Nötron yıldızı birleşmeleri kuark maddesinin gizemlerini aydınlatıyor

Nötron yıldızları, nükleer yakıtı tükenmiş ve bir süpernova patlaması ve ardından gelen bir kütleçekimsel çöküş geçirmiş eski yıldızların kalıntılarıdır. Çarpışmaları veya ikili birleşmeleri nadir olsa da, meydana geldiklerinde, bu şiddetli olaylar uzay-zamanın kendisini bozabilir ve Dünya’da yüz milyonlarca ışık yılı öteden tespit edilebilen kütleçekimsel dalgalar üretebilir.

Bir nötron yıldızı birleşmesi sırasında, yıldızlar hızla şekil değiştirir ve ısınır, bu da içlerindeki maddenin durumunda değişikliklere neden olur. Birleşme ayrıca, genellikle protonlar ve nötronlar içinde tutulan temel parçacıklar kuarklar ve gluonların serbest bırakıldığı ve serbestçe hareket etmeye başladığı kuark maddesi de üretebilir.

Helsinki Üniversitesi’nden Profesör Aleksi Vuorinen, son yıllarda bireysel nötron yıldızlarının özelliklerine ilişkin anlayışımızın nasıl önemli ölçüde ilerlediğini açıklıyor. Ancak, ulaşılan en yüksek yoğunluklarda veya dinamik ortamlarda ne olduğunu hâlâ tam olarak anlamış değiliz.

Vuorinen, “Nötron yıldızı birleşmelerini tanımlamak teorisyenler için özellikle zordur, çünkü tüm geleneksel teorik araçlar bu zamana bağlı ve gerçekten aşırı sistemlerde bir şekilde bozuluyor gibi görünüyor” diye açıklıyor.

Sicim teorisi ve bozucu QCD’ye dayalı yığın viskozitesinin belirlenmesi

Nötron yıldızı birleşmelerinin incelenmesindeki temel kavramlardan biri, nötron yıldızı maddesinin yığın viskozitesidir; bu, parçacık etkileşimlerinin sistemdeki akışa ne kadar güçlü bir şekilde direnç gösterdiğini tanımlar.

Helsinki Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, yurtdışındaki meslektaşlarıyla birlikte, iki farklı teorik yöntemi birleştirerek yoğun kuark maddesinin yığın viskozitesini başarıyla belirlediler. Kullanılan yaklaşımlardan biri sicim teorisine dayanırken, diğeri kuantum alan teorisinin klasik bir yöntemi olan bozulma teorisine dayanmaktadır.

Genel olarak, farklı viskoziteler belirli bir sıvının akışının ne kadar “yapışkan” olduğunu tanımlar. En bilinen örnek, etkileri bal ve su gibi maddelerin akışında görülebilen kayma viskozitesidir: bal yüksek viskoziteye sahip olduğu için yavaş akarken, su daha düşük viskozitesi nedeniyle daha hızlı akar.

Öte yandan, yığın viskozitesi, radyal salınımlar geçiren bir sistemdeki enerji kaybını tanımlar, yani yoğunluğu periyodik bir şekilde artar ve azalır. Tam olarak bu tür salınımlar nötron yıldızlarında ve birleşmelerinde meydana gelir ve yığın viskozitesini nötron-yıldız birleşmeleri için en merkezi taşıma katsayısı yapar.

Yakın zamanda yaptıkları çalışmada yayınlandı içinde Fiziksel İnceleme MektuplarıKuark maddesinin yığın viskozitesi iki şekilde belirlendi: AdS/CFT ikiliği olarak bilinen ve yaygın olarak holografi olarak bilinen yöntem ve bozulma teorisi kullanılarak.

Holografide, güçlü bir şekilde birleştirilmiş kuantum alan teorilerinin özellikleri, daha yüksek boyutlu eğri bir uzayda yerçekimini inceleyerek belirlenir. Kuark madde durumunda, bu, sistemin nötron yıldızı çarpışmalarında mevcut olan yoğunluklarda ve sıcaklıklarda tanımlanmasına olanak tanır; burada kuantum kromodinamiğinin (QCD), güçlü nükleer kuvvet teorisinin etkileşimleri çok güçlüdür. Ancak teknik nedenlerden dolayı, yöntem QCD’yi doğrudan tanımlayamaz, bunun yerine çok benzer özelliklere sahip bir fenomenolojik modeli inceler.

Yeni çalışmada kullanılan diğer yöntem, pertürbasyon teorisi, belki de teorik parçacık fiziği araştırmalarında en yaygın kullanılan araçtır. Bu yaklaşımda, fiziksel nicelikler, etkileşimin gücünü tanımlayan teorinin kuplaj sabitindeki kuvvet serileri olarak belirlenir. Bu yöntem QCD’yi doğrudan tanımlayabilir, ancak yalnızca nötron yıldızlarında bulunan yoğunlukların çok üzerinde uygulanabilir.

Araştırmacıların sevincine göre, iki yöntem de birbirine çok benzer sonuçlara yol açtı ve kuark maddesinde kütle viskozitesinin nükleer maddeye kıyasla çok daha düşük sıcaklıklarda zirve yaptığı fikrini destekledi.

Helsinki’den Akademi Araştırma Görevlisi Risto Paatelainen, “Bu bilgiler, nötron yıldızı maddelerinin ikili birleşmeleri sırasındaki davranışlarını anlamamıza yardımcı oluyor” diyor.

“Bu sonuçlar gelecekteki gözlemlerin yorumlanmasına da yardımcı olabilir. Örneğin, gelecekteki kütleçekim dalgası verilerinde viskoz etkiler arayabilir ve bunların yokluğu nötron yıldızı birleşmelerinde kuark maddesinin oluşumunu ortaya çıkarabilir,” diye ekliyor Üniversite Öğretim Görevlisi Niko Jokela.