İki nötron yıldızı çarpışıyor

İki ölü yıldızın nasıl çarpıştığı, altın ürettiği ve 130 milyon yıl sonra Dünya'dan hem duyulup hem görüldüğü

Adım adım

İki nötron yıldızı

Her biri, büyük kütleli bir yıldızın çekirdeği bir süpernovada çöktüğünde geriye kalan şey: Güneş'ten fazla kütle, bir şehir büyüklüğünde bir topa sıkıştırılmış ve çoğu nötronlardan oluşuyor. Kütleçekimleri o kadar güçlü ki arka yüzlerinden gelen ışık bize doğru bükülüyor; bu yüzden olduklarından yaklaşık dörtte bir daha büyük görünüyorlar.

Her biri kendi süpernovasında doğdu, yine de ikisi birbirine bağlı kaldı. O zamandan beri yörüngeleri küçülüyor ve burada bir saatten biraz fazla süreleri kaldı. Hidra takımyıldızındaki NGC 4993 gökadasında bulunuyorlar.

Uzayda dalgalar

Dönerken uzayın kendisini sarsıyorlar. Kütleçekim dalgaları ışık hızıyla yayılıyor; uzayı bir yönde gerip öbür yönde sıkıştırıyor, her turda iki kez.

Dalgalar enerji taşıyıp götürüyor ve bu enerji yörüngeden geliyor; bu yüzden yıldızlar yaklaşıyor ve daha hızlı dönüyor. Nötron yıldızları, birleşmesi ilk duyulan kara deliklerden çok daha hafif; bu nedenle dalgaları daha zayıf, sarmalları da çok daha yavaş.

Burada dalgalar yörünge düzleminde çiziliyor: uzayın gerildiği yerler altın, sıkıştığı yerler mavi. Bu aşamada saniyede altı kez yükselip alçalıyorlar ve her biri yaklaşık 50.000 km uzunluğunda, Dünya'nın genişliğinin dört katı.

Gittikçe hızlanarak

Zaman hızlandırıldı: sonraki bir saatte yıldızlar 1000 km'den 400 km'ye yaklaşıyor ve saniyede 12 tura çıkıyor. Dalgaları artık LIGO ve Virgo'nun duyabileceği kadar hızlı.

Ne kadar yakınlarsa o kadar hızlı hareket ediyor ve dalgaları o kadar güçleniyor; bu yüzden yörünge giderek daha hızlı küçülüyor. Buradan sonra yıldızların 100 saniyesi kaldı ve bu sürede neredeyse 2000 tur daha atacaklar.

Dalgaların perdesi, yörüngenin saniyedeki tur sayısının iki katıdır. Saniyede 24 titreşimde yıldızlar, ABD'deki iki LIGO dedektörünün ve İtalya'daki Virgo'nun duyabileceği aralığa girdi; bu dedektörler saniyede yaklaşık ondan birkaç bine kadar titreşen dalgaları yakalar.

Son 100 saniye

Zaman önce hızlandırıldı, sonra yavaşlatıldı: son 100 saniyelerinde yıldızlar 400 km'den neredeyse birbirine değecek kadar yaklaşıyor, dalgaların perdesi de saniyede 24'ten binin üzerine çıkıyor.

LIGO ve Virgo'nun duyduğu buydu: yaklaşık 100 saniyede binlerce titreşim, gittikçe tizleşip güçlenen; kara delik birleşmelerinin verdiği saniyenin bir kesrinden çok daha uzun bir chirp. Sese dönüştürüldüğünde bir kuş ötüşü gibi yükseliyor.

Uzun chirp, yıldızları hassasça tartmayı sağladı. Kütlelerinin, perdenin ne kadar hızlı yükseleceğini belirleyen bileşimi binde bir Güneş kütlesi hassasiyetle 1,19 Güneş kütlesi çıktı; kütlelerin kendisi daha az kesin: yıldızlar, muhtemel olduğu gibi, yavaş dönüyorsa yaklaşık 1,46 ve 1,27 Güneş kütlesi.

Parçalandı

Yaklaşık 2000 kat yavaşlatılmış: birbirlerinin çekimiyle gerilen yıldızlar ışık hızının %40'ında birbirine değiyor. Gelgitler onlardan madde kolları koparıyor; bu kollar ışık hızının dörtte birine varan hızlarla fırlatılıyor.

Her yıldızın yakın yüzü, diğeri tarafından uzak yüzünden daha güçlü çekiliyor ve son turlarında gelgitler onları biçimsizleştiriyor. Çarpıştıklarında dış katmanları koparılıp iki kavisli kol halinde fırlatılıyor, dönen bir bahçe fıskiyesinden fışkıran su gibi.

Buluştukları yerde çarpışma maddeyi sıkıştırıp yüz milyarlarca dereceye kadar ısıtıyor ve daha fazla madde dışarı fışkırıyor, en hızlısı kutuplara doğru. Burada gerçekte ne olduğu yalnızca süper bilgisayar benzetimlerinden biliniyor; gösterilen şekiller onlara ancak kabaca uyuyor.

Uzun yaşayamayacak kadar ağır

İkisi, yaklaşık 2,7 Güneş kütleli, saniyede yüzlerce kez dönen tek bir yıldız oluyor. Kendini uzun süre taşıyamayacak kadar ağır olduğundan, bir enkaz diskiyle çevrili bir kara deliğe çöküyor.

Başta birleşmiş yıldızı yalnızca hızlı dönüşü ve sıcaklığı ayakta tutuyor. Bulunan en ağır nötron yıldızları iki Güneş kütlesinden ancak biraz fazla ve bu çarpışmanın ışığı, birleşmiş yıldızın saniyenin bir kesri içinde yaklaşık 15 km çapında bir kara deliğe çöktüğünü düşündürüyor.

