Nötron yıldızları evrendeki en yoğun nesnelerden bazılarıdır. İçerisindeki madde o kadar sıkıştırılır ki bilim insanları henüz ne form aldığını bilmiyor. Bir nötron yıldızının çekirdeği kalın bir kuark çorbasından oluşabilir veya evrenin başka hiçbir yerinde hayatta kalamayacak egzotik parçacıklar içerebilir. Kaynak: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino ve diğerleri, düzenlendi
ESA’nın XMM-Newton ve NASAChandra, üç alışılmadık derecede soğuk, genç nötron yıldızını ortaya çıkardı ve bunların beklenenden çok daha hızlı soğuduğunu göstererek mevcut modellere meydan okudu.
Bu bulgunun önemli sonuçları vardır ve önerilen birçok önerinin yalnızca birkaçının geçerli olduğunu göstermektedir. nötron yıldızı Modellerin uygulanabilir olduğu ve astrofiziksel gözlemler yoluyla genel görelilik ve kuantum mekaniği teorilerinin birbirine bağlanmasında potansiyel bir atılımın mümkün olduğuna işaret ettiği belirtiliyor.
Olağandışı Soğuk Nötron Yıldızlarının Keşfi
ESA’nın XMM-Newton ve NASA’nın Chandra uzay aracı, yaşlarına göre alışılmadık derecede soğuk olan üç genç nötron yıldızı tespit etti. Bilim insanları, özelliklerini farklı nötron yıldızı modelleriyle karşılaştırarak, tuhaf yıldızların düşük sıcaklıklarının bilinen modellerin yaklaşık %75’ini diskalifiye ettiği sonucuna vardı. Bu, hepsini yöneten tek nötron yıldızı ‘durum denklemi’ni ortaya çıkarmak için büyük bir adımdır ve Evrenin temel yasaları için önemli çıkarımlara sahiptir.
Kara deliklerin yanı sıra, nötron yıldızları Evren’deki en şaşırtıcı nesneler arasındadır. Bir nötron yıldızı, çok büyük bir yıldızın (Güneşimizin yaklaşık sekiz katından daha büyük kütleye sahip) yaşamının son anlarında, çekirdeğindeki nükleer yakıt sonunda tükendiğinde oluşur. Ani ve şiddetli bir sonda, yıldızın dış katmanları bir süpernova patlamasında korkunç bir enerjiyle dışarı atılır ve geride toz ve ağır metaller açısından zengin muhteşem yıldızlararası madde bulutları bırakır. Bulutun (bulutsu) merkezinde, yoğun yıldız çekirdeği daha da büzülerek bir nötron yıldızı oluşturur. Bir kara delik, kalan çekirdeğin kütlesi yaklaşık üç güneş kütlesinden daha büyük olduğunda da oluşabilir. Kaynak: ESA
Aşırı Yoğunluk ve Maddenin Bilinmeyen Halleri
Yıldız kütleli kara deliklerden sonra, nötron yıldızları Evren’deki en yoğun nesnelerdir. Her nötron yıldızı, yıldızın bir süpernovada patlamasından sonra geride kalan dev bir yıldızın sıkıştırılmış çekirdeğidir. Yakıtı bittikten sonra, yıldızın çekirdeği yerçekimi kuvveti altında içe doğru çökerken dış katmanları uzaya doğru fırlatılır.
Bir nötron yıldızının merkezindeki madde o kadar sıkıştırılır ki bilim insanları hala ne form aldığını bilmiyorlar. Nötron yıldızları, bu muazzam basınç altında atomların bile çökmesinden dolayı isimlerini alırlar: elektronlar atom çekirdekleriyle birleşerek protonları nötronlara dönüştürür. Ancak aşırı ısı ve basınç başka hiçbir yerde hayatta kalamayan daha egzotik parçacıkları dengeleyebileceğinden veya parçacıkları bir araya getirip bileşen kuarklarından oluşan dönen bir çorbaya dönüştürebileceğinden durum daha da garipleşebilir.
Bir nötron yıldızında (solda), nötronları oluşturan kuarklar nötronların içinde hapsedilmiştir. Bir kuark yıldızında (sağda), kuarklar serbesttir, bu nedenle daha az yer kaplarlar ve yıldızın çapı daha küçüktür. Kaynak: NASA/CXC/M.Weiss
Bir nötron yıldızının içinde neler olup bittiği, bir nötron yıldızının içinde hangi fiziksel süreçlerin meydana gelebileceğini tanımlayan teorik bir model olan sözde ‘durum denklemi’ ile tanımlanır. Sorun şu ki, bilim insanları henüz yüzlerce olası durum denklemi modelinden hangisinin doğru olduğunu bilmiyor. Bireysel nötron yıldızlarının davranışı, kütleleri veya ne kadar hızlı döndükleri gibi özelliklere bağlı olabilirken, tüm nötron yıldızları aynı durum denklemine uymalıdır.
