Yeni bir makale, demirden daha ağır elementlerin nötron yıldızlarının çarpışması sonucunda oluşabileceğini ortaya koydu.
Astronomy and Astrophysics dergisinde yayınlanan yeni bir makaleye göre evrenin oluşum sürecine dair önemli ipuçları sağlayan kilonova olayı gözlemlendi. İki nötron yıldızının çarpışması sonucu gerçekleşen bu devasa kozmik olay, sadece bir saniyeliğine bile olsa evrenin Büyük Patlama’dan hemen sonraki ilk anlardaki koşulları yeniden oluşturuyor. Bu tür patlamaları gözlemleyebilmek, astrofizik tarihinin en önemli sorularından biri olan ağır elementlerin (altın, platin vb.) nasıl oluştuğu sorusuna yanıt bulabilmek için büyük önem taşıyor.
Danimarka’daki Niels Bohr Enstitüsü’nden Albert Sneppen liderliğinde yürütülen çalışmada, bilim insanları ilk kez ağır elementlerden stronsiyum (Sr) ve itriyumun (Y) oluşum anını gözlemledi. Bunun yanı sıra, kilonova patlamasının sonucunda oluşan kara deliği de gözlemlemeyi başardılar. Kilonova patlamasının ortaya çıkardığı kara delik, oluşabilecek en küçük kara delik olma özelliğini taşıyor.
Kilonova, iki nötron yıldızının (süper dev yıldızın çökmüş çekirdeklerinin) birbiriyle çarpışması sonucu oluşan, son derece parlak ve kısa ömürlü bir patlamayı ifade ediyor. Bu patlama sırasında açığa çıkan enerji, evrendeki en ekstrem koşullardan bazılarını oluşturuyor. Sıcaklık ve basınç, atom çekirdeklerinin ve elektronların birleşmesini sağlayan olağanüstü düzeylere ulaşıyor.
Kilonova gibi yüksek enerji açığa çıkaran kozmik olayların anlaşılması, elementlerin nasıl oluştuğunun anlaşılması açısından büyük bir dönüm noktası. Yıldızların yaşam döngüsünde ortaya çıkan oksijen, karbon ve demir gibi elementlerin oluşumu şimdiye dek anlaşılabilmişti. Ancak demirden daha ağır elementlerin (örneğin altın, platin ya da stronsiyum) nasıl oluştuğu uzun zamandır çözülemeyen bir gizemdi. Kilonova gibi kozmik patlamalar, bu soruya nihayet yanıt veriyor.
Kilonovanın peşinden
Kilonova araştırmalarının kökleri, 1970’lerde nötron yıldızlarının birleşme olayları üzerine yapılan teorik çalışmalarla başlıyor. Bu dönemde bilim insanları, nötron yıldızlarının çarpışmasının büyük miktarda enerji üretebileceğini ve kısa süreli gama ışını patlamalarına yol açabileceğini öne sürüyor. Aynı dönemde geliştirilen r-süreci teorisi, bu tür yüksek enerjili patlamalarda demirden daha ağır elementlerin oluştuğunu açıklamaya çalışıyor. Ancak, dönemin teknolojik kısıtlamaları nedeniyle bu olaylar doğrudan gözlemlenemiyor ve bu tür patlamalar tamamen teorik bir çerçevede ele alınıyor.
R-süreci (rapid neutron-capture process), evrendeki ağır elementlerin (demirden daha ağır olanlar, örneğin altın, platin, uranyum) nasıl oluştuğunu açıklayan bir nükleosentez süreci olarak tanımlanıyor. Bu teori, nötron bakımından zengin ortamlarda gerçekleşen hızlı nötron yakalama olaylarına dayanıyor. R-süreci teorisi, özellikle süpernova patlamaları ve nötron yıldızı birleşmeleri gibi yüksek enerjili astrofiziksel olaylarda, atom çekirdeklerinin büyük miktarlarda nötronları hızlı bir şekilde emerek daha ağır elementlere dönüştüğünü öne sürüyor.
1990’lara gelindiğinde, NASA’nın Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) gibi uzay teleskopları sayesinde kısa süreli gama ışını patlamaları tespit edilmeye başlanıyor. Ancak bu patlamaların nötron yıldızı birleşmeleriyle ilişkili olduğu henüz kanıtlanamıyor. Yine de 1993 yılında fizikçiler, bu tür patlamaların kaynağının nötron yıldızlarının çarpışması olabileceğini iddia ediyor. Bu dönemde elde edilen veriler, gama ışını patlamalarının ardından gelen optik veya kızılötesi ışık yayını gibi doğrudan kanıtların eksik olduğunu gösteriyor ve bilim insanları bu teoriyi doğrulamak için daha hassas gözlem araçlarına ihtiyaç duyuyor.
2000’li yıllarda teleskop teknolojisinin gelişmesi, kilonova patlamalarına dair somut gözlemler yapılmasını sağlıyor. 2013 yılında NASA’nın Swift ve Hubble Uzay Teleskopları gibi araçlar kullanılarak, kısa süreli bir gama ışını patlamasının ardından gelen optik ve kızılötesi bir parlama ilk kez tespit ediliyor. Bu olay, bir kilonovanın doğrudan gözlemlendiği ilk vaka olarak tarihe geçiyor. Patlamanın ardından yayılan ışığın analizi, bilim insanlarına ağır elementlerin oluşumuna dair daha fazla bilgi sağlıyor ve nötron yıldızlarının birleşmesinin elementlerin kaynağı olduğuna dair teorileri destekliyor.
