Kredi: NASA’nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi/CI Laboratuvarı
Güneş’in iki katı kütleye sahip bir yıldızı alıp Manhattan’ın boyutuna indirdiğini hayal edin. Sonuç, Evrenin herhangi bir yerinde bulunan en yoğun nesnelerden biri olan bir nötron yıldızı olacaktır. Aslında, Dünya’da doğal olarak bulunan herhangi bir malzemenin yoğunluğunu on trilyonlarca kat daha fazla aşıyorlar. Nötron yıldızları kendi başlarına olağanüstü astrofiziksel nesneler olsalar da, aşırı yoğunlukları, Dünya’da asla yeniden üretilemeyecek koşullar altında nükleer fiziğin temel sorularını incelemek için laboratuvarlar olarak işlev görmelerine de izin verebilir.
Nötron yıldızları o kadar yoğundur ki, tek bir çay kaşığının kütlesi yaklaşık bir trilyon kilogramdır.
Bu egzotik koşullar nedeniyle, bilim adamları hala nötron yıldızlarının tam olarak neyden yapıldığını, sözde “durum denklemi” (EoS) anlamış değiller. Bunu belirlemek, modern astrofizik araştırmalarının ana hedefidir. Yapbozun çeşitli olasılıkları sınırlayan yeni bir parçası, Institute for Advanced Study’deki (IAS) bir çift bilim adamı tarafından keşfedildi: Carolyn Raithel, John N. Bahcall School of Natural Sciences; ve Elias Most, Okul Üyesi ve John A. Wheeler Üyesi[{” attribute=””>Princeton University. Their paper was published recently in The Astrophysical Journal Letters.
Neutron star merger and the gravity waves it produces. Credit: NASA/Goddard Space Flight Center
Ideally, astrophysicists would like to look inside these exotic objects, but they are too small and distant to be imaged with standard telescopes. Researchers instead rely on indirect properties that they can measure—such as the mass and radius of a neutron star—to calculate the EoS. This is much like how one might use the length of two sides of a right-angled triangle to work out its hypotenuse. However, one issue here is that the radius of a neutron star is very difficult to measure precisely. A promising alternative for future observations is to instead use a quantity called the “peak spectral frequency” (or f2) in its place.
But how is f2 measured? Collisions between neutron stars, which are governed by the laws of Einstein’s Theory of Relativity, lead to strong bursts of gravitational wave emission. In 2017, scientists directly measured such emissions for the first time. “At least in principle, the peak spectral frequency can be calculated from the gravitational wave signal emitted by the wobbling remnant of two merged neutron stars,” says Most.
Bu animasyonda lanetli nötron yıldızları ölümlerine doğru dönerler. Yerçekimi dalgaları (soluk yaylar) yörünge enerjisini sızdırarak yıldızların birbirine yaklaşmasına ve birleşmesine neden olur. Yıldızlar çarpışırken, enkazın bir kısmı, neredeyse ışık hızında hareket eden parçacık jetlerinde patlar ve kısa bir gama ışını patlaması (macenta) üretir. Gama ışınlarına güç sağlayan ultra hızlı jetlere ek olarak, birleşme aynı zamanda daha yavaş hareket eden döküntüler de üretir. Birleşme kalıntısı üzerine yığılma tarafından yönlendirilen bir çıkış, hızla solan morötesi ışık (mor) yayar. Çarpışmadan hemen önce nötron yıldızlarından sıyrılan yoğun bir sıcak enkaz bulutu, görünür ve kızılötesi ışık (mavi-beyazdan kırmızıya) üretir. UV, optik ve yakın kızılötesi ışıma topluca kilonova olarak adlandırılır. Daha sonra, bize yönelen jetin kalıntıları görüş alanımıza girince X-ışınları (mavi) tespit edildi. Bu animasyon, GW170817’den dokuz gün sonrasına kadar gözlemlenen olayları temsil eder. Kredi: NASAGoddard Uzay Uçuş Merkezi/CI Laboratuvarı
Daha önce f bekleniyordu2 yarıçap için makul bir vekil olacaktır, çünkü -şimdiye kadar- araştırmacılar, aralarında doğrudan veya “yarı-evrensel” bir yazışma olduğuna inanıyorlardı. Ancak Raithel ve Most bunun her zaman doğru olmadığını gösterdi. EoS’yi belirlemenin olumsuzluk basit bir hipotenüs problemini çözmek gibi. Bunun yerine, bir cismin en uzun kenarını hesaplamaya daha yakındır. düzensiz üçüncü bir bilgiye de ihtiyaç duyulan üçgen: iki kısa kenar arasındaki açı. Raithel ve Most için bu üçüncü bilgi parçası, yalnızca yarıçaptan daha yüksek yoğunluklarda (ve dolayısıyla daha uç koşullarda) EoS hakkındaki bilgileri kodlayan “kütle-yarıçap ilişkisinin eğimi”dir.
Bu yeni bulgu, yeni nesil yerçekimi dalgası gözlemevleri (şu anda faaliyette olan LIGO’nun halefleri) ile çalışan araştırmacıların, nötron yıldızı birleşmelerinin ardından elde edilen verileri daha iyi kullanmalarını sağlayacaktır. Raithel’e göre, bu veriler nötron yıldızı maddesinin temel bileşenlerini ortaya çıkarabilir. Raithel, “Bazı teorik tahminler, nötron yıldız çekirdeklerinde, faz geçişlerinin nötronları kuark adı verilen atom altı parçacıklara çözebileceğini öne sürüyor” dedi. “Bu, yıldızların içlerinde bir serbest kuark maddesi denizi içerdiği anlamına gelir. Çalışmamız, yarının araştırmacılarının bu tür faz geçişlerinin gerçekten gerçekleşip gerçekleşmediğini belirlemesine yardımcı olabilir.”
Referans: Carolyn A. Raithel ve Elias R. Most, “İkili Nötron Yıldız Birleşmelerinden Birleşme Sonrası Yerçekimi Dalgalarında Yarı-evrenselliğin Dağılımı”, 13 Temmuz 2022, Astrofizik Dergi Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac7c75
