Hızlı soğuyan egzotik nesneler nötron yıldızı fiziğini yeniden yazıyor

Nötron yıldızları evrendeki en yoğun nesnelerden bazılarıdır. İçerideki madde o kadar güçlü bir şekilde sıkıştırılmıştır ki, bilim adamları onun hangi şekle büründüğünü henüz bilmiyorlar. Bir nötron yıldızının çekirdeği yoğun bir kuark çorbasından oluşabilir veya evrenin başka hiçbir yerinde yaşayamayacak egzotik parçacıklar içerebilir. Resim kredisi: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino ve diğerleri, düzenlendi

Avrupa Uzay Ajansı’nın XMM-Newton teleskopları tarafından yapılan son gözlemler NASANASA’nın Chandra teleskopu, olağandışı derecede soğuk üç genç nötron yıldızını ortaya çıkardı ve bu yıldızların beklenenden çok daha hızlı soğuduğunu göstererek mevcut modellere meydan okudu.

Bu sonucun önemli sonuçları vardır ve birçok öneriden yalnızca birkaçının Nötron yıldızı Bu modeller uygulanabilir ve astrofiziksel gözlemler yoluyla genel görelilik teorileri ile kuantum mekaniği arasında bağlantı kurmada bir atılım olasılığını gösteriyor.

Alışılmadık derecede soğuk nötron yıldızlarının keşfi

ESA’nın XMM Newton Gözlemevi ve NASA’nın Chandra Gözlemevi, yaşlarına göre alışılmadık derecede soğuk olan üç genç nötron yıldızı keşfetti. Bilim adamları, özelliklerini farklı nötron yıldızı modelleriyle karşılaştırarak, tuhaf yıldızların düşük sıcaklıklarının bilinen modellerin yaklaşık %75’ini geçersiz kıldığı sonucuna vardı. Bu, evrenin temel yasalarına ilişkin önemli çıkarımlarla birlikte, hepsini yöneten tek nötron yıldızı “durum denklemini” ortaya çıkarma yolunda büyük bir adımdır.

Kara deliklerin yanı sıra nötron yıldızları da evrendeki en şaşırtıcı nesnelerden bazılarıdır. Bir nötron yıldızı, çok büyük bir yıldızın (Güneşimizin kütlesinin sekiz katından daha fazla) ömrünün son anlarında, çekirdeğindeki nükleer yakıt sonunda tükendiğinde oluşur. Ani ve şiddetli bir sonla, bir süpernova patlamasıyla yıldızın dış katmanları muazzam bir enerjiyle fırlatılır ve geride toz ve ağır metaller açısından zengin yıldızlararası maddeden oluşan muhteşem bulutlar kalır. Bulutun (bulutsu) merkezinde, yıldızın yoğun çekirdeği bir nötron yıldızı oluşturmak üzere büzülür. Geriye kalan çekirdek kütlesi yaklaşık üç güneş kütlesinden büyük olduğunda da bir kara delik oluşabilir. Telif Hakkı: Avrupa Uzay Ajansı

Aşırı yoğunluk ve maddenin bilinmeyen halleri

Yıldız kütleli kara deliklerden sonra nötron yıldızları evrendeki en yoğun nesnelerdir. Her nötron yıldızı, yıldızın bir süpernovada patlamasından sonra kalan dev bir yıldızın kompakt çekirdeğidir. Yakıtı bittikten sonra yıldızın çekirdeği yer çekimi kuvvetinin etkisiyle çöker ve dış katmanları uzaya fırlatılır.

Bir nötron yıldızının merkezindeki madde o kadar sıkı bir şekilde sıkıştırılmıştır ki, bilim adamları hala onun nasıl bir şekil aldığını bilmiyorlar. Nötron yıldızları isimlerini bu muazzam basınç altında atomların bile çökmesinden alır: Elektronlar atom çekirdeğiyle birleşerek protonları nötronlara dönüştürür. Ancak durum daha da tuhaflaşabilir: Aşırı ısı ve basınç, başka yerde hayatta kalamayan daha egzotik parçacıkları stabilize edebilir veya parçacıklar, kendilerini oluşturan kuarklardan oluşan dönen bir çorba halinde birlikte eriyebilir.

Bir nötron yıldızında (solda), nötronları oluşturan kuarklar, nötronların içinde hapsedilmiştir. Bir kuark yıldızında (sağda), kuarklar serbesttir, dolayısıyla daha az yer kaplarlar ve yıldızın çapı daha küçüktür. Resim kaynak: NASA/XC/M. Weiss

Bir nötron yıldızının içinde olup bitenler, bir nötron yıldızının içinde meydana gelebilecek fiziksel süreçleri tanımlayan teorik bir model olan “durum denklemi” olarak adlandırılan şeyle tanımlanır. Sorun şu ki, bilim adamları yüzlerce olası durum modeli denkleminden hangisinin doğru olduğunu henüz bilmiyorlar. Bireysel nötron yıldızlarının davranışları, kütleleri veya ne kadar hızlı döndükleri gibi özelliklere bağlı olsa da, tüm nötron yıldızlarının aynı durum denklemine uyması gerekir.

