Bir jet, çökmüş bir yıldızdan kaçarken, bir yıldız enkazı kozasına yumruk atar. Kredi: Ore Gottlieb/CIERA/Kuzeybatı Üniversitesi
Şu ana kadar, yerçekimi dalgaları yalnızca ikili sistemlerden astrofizikçiler tarafından tespit edildi – iki kara deliğin, iki nötron yıldızının veya her birinden birinin füzyonu. Teorik olarak, ikili olmayan, tek bir kaynaktan yayılan yerçekimi dalgalarını tespit etmek mümkün olmalıdır, ancak bu tür anlaşılması zor sinyaller henüz keşfedilmedi.
Northwestern Üniversitesi’nden araştırmacılar şimdi bu zor sinyallerin yeni, beklenmedik ve tamamen keşfedilmemiş bir alanda aranabileceğini öne sürüyorlar: Ölmekte olan büyük yıldızları çevreleyen çalkantılı, enerjik enkaz kozaları.
Şimdiye kadar ilk kez, araştırmacılar bu kozaların yerçekimi dalgaları yayabileceğini göstermek için en son teknoloji simülasyonları kullandılar. Ve gama ışını patlama jetlerinin aksine, kozaların yerçekimi dalgaları, Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi’nin (LIGO) algılayabilir.
Çalışmayı yöneten Northwestern’den Ore Gottlieb, “Bugün itibariyle, LIGO yalnızca ikili sistemlerden yerçekimi dalgalarını tespit etti, ancak bir gün yerçekimi dalgalarının ilk ikili olmayan kaynağını tespit edecek” dedi. “Kozalar, bu tür bir kaynak için bakmamız gereken ilk yerlerden biri.”
Gottlieb yakın zamanda Amerikan Astronomi Derneği’nin 242. toplantısında sanal bir basın brifinginde araştırmayı sundu.
Yeni kaynak ‘görmezden gelmek imkansızdı’
Çalışmayı yürütmek için Gottlieb ve işbirlikçileri, devasa bir yıldızın çöküşünü modellemek için son teknoloji yeni simülasyonlar kullandılar. Devasa yıldızlar kara deliklere çöktüğünde, ışık hızına yakın hareket eden parçacıklardan oluşan güçlü çıkışlar (veya jetler) oluşturabilirler. Gottlieb’in simülasyonları, yıldızın çöktüğü andan itibaren bu süreci modelledi. Kara delik jet kaçana kadar.
Başlangıçta, bir kara deliğin etrafında oluşan birikim diskinin algılanabilir yerçekimi dalgaları yayıp yayamayacağını görmek istedi. Ancak verilerinden beklenmedik bir şey çıkmaya devam etti.
Kara deliğin doğumundan yıldızdan kaçışına kadar jet koza evrimi (renk haritası, eksen dışı gerinim genliğinin logaritmasıdır ve ses, GW frekansını yansıtır). Kredi bilgileri: Ore Gottlieb/CIERA/kuzeybatı Üniversitesi
Gottlieb, “Kara deliğin çevresinden gelen yerçekimi dalgalarını hesapladığımda, hesaplamalarımı bozan başka bir kaynak buldum – koza” dedi. “Görmezden gelmeye çalıştım. Ama görmezden gelmenin imkansız olduğunu gördüm. Sonra kozanın ilginç bir yerçekimi dalgası kaynağı olduğunu anladım.”
Jetler ölmekte olan yıldızın çökmekte olan katmanlarına çarptıkça, jetin etrafında bir balon veya bir “koza” oluşur. Kozalar, sıcak gazların ve döküntülerin rastgele karıştığı ve jetten her yöne doğru genişlediği çalkantılı yerlerdir. Gottlieb, enerjik balonun jetten hızlanırken, yerçekimi dalgalarından oluşan bir dalgalanma yaratmak için uzay-zamanı bozduğunu açıkladı.
