İki nötron yıldızın kavuşmasının resmi. Uzay-zaman örgüsünün dalgalanması kütleçekimi dalgalarını, ince ışık demetleri ise kütleçekimi dalgalarının hemen ardından salınan gama ışını püskürmesini anlatıyor (NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)
Bilim insanları ilk kez iki nötron yıldızının birbiri etrafında dönerek kavuştuğunu gözlediler. Amerika’daki 2 LIGO detektörü ile İtalya’daki VIRGO detektörü bu olayın sebep olduğu kütleçekimi dalgalarını 17 Ağustos 2017 günü kaydetmişler. Bunun yeni ve önemli bir olay olduğu dedikoduları dolaşıyordu. LIGO açıklama yapacağını ilan ettiğinde bu kez gözlenen olayın iki nötron yıldızının kavuşması olduğunu tahmin etmiştim. Dün yapılan basın açıklaması ile aynı anda olayın çeşitli yönlerini anlatan makaleler bilim dergilerinde yayınlandı. Haber popüler bilim dergileri ve dünya medyasında patladı.
LIGO, 2015 ten beri karadelik çiftlerinin kavuşmasından gelen 4 kütleçekimi dalgası kaydetti. Kütleçekimi dalgalarının keşfi, LIGO girişiminin tasarımcı ve lideri olan Barry Barish, Kip Thorne ve Rainer Weiss’a 2017 Nobel Fizik Ödülünü kazandırdı (2017 Nobel Fizik Ödülü ile ilgili Sarkaç yazısı için tıklayınız).
Kütleçekimi Dalgası Nedir?
Yıldızların çoğu çiftler halinde birbiri etrafında dönerler. Einstein’ın Genel Görelilik Teorisine göre çiftyıldızlar uzayı eğip bükerler ve bu etki kütleçekimi dalgaları olarak uzayda dörtbir yana yayılır. Bu dalgalarla enerji kaybeden yıldız çifti gitgide birbirine yaklaşır ve birbiri etrafında daha da hızlı dönmeye başlarlar.
Kütleçekimi dalgaları çok zayıf bir etkidir, ancak yıldız çiftinin kütlelerine orantılı olarak ve çift birbirlerine iyice yaklaştığı son aşamada dalgalar şiddetlenir ve gözlenme imkanı ortaya çıkar.
(Video kredi: NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab)
En kuvvetli dalga kaynakları kavuşmadan önce birbirine en çok yaklaşabilenler, yani en küçük yıldızlardır. Karadeliklerin yarıçapları her güneş kütlesi başına 3 km olmak üzere taşıdıkları kütleye orantılıdır, Nötron yıldızları ise yaklaşık iki güneş kütlesinden hafiftirler ve yarı çapları 10-15 km’dir. Karadelik kavuşmaları çok daha kuvvetli kütleçekimi dalgaları salıyor. Uzak galaksilerden gözleniyor. Onun için ilk önce, 4 ayrı kaynaktan, karadelik çiftlerinin kavuşmasından kaynaklanan kütleçekimi dalgaları gözlendi. Bu kaynakların tümünde her iki karadelik 30’ar güneş kütlesi civarındaydı. (Bilim Akademisi Konferansı – Kütleçekimi Dalgaları)
120 milyon yıl önceki kavuşmadan gelen sinyal
2015’teki ilk kütleçekimi dalgası gözleminden itibaren tahminen 10 yıl içinde nötron yıldızı çiftlerinden gelen kütleçekimi dalgaları beklenirken, 2 yıl içinde yakın bir galaksiden gelen kütleçekimi dalgaları (yani GW170817) kaydedildi. Karadelik kavuşmalarına göre bize çok yakın olduğu için bu kaynak şimdiye kadar gözlenen en kuvvetli kütleçekimi dalgası kaynağı: ilk gözlenen çift karadelik kavuşması GW150914, 1.3 milyar ışık yılı uzakta bir galakside idi, oysa GW170817 sadece kabaca 120 milyon ışık yılı uzaktaki galaksi NGC 4993de olmuş.
Gördüğümüz kütleçekimi dalgaları 120 milyon yıl önce olan kavuşmadan beri uzayda dörtbir yana yayılmaktalar 17 Ağustos 2017 de dünyamıza ulaştılar. Sinyalin çözümlenmesiyle nötron yıldızlarının kendi etrafındaki dönme hızları da hesaba katıldığında, her birinin kütlesinin 1.17 ile 1.6 güneş kütlesi arasında olduğunu ve toplam kütlenin 2.74 (+/-) 0.01 güneş kütlesi olduğu anlaşılıyor. Kavuşma sırasında 0.025 güneş kütlesine eşdeğer enerji kütleçekimi dalgaları ile salınmış olmalı.