2017 yılı, kilonova araştırmalarında bir dönüm noktası oluyor. LIGO ve Virgo kütleçekim dalgası dedektörleri, iki nötron yıldızının birleşmesinden kaynaklanan kütleçekim dalgalarını tespit ediyor. Bu olay, GW170817 adıyla anılıyor ve bilim insanları, bu kütleçekim dalgası sinyalinin ardından gelen ışık yayını ile kilonovanın detaylı bir analizini yapıyor. LIGO-Virgo işbirliğiyle başlayan bu gözlemler, dünya çapında teleskoplarla destekleniyor ve patlamanın farklı dalga boylarında (kızılötesi, optik, X-ışını ve radyo) incelenmesine olanak tanıyor. Bu gözlem, hem kütleçekim dalgalarının hem de elektromanyetik radyasyonun eşzamanlı tespit edildiği ilk olay olarak tarihe geçiyor.
7 yıl önce tespit edildi
Dr. Albert Sneppen ve ekibinin yürüttüğü çalışmada kilonovanın gözlemlenmesi ise dünyanın farklı bölgelerinden bilim insanlarının bir araya gelerek oluşturduğu bir teleskop ağı sayesinde gerçekleşti. Patlama, 2017 yılında LIGO ve Virgo dedektörleri tarafından kütleçekim dalgalarıyla tespit edildi. Bu dedektörler, iki nötron yıldızının birleşmesini işaret eden ilk verileri sağladı. Ardından, olayın elektromanyetik bileşenleri, çeşitli kara ve uzay tabanlı teleskoplarla gözlemlendi.
Öne çıkan teleskoplar arasında Avrupa Güney Gözlemevi’nin (ESO) Şili’deki Çok Büyük Teleskopu (VLT) ve NASA/ESA’nın Hubble Uzay Teleskopu bulunuyor. VLT, patlamanın ardından yayılan ışığın kızılötesi ve optik spektrumlarını analiz ederken, Hubble, patlamanın zamanla solan ışığını hassas bir şekilde takip etti. Bunun yanında, Güney Afrika’daki MeerKAT Radyo Teleskopu ve Hawaii’deki Subaru Teleskopu gibi kara tabanlı teleskoplar da patlamanın farklı aşamalarını gözlemleyerek katkı sağladı.
Bu teleskoplardan gelen veriler birleştirilerek kilonova patlamasının evrimi, sıcaklık değişimleri ve element oluşum süreçleri, r-süreci teorisi çerçevesinde detaylı bir şekilde incelendi. Danimarka’daki Niels Bohr Enstitüsü’nden Albert Sneppen, Niels Bohr Enstitütüsü’nün yayınladığı basın bülteninde, “Bu astrofiziksel patlama her an dramatik şekilde değişiyor. Tek bir teleskopla olayın tamamını izlemek mümkün olmuyor,” ifadelerini kullandı. Bu çalışma, kilonovanın anbean analiz edilmesine ve patlamanın ilk birkaç saniyesinde oluşan ağır elementlerin kökenlerinin araştırılmasına olanak tanıdı. Bu süreçte ilk kez stronsiyum ve itriyum elementlerinin iki nötron yıldızının çarpışması sırasında oluştuğu doğrulandı.
İki yıldız çarpışırsa, orada bir kara delik vardır
Kilonova patlamasının gözlemlerine dair bir diğer çarpıcı sonuç, evrendeki en küçük kara deliğin keşfedilmesi. Patlama sırasında nötron yıldızlarının birleşmesi, bu minyatür kara deliğin oluşmasına yol açıyor.
Kilonova sırasında, nötron yıldızlarının birleşerek kısa bir süre için hiperkütleli bir nötron yıldızı oluşturduğu, ardından bu yıldızın çökmeye devam ederek bir kara deliğe dönüştüğü düşünülüyor. Bu süreçte açığa çıkan enerji, çevredeki maddeyi ‘fırlatarak’ (throw out) devasa bir patlamaya ve ağır elementlerin oluşumuna neden oluyor. Dr. Sneppen ve meslektaşlarının yürüttüğü çalışmada, nötron yıldızlarının birleşmesinden geriye kalan kara deliğin kütlesi ve özellikleri, kilonova sırasında gözlemlenen elektromanyetik radyasyon ve kütleçekim dalgaları verileriyle belirlendi.
Patlama sırasında yayılan enerjinin miktarı ve çevredeki maddenin dağılımı, kara deliğin oluşum süreciyle ilişkili olduğundan, bilim insanları, bu birleşme sonucunda ortaya çıkan kara deliğin kütlesinin alışılmadık derecede küçük olduğunu belirledi. Bu sonuç, kara deliklerin alt kütle sınırlarını ve nötron yıldızlarının birleşme dinamiklerini anlamak için önemli bir veri sağlıyor. Özellikle, patlama sırasında çevredeki plazmanın sıcaklık ve yoğunluk değişimleri, kara deliğin nasıl ve ne kadar hızlı oluştuğuna dair ipuçları sunuyor. Dr. Sneppen ve ekibi, bu patlamayı izleyerek kara delik oluşumunun hem ağır element üretimiyle hem de patlamanın simetrik yapısıyla olan ilişkisini anlamaya çalıştı.
Araştırmanın ortak yazarlarından Rasmus Damgaard basın bülteninde, “Patlamanın ardından atom çekirdekleri ve elektronların birleştiği anı net bir şekilde görebiliyoruz,” diyerek, bu gözlemin, kozmik tarihimizdeki kritik döneme dair yepyeni bir pencere açtığını ifade etti.
