Kütleçekimsel dalgalar
Ağustos 2017'de, kütleçekim dalgalarının bir başka potansiyel tespiti hakkında söylentiler dolaşmaya başladı, ancak bu diğerlerinden çok farklıydı, çünkü karadelikler yerine iki nötron yıldızının birbirine çarpmasını içeriyordu. Ekim 2017'de dünyanın dört bir yanında düzenlenen basın toplantılarında bu söylentinin artık gerçek olduğu duyuruldu. Bu nötron yıldızı çarpışmasından tespit edilen kütleçekim dalgaları, inanılmaz derecede kompakt olan bu cisimler hakkındaki teorilerimiz için dumanı tüten bir silah görevi görüyor.
Kütleçekim dalgaları fikri, Einstein'ın genel görelilik teorisiyle ortaya atıldı. Bu dalgalar, gözlerimizle gördüğümüz görünür ışık gibi elektromanyetik ışınımın bir parçası değil. Bunun yerine, tıpkı gölete bırakılan bir taşın suyun yüzeyinde dalgalanmalar oluşturması gibi, uzay-zaman dokusunda bir kaynaktan yayılan dalgalanmalar. Kütleçekim dalgaları, diğer tüm hareket kaynaklarından izole edilmiş inanılmaz derecede hassas bir dedektörle etkileşime girdiklerinde tespit edilebilir. İlk kütleçekim dalgası olaylarını tespit etmek için kullanılan Lazer İnterferometre Kütleçekim Dalgası Gözlemevi'nin (LIGO) ABD'de iki tesisi bulunuyor. İtalya'da bulunan bir diğer dedektör Virgo ise bu iki tesisten sonra büyük güncellemelerle bu ava katıldı. Yaklaşık 130 milyon ışıkyılı uzaklıktaki NGC 4993 adlı bir galakside çarpışan iki nötron yıldızından gelen kütleçekim dalgalarını tespit eden LIGO/Virgo işbirliğiydi.
Bir nötron yıldızı, dev bir yıldız patladığında ve yıldızın yoğun çekirdeği kendi üzerine çöktüğünde oluşur. Çekirdekteki proton ve elektronlar bir araya gelerek nötronları oluşturur ve böylece bir nötron yıldızı meydana gelir. Nötronlar o kadar yoğun bir şekilde paketlenmiştir ki, Güneş'in iki katı kütleye sahip bir nötron yıldızı küçük bir şehrin alanına sığabilir. Her iki yıldızın da süpernova olarak patladığı bir çift yıldız sistemi, bir çift nötron yıldızı sistemi üretebilir. Nötron yıldızları yavaşça birbirlerine doğru sarmallar çizerek yaklaşmaya başlarlar. NGC 4993'te keşfedilen nötron yıldızı birleşmesi örneğinde, yörüngelerinin 11 milyar yıl süresince küçülmesi sonucunda kütleçekim dalgaları şeklinde enerji açığa çıktı. Yörünge küçüldükçe bu dalgaların boyutu ve eğimi artıyor ve sonunda iki nötron yıldızı birbirine çarpıyor. Bu, astronomların kilonova olarak adlandırdığı bir patlama olayıdır.
Bu kilonovadan geldiği keşfedilen kütleçekim dalgaları GW170817 (kütleçekim dalgalarının 17 Ağustos 2017'de keşfedildiği anlamına geliyor), evrende adeta bir ürperti yarattı. Bu olayı daha da özel kılan şey, kütleçekim dalgalarının ilk kez tespit edilmesinden iki saniye sonra NASA'nın Fermi Gama Işını Uzay Teleskobu'nun gökyüzünün aynı bölgesinden yayılan gama ışınlarını tespit etmesiydi. Nötron yıldızlarının çarpışmalarının kısa gama ışını patlaması (GRB) olarak bilinen olayla gama ışınları yayması bekleniyordu. Türünün ilk örneği olan bu ortak tespit, bu ışınların nötron yıldızlarının birleşmesinden kaynaklandığını doğruladı.
Bu olayda, kilonova patlamasından sonra ortaya çıkan parıltının görülmesi için tüm gözler kütleçekim dalgalarının tespit edildiği Suyılanı Takımyıldızı çevresindeki uzay bölgesine çevrildi. Dünya'daki ve uzaydaki teleskoplar gökyüzünü tarayarak artçı ışımayı aradı. Şili'deki bir metrelik Swope Teleskobu, merceksi galaksi NGC 4993'teki (merceksi galaksiler çok fazla toz barındıran disk şeklindeki galaksilerdir) soluk artçı ışımayı ilk kez tespit etti. Hemen ardından, Hubble Uzay Teleskobu (HUT), NASA'nın Chandra X-ışını Teleskobu, Çok Büyük Teleskop (ÇBT) ve Şili'deki Atacama Büyük Milimetre/milimetre-altı Dizisi (ALMA) dahil olmak üzere hemen hemen tüm büyük profesyonel teleskoplar elektromanyetik tayf boyunca gözlem yapmak üzere NGC 4993'e yöneldi.