LIGO’da dönerek yaklaşıp kavuşma dansı 30 saniye süre ile kaydedilmiş. Nötron yıldızı çifti dönerek yaklaştıkça dönme hızı artıyor. Saniyede 50 kez (yani 50 Hz frekansla) yörüngede dönerken gitgide hızlanarak saniyede 300’ün üstünde kere (300-350 Hz) dönerken kavuşuyorlar ve dans bitiyor. Birkaç yüz Hertz insan kulağının duyduğu bir frekans (440 Hz standart oktavdaki orta La sesidir). Böylece GW170817 nin sinyali hoparlöre bağlanınca bu dansın pes seslerden başlayıp orta do re mi ye doğru çabucak tizleşip birden kesilen müziğini duyuyoruz.
Evrende nötron yıldızı çiftleri kara delik çiftlerinden çok daha bol olduğu için hele LIGO ve VIRGO detektörlerinin duyarlığı da planlandığı gibi arttıkça daha çok nötron yıldızı kavuşmaları izleyeceğiz. Üstelik nötron yıldızı kavuşmaları çok daha ilginç, zengin bilgi kaynakları. Çünkü nötron yıldızları etrafında madde bulunması çok daha yaygın, ve bu maddeler görünür ışık, gama, X ışını, radyo, uv yayıyor. Oysa karadeliklerin etrafı çok daha temiz, karadeliğe düşmeden etrafında etkin olan kütle aktarım diskleri ve jetler bulunabilse de bunların etkinliği çok daha sınırlı. Böylece nötron yıldızı çiftinin kavuşması sırasında kütleçekimi dalgaları ile birlikte büyük bir şenlik oluyor. Bu düğünün havai fişekleri gama ışınları, bildiğimiz ışık, morötesi, infrared, radyo dalgaları, herşey var.
GW170817 sinyalinden sadece 1.7 saniye sonra aynı yönden gelen bir Gama Işını Patlaması (Gamma Ray Burst) GRB170817A, Fermi LAT ve INTEGRAL gözlem uydularının gama ışını detektörlerince kaydedildi. Aradaki uzak mesafeye karşı kısacık zaman farkı kütleçekimi dalgalarının ışık hızıyla hareket ettiğini gösteriyor, ve sistemin etrafında gama ışınları yayan sıcak plazma “ateş topu” nun büyüklüğünü de veriyor. Olaydan sonraki 15-20 gün içinde gözlenen “kilonova” denen, ışık, morötesi ve kızılötesi ışınım parlamasının, sönüm biçimi bu ışınımın kaynağı olan nükleer reaksiyonlarla altın dahil ağır elementlerin üretildiğini, yani evrendeki ağır elementlerin bir kısmının nötron yıldızı kavuşmalarında üretildiğini gösteriyor . Morötesi ve X-ışını uydu gözlemleri etrafa yayılan maddenin hareketini ölçüyor.
GW170817’nin mesafesi gözlenen parlaklığı ile teorinin verdiği mutlak parlaklığı karşılaştırılarak bulunuyor. Elektromanyetik ışınımın analizinden de olayın bulunduğu galaksi NGC 4993’ün bizden uzaklaşma hızı elde ediliyor. Böylece Evrenin açılmasını belirleyen Hubble sabiti ilk kez araya başka gözlem yorumları girmeksizin dünyadan gözlenen tek bir olayla elde edilmiş oldu. Böylece ölçülen Hubble sabitinin değeri
$$H_0 =70 \left({+12}/{-8}\right) \frac{km/s}{Mpc}$$
Daha önce farklı yöntemlerle yapılan ölçümlerle tutarlı (Mpc=megaparsek).
Altın çift GW170817’den çok bilgi geldi – daha bir sürü ayrıntı öğreneceğiz. En önemlisi GW170817 sinyali nötron yıldızlarının kütleleri ile birlikte yarıçapları üzerine de bilgi veriyor. Nötron yıldızlarının kütleleri ile yarıçapları arasındaki ilişki ise maddenin ancak bu yıldızlarda olabilen en yüksek yoğunluklardaki etkileşmelerine bağlı. Nötron yıldızlarının kütle-yarıçap ilişkisi bir yandan CERN’deki deneylerle de anlamaya çalıştığımız bu temel etkileşmeler üzerine önemli bilgiler verebilir. Şimdiye kadar nötron yıldızları üzerine yapılan başka gözlemlerle anlaşılmaya çalışılan bu konuya GW 170817 yepyeni bir ışık tutuyor. Konunun önderlerinden Bilim Akademisi üyesi Feryal Özel ve aralarında BAGEP 2013 sahibi Tolga Güver’in de bulunduğu arkadaşlarının önceki çalışmalarına göre nötron yıldızlarının yarıçapı 14 km den az, belki 10 km civarında. GW170817 sinyali de bu sonuçlara uygun. Maddenin en yoğun durumunda temel etkileşmeleri öğrenmeye yaklaşıyoruz.
Ali Alpar
Bilim Akademisi üyesi
Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi öğretim üyesi