Gottlieb, “Bir jet, bir yıldızın derinliklerinde başlar ve sonra kaçmak için çıkış yolunu deler” dedi. “Duvara bir delik açtığınızda olduğu gibi. Dönen matkap ucu duvara çarpar ve duvardan moloz dökülür. Matkap ucu o malzemeye enerji verir. Benzer şekilde, jet yıldızın içinden geçerek yıldızın malzemesinin ısınmasına ve dökülmesine neden olur. Bu enkaz, bir kozanın sıcak katmanlarını oluşturur.”
Kozalara bakmak için harekete geçirici mesaj
Gottlieb, eğer kozalar yerçekimi dalgaları üretiyorsa, LIGO’nun bunları yaklaşan çalışmalarında tespit edebilmesi gerektiğini söyledi. Araştırmacılar tipik olarak gama ışını patlamalarından veya süpernovalardan gelen tek kaynaklı yerçekimi dalgalarını aradılar, ancak astrofizikçiler LIGO’nun bunları tespit edebileceğinden şüphe ediyor.
Gottlieb, “Hem jetler hem de süpernovalar çok enerjik patlamalardır” dedi. “Ancak yerçekimi dalgalarını yalnızca daha yüksek frekanslı, asimetrik patlamalardan tespit edebiliyoruz. Süpernovalar oldukça küresel ve simetriktir, bu nedenle küresel patlamalar, yerçekimi dalgaları yaymak için yıldızdaki dengeli kütle dağılımını değiştirmez. Gama ışını patlamaları onlarca saniye sürüyor, yani frekans çok küçük — LIGO’nun duyarlı olduğu frekans bandından daha düşük.”
Ölmekte olan yıldızın kozasının 360 derecelik görünümü (renk haritası, logaritmik gerinim genliğidir). Kredi: Ore Gottlieb/CIERA/Kuzeybatı Üniversitesi
Bunun yerine Gottlieb, astrofizikçilerden dikkatlerini hem asimetrik hem de oldukça enerjik olan kozalara yönlendirmelerini istiyor.
“Çalışmamız, kozalara yerçekimi dalgalarının kaynağı olarak bakmak için topluluğa bir eylem çağrısıdır” dedi. “Kozaların elektromanyetik radyasyon yaydığını da biliyoruz, bu yüzden çoklu haberci olayları olabilirler. Onları inceleyerek, yıldızların en iç kısımlarında neler olduğu, jetlerin özellikleri ve yıldız patlamalarındaki yaygınlıkları hakkında daha fazla şey öğrenebiliriz.”
Referans: Ore Gottlieb, Hiroki Nagakura, Alexander Tchekhovskoy, Priyamvada Natarajan, Enrico Ramirez-Ruiz, Sharan Banagiri, Jonatan Jacquemin-Ide, Nick Kaaz ve Vicky Kalogera tarafından yazılan “Jetlenmiş ve Çalkantılı Yıldız Ölümleri: Yeni LVK-tespit edilebilir Yerçekimi-dalga Kaynakları”, 10 Temmuz 2023, bu Astrofizik Dergi Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/ace03a
Gottlieb, Northwestern’in Astrofizikte Disiplinlerarası Keşif ve Araştırma Merkezi’nde (CIERA) bir CIERA Üyesidir. Çalışmanın Kuzeybatı ortak yazarları arasında profesörler Vicky Kalogera ve Alexander Tchekovskoy, doktora sonrası yardımcılar Sharan Banagiri ve Jonatan Jacquemin-Ide ve yüksek lisans öğrencisi Nick Kaaz yer alıyor.
Çalışma Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklendi, NASAve Fermi Döngüsü 14 Konuk Araştırmacı programı. Bu gelişmiş simülasyonlar, Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı süper bilgisayar Zirvesi ve Ulusal Enerji Araştırmaları Bilimsel Hesaplama Merkezi’nin süper bilgisayarı Perlmutter tarafından ASCR Liderlik Bilgi İşlem Yarışması hesaplama süresi ödülü aracılığıyla mümkün hale getirildi.