Nötron Yıldızı Soğuma Gözlemlerinin Sonuçları
ESA’nın XMM-Newton ve NASA’nın Chandra görevlerinden gelen verileri inceleyen bilim insanları, aynı yaştaki akranlarından 10-100 kat daha soğuk olan üç olağanüstü genç ve soğuk nötron yıldızı keşfettiler. Araştırmacılar, özelliklerini farklı modellerin öngördüğü soğuma oranlarıyla karşılaştırarak, bu üç tuhaf yıldızın varlığının önerilen çoğu durum denklemini geçersiz kıldığı sonucuna vardılar.
“Bu üç nötron yıldızının genç yaşı ve soğuk yüzey sıcaklığı yalnızca hızlı bir soğuma mekanizmasının öne sürülmesiyle açıklanabilir. Gelişmiş soğuma yalnızca belirli durum denklemleriyle etkinleştirilebildiğinden, bu bize olası modellerin önemli bir bölümünü hariç tutma olanağı sağlıyor,” diye açıklıyor Uzay Bilimleri Enstitüsü’ndeki araştırma grubu olan astrofizikçi Nanda Rea (BUZ-CSIC) ve Katalonya Uzay Çalışmaları Enstitüsü (IEEC) soruşturmayı yönetti.
Nötron Yıldızı Çalışmasıyla Teorileri Birleştirmek
Gerçek nötron yıldızı durum denklemini ortaya çıkarmak, Evrenin temel yasaları için de önemli çıkarımlara sahiptir. Fizikçiler, genel görelilik teorisini (büyük ölçeklerde yer çekiminin etkilerini tanımlayan) kuantum mekaniğiyle (parçacık seviyesinde ne olduğunu tanımlayan) nasıl bir araya getireceklerini henüz bilmiyorlar. Nötron yıldızları, Dünya’da yaratabileceğimiz her şeyin çok ötesinde yoğunluklara ve yer çekimine sahip oldukları için bunun için en iyi test alanıdır.
Nötron yıldızları, yıldızın bir süpernovada patlamasından sonra geride kalan dev yıldızların sıkıştırılmış çekirdekleridir. O kadar yoğundurlar ki bir şeker küpü kadar nötron yıldızı materyali, Dünya’daki tüm insanların ağırlığına eşit olurdu! Kaynak: ESA
Güçleri Birleştirmek: Keşfe Giden Dört Adım
Üç tuhaf nötron yıldızının çok soğuk olması, onları çoğu X-ışını gözlemevinin göremeyeceği kadar sönük hale getiriyor. XMM-Newton verileri üzerinde çalışan ESA araştırma görevlisi Camille Diez, “XMM-Newton ve Chandra’nın olağanüstü hassasiyeti, yalnızca bu nötron yıldızlarını tespit etmeyi değil, aynı zamanda sıcaklıklarını ve diğer özelliklerini belirlemek için yeterli ışığı toplamayı da mümkün kıldı” diyor.
Ancak hassas ölçümler, bu tuhaflıkların nötron yıldızı durum denklemi için ne anlama geldiğine dair sonuçlar çıkarabilmek için sadece ilk adımdı. Bu amaçla, Nanda’nın ICE-CSIC’deki araştırma ekibi, Alessio Marino, Clara Dehman ve Konstantinos Kovlakas’ın tamamlayıcı uzmanlığını birleştirdi.
Alessio, nötron yıldızlarının fiziksel özelliklerini belirlemeye öncülük etti. Ekip, nötron yıldızlarının sıcaklıklarını yüzeylerinden gönderilen X ışınlarından çıkarabiliyordu, çevredeki süpernova kalıntılarının boyutları ve hızları ise yaşları hakkında doğru bir gösterge sağlıyordu.
Daha sonra Clara, farklı soğutma mekanizmalarını içeren durum denklemleri için nötron yıldızı ‘soğuma eğrilerini’ hesaplamaya öncülük etti. Bu, her modelin bir nötron yıldızının parlaklığının (sıcaklığıyla doğrudan ilişkili bir özellik) zamanla nasıl değiştiğine dair öngördüklerini çizmeyi gerektirir. Bu eğrilerin şekli, bir nötron yıldızının birkaç farklı özelliğine bağlıdır ve bunların hepsi gözlemlerden doğru bir şekilde belirlenemez. Bu nedenle ekip, olası nötron yıldızı kütleleri ve manyetik alan kuvvetleri aralığı için soğuma eğrilerini hesapladı.
Son olarak Konstantinos’un liderliğindeki bir istatistiksel analiz her şeyi bir araya getirdi. makine öğrenme Simüle edilen soğuma eğrilerinin tuhaf parçacıkların özellikleriyle ne kadar iyi uyum sağladığını belirlemek, hızlı bir soğuma mekanizması olmayan durum denklemlerinin verilerle eşleşme şansının sıfır olduğunu gösterdi.
“Nötron yıldızı araştırması, parçacık fiziğinden, yerçekimi dalgalarıNanda, “Bu çalışmanın başarısı, evreni anlamamızda ekip çalışmasının ne kadar temel olduğunu gösteriyor” diyerek sözlerini tamamlıyor.
Referans: “Genç ve soğuk izole nötron yıldızlarından yoğun madde durum denklemine ilişkin kısıtlamalar” A. Marino, C. Dehman, K. Kovlakas, N. Rea, JA Pons ve D. Viganò, 20 Haziran 2024, Doğa Astronomi.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y