eder. Bu bozunma altın, gümüş ve platin gibi daha ağır elementlerin oluşmasına neden oluyor.

Uzun patlamalar büyük yıldızların patlayıcı ölümleriyle bağlantılıdır. Yüksek kütleli bir yıldızın nükleer yakıtı bittiğinde çekirdeği çöker ve sonra geri dönerek yıldızın dışına doğru bir şok dalgası oluşturur. Gökbilimciler bu patlamayı bir süpernova olarak görüyorlar. Çekirdek ya bir nötron yıldızı ya da bir kara delik oluşturabilir.

Her iki sınıfta da, yeni doğan kara delik zıt yönlerde jetler saçıyor. Işık hızına yakın bir hıza ulaşan parçacıklardan oluşan jetler, çevredeki malzemeyi delip geçiyor ve sonunda onunla etkileşime giriyor ve bunu yaparken de gama ışınları yayıyor.

Ancak bu geniş taslak son söz değil. GRB gökbilimcileri ne kadar çok çalışırsa, mevcut sınıflandırmalara meydan okuyan olaylarla karşılaşma olasılıkları da o kadar artar.

Ağustos 2020’de NASA’nın Fermi Gama-ışını Uzay Teleskobu, 6 milyar ışıkyılı uzaklıktaki GRB 200826A adlı ikinci uzunlukta bir patlamanın izini sürdü. Kompakt nesnelerin birleşmesiyle tetiklenen kısa patlama sınıfına girmiş olması gerekirdi.

Ancak bu olayın yarattığı süpernova gibi diğer özellikleri, bunun büyük bir yıldızın çöküşünden kaynaklandığını ileri sürdü. Gökbilimciler bu patlamanın, uzun patlamaların tipik süresine ulaşamadan sönmüş olabileceğini düşünüyor.

Fermi ve NASA’nın Neil Gehrels Swift Gözlemevi, Aralık 2021’de karşıt sayı GRB 211211A’yı yakaladı. Bir milyar ışıkyılı uzaklıkta bulunan patlama yaklaşık bir dakika sürdü. Bu onu uzun bir GRB yapsa da, onu bir kilonova izledi, bu da bunun bir birleşmeyle tetiklendiğini gösteriyor. Bazı araştırmacılar bu patlamanın tuhaflıklarını bir nötron yıldızının bir kara delik eşiyle birleşmesine bağlıyor.

Gökbilimciler birkaç saat süren daha fazla patlama keşfettikçe, hâlâ yeni bir sınıf oluşmakta olabilir: Ultra uzun GRB’ler. Yüksek kütleli bir yıldızın ölümünün yarattığı enerji muhtemelen bu kadar uzun süre bir patlamayı sürdüremez, bu nedenle bilim adamlarının farklı kökenlere bakmaları gerekiyor.

Bazıları ultra uzun patlamaların yeni doğmuş magnetarlardan (hızlı dönme hızlarına ve ortalamadan bin kat daha güçlü manyetik alanlara sahip nötron yıldızları) kaynaklandığını düşünüyor. Diğerleri ise bu yeni sınıfın evrenin en büyük yıldız sakinlerinin, mavi süperdevlerin gücünü gerektirdiğini söylüyor. Araştırmacılar ultra uzun GRB’leri keşfetmeye devam ediyor.

Akşam kızıllıkları yeni bir ışık saçıyor

Gama ışınları ışığın en enerjik formu olmasına rağmen, kesinlikle tespit edilmesi en kolay olanlar değildir. Gözlerimiz elektromanyetik spektrumun yalnızca dar bir bandını görür. Gama ışınları gibi bu aralığın dışındaki herhangi bir ışığı incelemek, bilim adamlarımızın ve mühendislerimizin geliştirdiği araçlara sıkı sıkıya bağlıdır. GRB’lerin zaten geçici olan doğasının yanı sıra bu teknoloji ihtiyacı, patlamaların ilk yıllarda incelenmesini daha da zorlaştırdı.

GRB art parlamaları, jetlerdeki malzeme çevredeki gazla etkileşime girdiğinde meydana gelir.

