About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
Yaklaşık her yüzyılda bir, galaksimizin bir yerinde, büyük bir yıldızın yakıtı tükenir. Bu, sıcaklık ve basıncın milyonlarca yıl boyunca, yıldızın hidrojenini eriterek helyum, karbon, azot, demir gibi ağır elementlere dönüştürmesinden sonra gerçekleşir. Yapısını korumak için yeteri kadar enerji sağlayamayan yıldız kendi kütleçekim kuvvetine yenilerek çöker ve bir süpernova patlaması meydana gelir. Yıldızın içindeki maddeler uzaya dağılarak galaksiyi ağır elementlerle doldurur. Fakat bu büyük patlamanın ardında bıraktıkları daha da dikkate değerdir: Atomik elektronların kendi kuantum yörüngelerinden atomik çekirdeğin derinliklerine çökmesine neden olacak kadar yoğun bir madde topağı. Bu yıldızın ölümü sonucunda, bir nötron yıldızı doğar. Nötron yıldızı, evrende bilinen en yoğun nesnelerden biridir ve sıkışmış maddelerin garip fiziğini inceleyebileceğimiz bir laboratuvardır.
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
Peki nötron yıldızı nedir? Proton ve elektronların eriyerek nötronlara dönüştüğü ve "tam akışkan" adlı sürtünmesiz sıvıyı oluşturduğu dışı kabukla kaplı bir küre düşünün. Bu madde son derece yoğundur - dolu bir konteyner gemisi kütlesinin sıkıştırılarak bir saç teli kadar küçültülmesine veya Everest Dağı'nın bir küp şeker kadar sıkıştırılmasına eşdeğerdir. Nötron süperakışkanı, fizikçilerin "nükleer makarna" adını verdikleri evrelerden geçerek lazanyanın spagettiye dönüşmesine benzeyen bir şekil alır.
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
Nötron yıldızlarının öncüleri genelde döner. Çöktükleri zaman, genellikle milyonlarca kilometre genişliğindeki yıldızlar, yalnızca 25 kilometre eninde olan nötron yıldızlarına dönüşürler. Ama yıldız, kendi açısal momentumunu korur. Tıpkı bir artistik patinajcının ellerini kullanmasıyla birlikte dönüş hızının artması gibi, nötron yıldızı da yıldızın önceki halinden çok daha hızlı döner. Bilinen en hızlı nötron yıldızı saniyede 700 dönüş yapmaktadır. Bu da, yıldızın yüzeyindeki bir noktanın ışık hızının beşte birinden daha hızlı döndüğü anlamına gelir. Ayrıca, nötron yıldızları bilinen en güçlü manyetik alana sahiptir. Bu manyetik odaklanma, manyetik kutuplardan ışın saçan girdaplar oluşturur. Kutuplar her zaman yıldızın dönme ekseniyle aynı doğrultuda değildir, bu yüzden ışınlar, deniz feneri ışığı gibi döner. Dünyadan bakıldığında, yanıp sönüyormuş gibi görünür. Bunlara pulsar denir. Bu yanıp sönen gizemli sinyallerden birinin 1967'de astrofizikçi Jocelyn Bell tarafından keşfedilmesi, aslında nötron yıldızlarının da dolaylı keşfi olmuştur. Yaşlanmakta olan bir nötron yıldızı, elektromanyetik ve yerçekim dalgaları ile enerjisini saçarken şiddetli dönüşü milyarlarca yıllık bir süreçte yavaşlar.
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
Ama bütün nötron yıldızları böyle sessizce yok olmazlar. Örneğin, bir nötron yıldızının başka bir yıldızı yörüngesine aldığı ikili bir sistem gözlemledik. Nötron yıldızı, sonunda bir kara deliğe dönüşmeden önce kendisinden daha hafif bir yıldızın daha gevşek olan atmosferinden beslenebilir.
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
İkili sistem şeklinde var olan pek çok yıldız vardır. Fakat bunların yalnızca küçük bir kısmı nötron yıldızı ikili sistemine dönüşür. İki nötron yıldızı, sonunda birleşecekleri bir vals ile birbirinin etrafında döner. Sonunda çarpıştıklarinda uzay-zamandan yerçekimi dalgaları gönderirler, bu da durgun bir göle fırlatılan bir taşın yarattığı dalgalara benzer.
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
Einstein'nın genel görelilik kuramı bu fenomeni 100 yıldan fazla bir zaman önce öngörmüştü, fakat bu 2017 yılına kadar doğrulanmadı. 2017'de yerçekimi dalgası gözlemevleri olan LIGO ve VIRGO bir nötron yıldızı çarpışması gözlemledi. Diğer teleskoplar da gama ışını, şiddetli bir ışık patlaması ve sonra da aynı etkiye sahip olan x ışınları ve radyo sinyalleri yakaladılar. Bu, astronomi tarihinde üzerinde en çok çalışılan olay oldu. Ayrıca bu, yerçekimi hızının saptanmasını sağlayan astrofiziğin önemli teorilerini destekleyen, altın ve platin gibi ağır elementlerin kökeni hakkında kanıt sunan bir bilgi hazinesi oldu.
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
Fakat henüz nötron yıldızlarının tüm sırları henüz ortaya çıkmadı. LIGO ve VIRGO, daha çok çarpışma tespit etmeleri için güncelleniyor. Bu yoğun, titreşimli ve dönen mıknatısların mutheşem yokoluşlarının evren hakkında bize neler söyleyeceğini öğrenmemize yardımcı olacak.