Çevresinde dönmeye devam eden gaz sıcak, kalın bir disk oluşturuyor; kara delik onu yaklaşık bir saniye içinde yutuyor ya da savuruyor. Burada zaman önce yavaşlatılıyor, sonra hızlandırılıyor; fırlatılan madde bulutu da yıldız ve kara delik görünsün diye saydam çiziliyor.

Bir gama ışını jeti

Ekseni boyunca dar bir jet neredeyse ışık hızıyla fışkırıyor. Burada mor çizilen gama ışınları Dünya'ya dalgalardan 1,7 saniye sonra ulaştı.

Jeti büyük olasılıkla kara deliğin dönüşü ve diskin manyetik alanı sürüyor. Daha önce fırlatılmış maddeyi delip geçmesi gerekti. Hiçbir gözün göremeyeceği kadar enerjik olan gama ışınları, gökbilimcilerin kısa gama ışını patlaması dediği kısa parlamayı oluşturuyor.

NASA'nın Fermi uydusu bu patlamayı, yaklaşık iki saniye süren GRB 170817A'yı yakaladı. Alışılmadık derecede sönüktü, çünkü jet bize yönelmemişti: sonraki radyo görüntüleri yaklaşık 20 derece yana baktığını gösterdi. 130 milyon yıllık yolculuğun ardından dalgalardan 1,7 saniye sonra gelmesi, kütleçekiminin ışık hızında yayıldığını 10¹⁵'te bir hassasiyetle gösterdi.

Bir kilonova

Zaman hızlandırıldı: fırlatılan madde, yaklaşık 20.000 Dünya kütlesi, içindeki yeni ağır elementler bozundukça parlıyor. Bu parıltı, yani kilonova, yüz milyonlarca Güneş kadar parladı.

Yeni oluşan atomlar kararsızdır ve saatler, günler içinde bozunarak bulutu içeriden ısıtır. Bir novadan, yani beyaz cüce yüzeyindeki bir patlamadan yaklaşık bin kat daha parlak olduğundan 2010'da kilonova adı verildi. Bu, şimdiye dek görülen ilk kilonovaydı.

Çarpışmadan on bir saat sonra ilk görüldüğünde yaklaşık 270 milyon Güneş kadar parlıyordu ve sönmeye başlamıştı bile. İlk saatleri görülmedi, bu yüzden burada modellere dayanıyor. Mavimsi beyazdı, yaklaşık 10.000 dereceydi ve ışık hızının neredeyse üçte biriyle genişliyordu.

Altın ve platin

Günler hızlandırıldı: mavimsi beyazdan kırmızıya soğuyor ve sönüyor. Işığı demirden ağır elementlerin oluştuğunu gösteriyor: içinde stronsiyum bulundu, altın ve platin de oluştu.

Çarpışmadan sonraki ilk saniyede fırlatılan madde nötronca o kadar zengindi ki atomlar nötronları bozunabileceklerinden hızlı yuttu ve demirden çok daha ağır elementler kurdu. Buna hızlı süreç ya da r-süreci denir; demirden ağır elementlerin yaklaşık yarısının böyle oluştuğu düşünülüyor.

Altın ve platinle birlikte oluşan, lantanitler denen ağır atomlar mavi ışığı engeller; bu yüzden bulut seyreldikçe ışığı önce kırmızıya, sonra kızılötesine döner. Işığında 2019'da stronsiyum tanımlandı. Ne kadar altın oluştuğu daha belirsiz: tahminler Dünya kütlesinin birkaç katından birkaç yüz katına kadar uzanıyor.

Dünya'dan görüldüğü gibi

17 Ağustos 2017'de saat 12.41 UTC'de dalgalar Dünya'yı taradı, 1,7 saniye sonra da gama ışınları geldi. On bir saat sonra Şili'deki bir teleskop yeni ışığı NGC 4993 gökadasında buldu.

İki LIGO dedektörü ve Virgo birlikte kaynağı, Ay'ın alanının yaklaşık 130 katı büyüklüğünde bir gökyüzü parçasına, Hidra takımyıldızına ve yaklaşık 130 milyon ışık yılı uzaklığa daralttı. Dünyanın dört bir yanındaki teleskoplar hava kararır kararmaz oradaki gökadaları taradı.

Onu ilk bulan, Şili'de Las Campanas'taki Swope teleskobuydu: NGC 4993'ün merkezine yakın yeni bir ışık noktası. Birkaç gün içinde yedi kıtadaki ve uzaydaki yaklaşık 70 gözlemevi onu gama ışınlarından radyo dalgalarına kadar gözlemişti. Buradaki gökada basit bir modelden çiziliyor.

Duyuldu ve görüldü

Aynı olay ilk kez hem kütleçekim dalgalarında duyuldu hem de ışıkta görüldü. Evrendeki altının büyük kısmının nerede oluştuğunu gösterdi.

Çarpışan nötron yıldızlarının kısa gama ışını patlamalarına yol açtığını ve ağır elementler ürettiğini, kütleçekim dalgalarının da ışık hızında yayıldığını kanıtladı. Dalgaların şiddeti uzaklığı verdi; gökadanın bizden uzaklaşma hızı da evrenin ne kadar hızlı genişlediğini ölçmenin yeni bir yolunu sundu.

Günler sonra X ışınları, ardından radyo dalgaları belirdi: jetin aylarca parlamayı sürdüren art ışıması. 2019'da dedektörler başka bir nötron yıldızı çiftinin çarpışmasını duydu ama ondan gelen ışık bulunamadı. 2025'e gelindiğinde bu, hem duyulan hem görülen tek çarpışmaydı.

İki nötron yıldızı çarpışıyor

Adım adım