Nötron yıldızı soğumasına ilişkin gözlemlerin etkileri

ESA’nın XMM Newton Gözlemevi ve NASA’nın Chandra Gözlemevi’nden 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 çeşitli modellerin öngördüğü soğuma hızlarıyla karşılaştırarak, bu üç egzotik yıldızın varlığının, önerilen durum denklemlerinin çoğunu dışladığı sonucuna vardı.

“Bu üç nötron yıldızının genç yaşı ve soğuk yüzey sıcaklığı, yalnızca hızlı bir soğuma mekanizmasının devreye sokulmasıyla açıklanabilir. Arttırılmış soğutma yalnızca belirli durum denklemleriyle etkinleştirilebildiğinden, bu, olası modellerin büyük bir bölümünü elememize olanak tanıyor. ” diye açıklıyor araştırma grubu Uzay Bilimleri Enstitüsü’nde çalışan fizikçi Nanda Rhea (ICE-CSIC) ve Katalonya Uzay Çalışmaları Enstitüsü (Uluslararası Atom Enerjisi Komisyonu) soruşturmayı yönetti.

Nötron yıldızını inceleyerek teorileri birleştirmek

Gerçek nötron yıldızı durum denkleminin keşfi aynı zamanda evrenin temel yasaları açısından da önemli çıkarımlara sahiptir. Fizikçilerin, (kütle çekiminin büyük ölçeklerdeki etkilerini açıklayan) genel görelilik teorisi ile (parçacık düzeyinde olup bitenleri açıklayan) kuantum mekaniği arasında nasıl bağlantı kuracaklarını henüz bilmedikleri biliniyor. Nötron yıldızları bunun için en iyi test alanıdır çünkü Dünya’da yaratabileceğimiz her şeyin çok ötesinde bir yoğunluğa ve yerçekimine sahiptirler.

Nötron yıldızları, yıldızın bir süpernovada patlamasından sonra kalan dev yıldızların kompakt çekirdekleridir. O kadar yoğundur ki, bir küp şekere eşdeğer nötron yıldızı maddesi miktarı, Dünya nüfusunun tamamı kadardır! Resim kredisi: Avrupa Uzay Ajansı

Güçleri birleştirmek: keşfe doğru dört adım

Üç tuhaf nötron yıldızı o kadar soğuktur ki çoğu X-ışını gözlemevi tarafından görülemeyecek kadar sönüktürler. ESA’da XMM üzerinde çalışan araştırma görevlisi Camille Diez, “XMM-Newton ve Chandra gözlemevlerinin üstün hassasiyeti, yalnızca bu nötron yıldızlarını tespit etmeyi değil aynı zamanda sıcaklıklarını ve diğer özelliklerini belirlemek için yeterli ışık toplamayı da mümkün kıldı” diyor. -Newton verileri.

Ancak hassas ölçümler, bu tuhaflıkların nötron yıldızı durum denklemi açısından ne anlama geldiğine dair sonuçlar çıkarabilmenin ilk adımıydı. Bu amaçla Nanda’nın ICE-CSIC’deki araştırma ekibi Alessio Marino, Clara Dehmann ve Konstantinos Kouvlaka’nın tamamlayıcı uzmanlıklarını bir araya getirdi.

Alessio, nötron yıldızlarının fiziksel özelliklerinin belirlenmesinde öncüydü. Ekip, yüzeylerinden gönderilen X ışınlarından nötron yıldızlarının sıcaklıklarını çıkarırken, onları çevreleyen süpernova kalıntılarının boyutları ve hızları da onların yaşlarına ilişkin doğru bir gösterge verdi.

Daha sonra Clara, farklı soğutma mekanizmalarını içeren durum denklemleri için nötron yıldızlarının “soğuma eğrilerinin” hesaplanmasında öncülük yaptı. Bu, nötron yıldızının parlaklığının (doğrudan sıcaklığıyla ilgili bir özellik) zaman içinde nasıl değişeceğine ilişkin her modelin tahminlerinin planlanmasını gerektirir. Bu eğrilerin şekli, nötron yıldızının pek çok farklı özelliğine bağlıdır; bunların tümü gözlemlerle kesin olarak belirlenemez. Bu nedenle ekip, çeşitli olası nötron yıldızı kütleleri ve manyetik alan güçleri için soğuma eğrilerini hesapladı.

Sonunda Constantinos’un önderlik ettiği istatistiksel analiz her şeyi bir araya getirdi. Makine öğrenme Simüle edilen soğuma eğrilerinin garip topların özelliklerine ne kadar iyi uyduğunu belirlemek için yapılan çalışma, hızlı soğuma mekanizması olmayan durum denklemlerinin verilerle eşleşme şansının sıfır olduğunu gösterdi.

“Nötron yıldızı araştırmaları parçacık fiziğinden tutun da pek çok bilimsel disiplini kesiyor… Yerçekimi dalgalarıNanda sözlerini şöyle bitiriyor: “Bu çalışmanın başarısı, evrene dair anlayışımızı ilerletmede ekip çalışmasının ne kadar önemli olduğunu kanıtlıyor.”

Referans: “Genç, soğuk izole nötron yıldızlarından gelen yoğun maddenin durum denklemine ilişkin kısıtlamalar”, A. Marino, C. Dehman, K. Koufelkas, N. Rea, J.A.Pons, D. Vigano, 20 Haziran 2024, Doğal astronomi.
DOI: 10.1038/s41550-024-02291-y