Fotoğraf: Bir nötron yıldızı son derece yoğundur. Bir sanatçının gözünden Manhattan'a kıyasla bir nötron yıldızının büyüklüğü - © Nicholas Forder
Warwick Üniversitesinden Danny Steeghs, ikili bir nötron yıldızı birleşmesinin çeşitli elektromanyetik dalgaboylarında sinyaller üretmesinin önceden beklendiğini belirtiyor. “Bu beklenti nedeniyle, bir dizi tesis kullanarak bu tür olayları takip etmek için birçok grup kuruldu. La Palma'da, kütleçekim dalgası tespitleriyle eşzamanlı hızlı optik salınımları aramak için özel olarak tasarlanmış GOTO adlı özel bir optik cihaz konuşlandırdık. Buradaki zorluk kaynağın yerini hızlı bir şekilde tespit etmek, böylece HUT, ÇBT ve benzeri güçlü dar alan teleskopları bu tür sinyalleri daha fazla incelemek üzere konuşlandırılabilir.”
İki nötron yıldızının çarpışması son derece önemli bir keşif. GW170817'den gelen kilonova gözlemleri, evrendeki en ağır elementlerden bazılarının çarpışan nötron yıldızları tarafından üretildiğini kanıtladı. Bir elementin "ağırlığı" kaç proton ve nötrona sahip olduğunu ifade eder. Hidrojen en hafif elementtir çünkü sadece bir protonu vardır ve hiç nötronu yoktur. Ağır elementler daha fazla proton ve nötrona sahiptir ve üretilmeleri daha zordur. Bir nötron yıldızı çarpışmasını çevreleyen ortam mükemmel bir ağır element fabrikasıdır, çünkü çarpışmadan fırlayan madde o kadar yüksek bir yoğunluğa sahiptir ki nötronları yeni elementler oluşturmak üzere bir araya gelmeye zorlanırlar. Ancak bu elementler kararlı değildir, bu nedenle hızla bozunurlar ve bozunurken çarpışmadan sonra birkaç hafta boyunca kilonova artçı ışımasına güç veren ısıyı üretirler. Artçı ışımanın Şili'deki Görünür ve Kızılötesi Astronomi Araştırma Teleskobu (VISTA) ve Spitzer Uzay Teleskobu tarafından kızılötesi ışıkta tespit edilmesi, nötron yıldızlarının gerçekten de bu elementleri ürettiğini doğruladı.
Bu keşif, elementlerin nasıl üretildiğine dair modellerimizin doğruluğunu teyit ettiği için altın değerinde bir keşifti. Aslında, bu yazıyı okuduğunuz şu anda büyük olasılıkla bu ağır elementlerden bazılarını taşıyorsunuz. GW170817'nin kilonovasında üretilen elementler Jüpiter'in kütlesine eşdeğer saf altın içeriyordu. Mücevherlerinizdeki altının da bir zamanlar eski bir nötron yıldızı birleşmesinde ortaya çıkmış olması kuvvetle muhtemel.
GW170817'den tespit edilen kısa GRB ve ardından X-ışınları da bize bu dramatik derecede şiddetli nötron yıldızı birleşmesi hakkında bilgi verdi.
Steeghs, "Bir çift nötron yıldızı sistemi ve kısa GRB modelleriyle eşleşen kütleçekim dalgası sinyalinin tesadüfen tespit edilmesi, bu bağlantının doğrudan bir kanıtı" dedi. "Ancak, normalde GRB sadece yüksek oranda kolimasyonlu ışınım bize doğru yöneldiğinde beklenir, bu nedenle birçok birleşme için sadece kütleçekim dalgası sinyalini görebiliriz."
Özellikle de şimdiye kadar tespit edilen en yakın GRB'lerden biri olduğu düşünüldüğünde, 17 Ağustos 2017'de tespit edilen kısa GRB şaşırtıcı derecede zayıftı.
