Nötron yıldızlarının birleştirilmesi…

Kozmik olaylar, maddenin temel özellikleri hakkında nasıl fikir verir?

GÖRÜNTÜ
Süper Bilgisayarlarla Hesaplanan Birleşen Nötron Yıldızlarının Simülasyonu. Farklı Renkler kütle yoğunluk ve Sıcaklığı Göstermekte.

İki birleşen nötron yıldızının kütleçekim dalgalarını ölçme seçeneği, maddenin yapısı hakkındaki bazı temel soruları cevaplama şansı verdi. Birleşme aşırı yüksek sıcaklık ve yoğunluklarda, nötronların bileşenlerine çözüldüğü bir faz geçişini varsayıyor: kuarklar ve gluonlar. İki uluslararası araştırma grubu, yerçekimi dalgasında böyle bir faz geçişinin imzasının nasıl olacağının hesaplamaları üzerine rapor veriyorlar.

Maddenin en küçük yapı taşları olan kuarklar, doğada asla tek başına görünmezler. Protonların ve nötronların içine daima sıkıca bağlanırlar. Bununla birlikte, Güneş kadar ağır olan fakat sadece Frankfurt gibi bir kentin büyüklüğü olan nötron yıldızları, bir çekirdeğe sahip olduğu için nötron maddesinden kuark maddesine bir geçiş meydana gelebileceği için yoğunlaşır. Fizikçiler bu süreci sudaki sıvı-buhar geçişine benzer bir faz geçişi olarak adlandırırlar. Özellikle, böyle bir faz geçişi prensip olarak nötron yıldızlarının birleştirilmesi, atom çekirdeğinden daha yüksek yoğunluklu ve Güneş’in çekirdeğinden 10,000 kat daha yüksek sıcaklıklara sahip çok büyük bir meta-stabil nesne oluşturduğunda mümkündür.

Nötron yıldızlarının birleştirilmesiyle yayılan yerçekimi dalgalarının ölçümü, uzayda olası faz geçişlerinin habercisi olarak görev yapabilir. Faz geçişi, yerçekimi dalgası sinyalinde karakteristik bir imza bırakmalıdır. Frankfurt, Darmstadt ve Ohio (Goethe Üniversitesi / FIAS / GSI / Kent Üniversitesi) ile Darmstadt ve Wroclaw’dan (GSI / Wroclaw Üniversitesi) araştırma grupları, bu imzanın nasıl görünebileceğini hesaplamak için modern süper bilgisayarları kullandı. Bu amaçla faz geçişinin farklı teorik modellerini kullandılar.

Gerçek bir birleşmeden sonra bir faz geçişi olması durumunda, birleştirilen nesne boyunca az miktarda kuarklar yavaş yavaş görünecektir. “Einstein denklemleri sayesinde, ilk defa yapıdaki bu ince değişimin yerçekimi-dalga sinyalinde yeni oluşturulan masif nötron yıldızı siyahı oluşturmak için kendi ağırlığının altına çökene kadar bir sapma üreteceğini gösterebildik. Goethe Üniversitesi’nde teorik astrofizik profesörü olan Luciano Rezzolla açıklıyor.

Dr. Andreas Bauswein’in bilgisayar modellerinde Darmstadt’ta bir faz geçişi zaten birleştikten hemen sonra gerçekleşiyor – merkezi nesnenin iç kısmında kuark maddesinin çekirdeği oluşuyor. Bauswein, “Bu durumda yerçekimi dalga sinyali frekansında belirgin bir kayma olacağını göstermeyi başardık,” diyor. “Böylece, gelecekte nötron yıldızı birleşmelerinin yerçekimi dalgalarındaki bir faz geçişi için ölçülebilir bir kriter belirledik.”

Yerçekimi dalgası sinyalinin tüm detayları henüz mevcut dedektörlerle ölçülemez. Ancak, hem yeni nesil dedektörlerle hem de bize yakın olan bir birleşme olayında gözlemlenebilir hale gelecektir. Kuark maddesiyle ilgili soruları cevaplamak için tamamlayıcı bir yaklaşım iki deneyle sunulmaktadır: GSI’deki mevcut HADES kurulumunda ve şu anda yapım aşamasında olan Antiproton ve İyon Araştırmaları Tesisindeki (FAIR) CBM dedektöründeki ağır iyonları çarpıştırarak GSI’de, sıkıştırılmış nükleer madde üretilecektir. Çarpışmalarda, bir nötron-yıldız birleşmesindekine benzer sıcaklıklar ve yoğunluklar oluşturmak mümkün olabilir. Her iki yöntem de nükleer maddede faz geçişlerinin oluşumu ve dolayısıyla temel özelliklerine dair yeni bilgiler vermektedir.