Afterglows, orijinal patlama hakkında daha fazla veri sağlayan gama ışını ışığının yanı sıra radyo, kızılötesi, optik, UV, X-ışını yayar. Afterglows ayrıca ilk patlamalarından saatler, günler (hatta yıllar) daha uzun süre devam eder ve keşif için daha fazla fırsat yaratır.

Afterglow’ları incelemek, farklı patlamaların ardındaki itici güçleri ortaya çıkarmanın anahtarı haline geldi. Uzun patlamalarda, gün batımı sonrası kızıllık söndükçe, bilim adamları sonunda altta yatan süpernova tespit edilebilir hale geldikçe kaynağın yeniden parladığını görürler.

Işık evrenin en hızlı yolcusu olmasına rağmen bize anında ulaşamaz. Bir patlamayı tespit ettiğimizde, milyonlarca ila milyarlarca yıl geçmiş olabilir; bu da bize, erken evrenin bir kısmını uzaktaki gün batımı sonrası kızıllıklar aracılığıyla inceleme olanağı tanımış olabilir.

Keşifle dolup taşan

Şu ana kadar yürütülen kapsamlı araştırmalara rağmen GRB’lere ilişkin anlayışımız tam olmaktan uzaktır. Her yeni keşif, bilim adamlarının gama ışını patlaması modellerine yeni yönler ekliyor.

Fermi ve Swift, 2022’de bu devrim niteliğindeki olaylardan birini GRB 221009A ile keşfettiler; o kadar parlak bir patlama ki, uzay tabanlı gama ışını enstrümanlarının çoğunu geçici olarak kör etti. Bu büyüklükte bir GRB’nin her 10.000 yılda bir meydana geleceği tahmin ediliyor, bu da onu muhtemelen insan uygarlığının tanık olduğu en yüksek parlaklıktaki olay haline getiriyor. Gökbilimciler buna göre onu tüm zamanların en parlakı ya da TEKNE olarak adlandırdılar.

Bu, keşfedildiği sırada şimdiye kadar görülen en yakın uzun patlamalardan biri ve bilim insanlarına yalnızca GRB’lerin değil, aynı zamanda Samanyolu’nun yapısına da daha yakından bakma olanağı sunuyor. TEKNE’yi inceleyerek diğer modellerde eksik olan radyo dalgalarını keşfettiler ve galaksimizin gizli toz bulutlarının haritasını çıkarmak için X-ışını yansımalarının izini sürdüler.

GRB’ler aynı zamanda bizi evrenin en çok aranan habercilerinden birine bağlar. Yerçekimi dalgaları, nötron yıldızı çarpışmaları gibi felaket olaylarından doğan, uzay-zamanın görünmez çarpıklıklarıdır. Uzay-zamanı evrenin her şeyi kapsayan örtüsü olarak düşünün; kütleçekim dalgaları malzemenin içinde süzülen dalgacıklar gibi.

2017 yılında Fermi görüldü Aynı kaynaktan gelen kütleçekim dalgalarının tespit edilmesinden sadece 1,7 saniye sonra nötron-yıldız birleşmesindeki gama ışını parlaması. Kütleçekim dalgaları 130 milyon ışıkyılı yol kat ettikten sonra gama ışınlarından çok az önce Dünya’ya ulaştı ve bu da kütleçekim dalgalarının ışık hızında ilerlediğini kanıtladı.

Bilim insanları, ışığın ve yerçekimsel dalgaların Dünya’ya kadar ortak yolculuk yaptığını hiç tespit etmemişti. Bu haberciler bir araya gelerek nötron yıldızlarının birleşmesine dair daha canlı bir resim çiziyor.

Devam eden araştırmalarla, GRB’lere ilişkin sürekli gelişen bilgimiz, evrenimizin görünmeyen dokusunu ortaya çıkarabilir. Ancak asıl patlama buzdağının sadece görünen kısmı. Yüzeyin hemen altında, hasat için hazır, sonsuz bir bilgi bolluğu beliriyor.