Üç nötron yıldızından dersler

ESA’nın XMM-Newton’u 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 topların düşük sıcaklıklarının, bilinen modellerin yaklaşık %75’ini geçersiz kıldığı sonucuna varıyor. Bu, evrenin temel yasalarına ilişkin önemli çıkarımlarla birlikte, hepsini yöneten tek nötron yıldızı “durum denkleminin” ortaya çıkarılmasına yönelik büyük bir adımdır.

Kağıt yayınlanan dergide Doğa Astronomi.

Madde aşırı derecede sıkıştırılmış

Yıldız kütleli kara deliklerden sonra nötron yıldızları evrendeki en yoğun nesnelerdir. Her nötron yıldızı, yıldızın bir süpernovada patlamasından sonra geride kalan dev bir yıldızın sıkıştırılmış çekirdeğidir. Yakıtı bittikten sonra yıldızın çekirdeği yer çekimi kuvvetinin etkisi altında patlarken dış katmanları uzaya doğru fırlatılır.

Bir nötron yıldızının merkezindeki madde o kadar sıkı sıkıştırılmıştır ki, bilim adamları hala onun nasıl bir form aldığını bilmiyorlar. Nötron yıldızları isimlerini bu muazzam basınç altında atomların bile çökmesinden alır: elektronlar atom çekirdekleriyle birleşerek protonları nötronlara dönüştürür. Ancak aşırı ısı ve basınç, başka hiçbir yerde hayatta kalamayan daha egzotik parçacıkları stabilize edebileceğinden veya muhtemelen parçacıkları bir araya getirerek kendilerini oluşturan kuarklardan oluşan dönen bir çorba halinde eritebileceğinden, durum daha da tuhaflaşabilir.

Bir nötron yıldızının içinde olup bitenler, bir nötron yıldızının içinde hangi fiziksel süreçlerin meydana gelebileceğini açıklayan teorik bir model olan “durum denklemi” adı verilen bir modelle tanımlanır. Sorun şu ki, bilim insanları yüzlerce olası durum modeli denkleminden hangisinin doğru olduğunu henüz bilmiyorlar. Bireysel nötron yıldızlarının davranışı, kütleleri veya ne kadar hızlı döndükleri gibi özelliklere bağlı olsa da, tüm nötron yıldızlarının aynı durum denklemine uyması gerekir.

Çok soğuk

ESA’nın XMM-Newton ve NASA’nın Chandra misyonlarından elde edilen verileri inceleyen bilim insanları, aynı yaştaki benzerlerinden 10 ila 100 kat daha soğuk olan olağanüstü derecede genç ve soğuk üç nötron yıldızı keşfettiler. Araştırmacılar, özelliklerini farklı modellerin öngördüğü soğuma hızlarıyla karşılaştırarak, bu üç tuhaf topun varlığının, önerilen durum denklemlerinin çoğunu dışladığı sonucuna varıyorlar.

“Bu üç nötron yıldızının genç yaşı ve soğuk yüzey sıcaklığı, yalnızca hızlı bir soğuma mekanizmasının devreye sokulmasıyla açıklanabilir. Gelişmiş soğutma yalnızca belirli durum denklemleriyle etkinleştirilebildiğinden, bu, olası modellerin önemli bir bölümünü hariç tutmamıza olanak tanıyor.” Uzay Bilimleri Enstitüsü (ICE-CSIC) ve Katalonya Uzay Araştırmaları Enstitüsü’ndeki (IEEC) araştırma grubu araştırmayı yöneten astrofizikçi Nanda Rea’yı şöyle açıklıyor:

Gerçek nötron yıldızı durum denkleminin ortaya çıkarılmasının, evrenin temel yasaları açısından da önemli sonuçları vardır. Fizikçiler genel görelilik teorisiyle (büyük ölçeklerde kütle çekiminin etkilerini açıklayan) kuantum mekaniğiyle (parçacık düzeyinde olanları açıklayan) nasıl bir araya getirileceğini henüz bilmiyorlar. Nötron yıldızları, Dünya’da yaratabileceğimizin çok ötesinde yoğunluklara ve çekim gücüne sahip oldukları için bunun için en iyi test alanıdır.

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 üstün duyarlılığı, 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 çıkarabilmeye yönelik yalnızca 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 özelliklerinin belirlenmesine öncülük etti. Ekip, yüzeylerinden gönderilen X ışınlarından nötron yıldızlarının sıcaklıklarını çıkarırken, çevredeki süpernova kalıntılarının boyutları ve hızları da onların yaşlarına ilişkin doğru bir gösterge sağlıyordu.

Daha sonra Clara, farklı soğutma mekanizmalarını içeren durum denklemleri için nötron yıldızı “soğuma eğrilerinin” hesaplanmasında liderliği üstlendi. Bu, bir nötron yıldızının parlaklığının (doğrudan sıcaklığıyla ilgili bir özellik) zaman içinde nasıl değiştiğine ilişkin her modelin tahminlerinin planlanmasını gerektirir.

Bu eğrilerin şekli, bir nötron yıldızının birkaç farklı özelliğine bağlıdır; bunların tümü gözlemlerle doğru bir şekilde belirlenemez. Bu nedenle ekip, çeşitli olası nötron yıldızı kütleleri ve manyetik alan güçleri için soğuma eğrilerini hesapladı.

Sonunda Konstantinos’un liderliğindeki istatistiksel analiz hepsini bir araya getirdi. Simüle edilen soğuma eğrilerinin tuhaf topların özellikleriyle ne kadar iyi hizalandığını belirlemek için makine öğreniminin kullanılması, hızlı soğuma mekanizması olmayan durum denklemlerinin verilerle eşleşme şansının sıfır olduğunu gösterdi.

Nanda sözlerini şöyle bitiriyor: “Nötron yıldızı araştırmaları, parçacık fiziğinden yerçekimi dalgalarına kadar pek çok bilimsel disiplini aşıyor. Bu çalışmanın başarısı, ekip çalışmasının evreni anlamamızı ilerletmede ne kadar temel olduğunu gösteriyor.”