Chandra X-ışını Teleskobu 19 Ağustos'ta kilonovadan beklenen X-ışınlarını aramaya başladığında hiçbir şey göremedi. X-ışınları 26 Ağustos'a kadar, yani olaydan on gün sonrasına kadar tespit edilemedi. Bilim insanları X-ışınlarının tespitindeki gecikme ile GRB'nin sönüklüğünün bağlantılı olduğundan şüpheleniyor. Gama ışınları, nötron yıldızı birleşmesinden fırlayan bir madde jeti (yoğun ışınım ve yüklü parçacık demeti) tarafından üretilir ve eğer bu jetin doğrultusu bize dönük değilse, gözlemlerdeki sönüklük de bu şekilde açıklanabilir. X-ışınları da jet tarafından üretilir ve eksen dışı teoride ancak jet yavaşlamaya ve dışarıya doğru yayılarak daha net görünmeye başladığında belirgin hale gelirler.
Bu arada, çarpışan nötron yıldızlarından gelen kütleçekim dalgası sinyali, bir karadelik çarpışmasından çok farklı görünür ve böylece sinyalden yeni bilgilerin çıkarılmasına izin verir. Dalganın değişen yüksekliği ve eğimi, birleşmenin tam fiziğini çıkarmak için modellenebilir. Nötron yıldızları karadeliklerden daha az kütleli olduğundan, dalganın genliği (yüksekliği) bir karadelik birleşmesi kadar güçlü değil, ancak sinyal karadelik birleşmelerindeki saniyenin kesirlerine kıyasla çok daha uzun süre (60 saniyeden fazla) sürdü. Sinyal yeterince güçlü olsaydı, her bir nötron yıldızının ayrı ayrı kütlelerini belirlemek mümkün olabilirdi. Astronomlar iki nötron yıldızının toplam kütlesinin Güneş'in kütlesinin 2,82 katı olduğu sonucuna vardılar, ancak bu kütlenin iki nötron yıldızı arasında nasıl bölündüğü konusunda halen emin değiller. Bilim insanları birleşmenin geride ne bıraktığından bile emin değiller. Bu iki nötron yıldızının çarpışma sonucunda hiper kütleli bir nötron yıldızı oluştuğu ve bunun da milisaniyeler içinde bir karadelik olarak çöktüğü görüşler arasında. Bir diğer görüş ise çarpışmanın kalıntısının hiper kütleli bir magnetar olduğu yönünde.
Çarpışan nötron yıldızları tespit edildikçe, kütleçekim dalgalarının ve optik karşılıklarının eşzamanlı analizinin eninde sonunda bir nötron yıldızının içinde neler olup bittiğini ortaya çıkaracağı umuluyor.
Bu, kütleçekim dalgalarının geleneksel ışık temelli astronomi ile birlikte ilk kez incelenmesi bilim insanlarının 'çoklu mesaj astronomisi' olarak adlandırdıkları yeni bir astronomi çağını müjdeliyor. Gelecekte daha fazla nötron yıldızı birleşmesi tespit edildikçe, Einstein'ın genel göreliliği daha önce hiç olmadığı kadar test edilecek ve şüphesiz bu alanda yeni sürprizler ortaya çıkacak.
LIGO ve Virgo güçlerini birleştirerek kütleçekimsel dalga kaynaklarının yerini daha hassas bir şekilde belirleyebiliyorlar; bu hassasiyet astronomların NGC 4993'teki kilonovanın yerini belirleme sürecini hızlandırmalarına yardımcı oldu. LIGO'nun iki dedektörü tek başına çalışırken, kütleçekim dalgalarının tam olarak nereden yayıldığını söylemek mümkün değildi, ancak başka bir dedektörün eklenmesi, sinyallerin zamanlamasını karşılaştırarak konumu bulmayı kolaylaştırıyor. Çarpışan nötron yıldızlarından gelen kütleçekim dalgalarının tespiti 2017'ye kadar büyük bir heyecanla bekleniyordu ve artık kısa GRB'lerin nötron yıldızlarının birleşmesiyle oluştuğunu ve bu tür olayların ağır elementler ürettiğini bildiğimize göre, daha fazlasını öğrenmeye hazırız.
Gelecekteki daha kapsamlı tespitler bize nötron yıldızlarının aşırı fiziği hakkında daha fazla bilgi verirken, birleşen nötron yıldızlarından gelen sinyaller birleşmelere olan mesafeleri doğru bir şekilde ölçmek için kullanılabilir. Bu mesafeler daha sonra evrenin genişleme oranını ölçmek için kullanılabilir. Bunlar sadece çok çok uzak bir galakside çarpışan ölü yıldızların çekirdekleri olabilir, ancak bize evren hakkında öğretebilecekleri, herkesin hayal edebileceğinden çok daha büyük olabilir.
