GW170817

GW170817, 17 Ağustos 2017'de LIGO ve Virgo dedektörlerinin yakaladığı kütleçekim dalgası sinyalinin adıdır. Sinyal, yaklaşık 130-140 milyon ışık yılı uzaktaki NGC 4993 galaksisinde birbirinin çevresinde dolanan iki nötron yıldızının son saniyelerinden ve birleşmesinden geliyordu. Önceki beş tespitin hepsi kara delik birleşmeleriydi ve ışık vermeleri beklenmiyordu; GW170817 ise elektromanyetik ışımayla kesin olarak eşleştirilen ilk kütleçekim dalgası oldu. Gama ışınlarından radyo dalgalarına kadar 70'ten fazla gözlemevinin aynı olayı izlemesi, çoklu haberci astronomi denen yaklaşımın gerçek anlamda doğuşu sayılır. Science dergisi bu keşfi 2017'nin "Yılın Atılımı" seçti.

Uzay-zamandaki bu dalgalanmaların ne olduğu kütleçekim dalgası sayfasında, sinyali yakalayan dedektörler ise LIGO sayfasında anlatılıyor. Bu sayfa olayın kendisine ve öğrettiklerine odaklanıyor.

Sinyal nasıl yakalandı?

Kara delik birleşmelerinden gelen sinyaller dedektörlerde birkaç saniye sürer. GW170817 ise yaklaşık 100 saniye boyunca izlendi. Sinyal 24 hertz frekansta başladı, yaklaşık 3.000 salınım boyunca hem frekansı hem şiddeti artarak birkaç yüz hertze çıktı ve çarpışma anı UTC ile 12:41:04'te kaydedildi. Bu yükselen "cıvıltı" biçimi, birbirine spiral çizerek yaklaşan iki yoğun cismin tipik imzasıdır.

Dalga önce İtalya'daki Virgo'ya, 22 milisaniye sonra ABD'nin Louisiana eyaletindeki LIGO-Livingston'a, 3 milisaniye sonra da Washington eyaletindeki LIGO-Hanford'a ulaştı. Bu küçük gecikmeler, kaynağın gökteki yönünü daraltmaya yaradı. Virgo'nun sinyali açıkça görememesi de işe yaradı: kaynak, dedektörün kör noktalarından birinde olmalıydı. Üç dedektörün verisi birleştirildiğinde arama alanı güney göğünde yaklaşık 31 kare dereceye indi; sonraki hesaplar bunu 28 kare dereceye daralttı.

Gama ışınları: 1,7 saniye sonra

Olayın ilk elektromanyetik izi, birleşmeden yaklaşık 1,7 saniye sonra başlayan ve 2 saniye kadar süren kısa bir gama ışını patlamasıydı. GRB 170817A adı verilen bu patlamayı önce NASA'nın Fermi Gama Işını Uzay Teleskobu gördü ve 14 saniye içinde otomatik uyarı yayımladı; ESA'nın INTEGRAL uydusunun verilerinde de aynı patlama bulundu. İki uydunun ölçümleri arasındaki zaman farkı konumun iyileştirilmesine katkı sağladı.

Bu eşleşme, kısa gama ışını patlamalarının en azından bir bölümünün nötron yıldızı birleşmelerinden kaynaklandığı yönündeki uzun süreli varsayımı doğruladı. Patlama, galaksinin yakınlığına göre beklenenden sönüktü; bunun en makul açıklaması, jetin doğrudan Dünya'ya değil, yaklaşık 30 derece yana dönük olmasıdır.

Kilonova: AT 2017gfo

Ardından yoğun bir arama başladı. İş kolay değildi: arama alanı dolunayın yaklaşık 150 katıydı ve gökte Güneş'e yakın olduğu için her teleskop bölgeyi akşam karanlığından sonra yalnızca birkaç saat görebiliyordu. Birleşmeden 10 saat 52 dakika sonra, Şili'deki Las Campanas Gözlemevi'nde 1 metrelik Swope teleskobuyla çalışan bir ekip NGC 4993'te yeni bir ışık kaynağı buldu. Kaynak önce SSS17a adıyla duyuruldu, sonra Uluslararası Astronomi Birliği'nin verdiği resmî AT 2017gfo adını aldı. Altı ayrı ekip aynı kaynağı 90 dakika içinde bağımsız olarak görüntüledi.

Bu ışık bir kilonovaydı: birleşme sırasında fırlayan, nötronca zengin maddenin içinde oluşan radyoaktif ağır çekirdeklerin bozunmasıyla parlayan, hızla genişleyen ve soğuyan bir bulut. Kaynağın rengi günler içinde maviden kırmızıya döndü; tayflarda maddenin ışık hızının kabaca yüzde 10'uyla fırladığını gösteren geniş çizgiler belirdi. Renk değişimi ve tayf, bilinen hiçbir süpernovaya benzemiyordu.

Kaynak 15,3 saat sonra Swift uydusuyla morötesinde görüldü. X-ışınları ilk başta yoktu; Chandra X-ışını Gözlemevi onları 9 gün sonra, ABD'deki Çok Geniş Dizi (VLA) radyo teleskopları ise 16 gün sonra yakaladı. Bu gecikme, Dünya'ya dönük jetin zamanla yanlara yayılarak görüş hattımıza girmesiyle açıklandı. Radyo ve X-ışını parlaklığı birleşmeden yaklaşık 150 gün sonra en yüksek düzeye çıktı, sonra azalmaya başladı. Buna karşılık IceCube ve ANTARES dedektörleri olaya bağlanabilecek nötrino bulamadı.

Verileri göster

Kütleçekim sinyalinin süresi	~100 saniye
Gama ışını patlaması	1,7 saniye sonra
İlk optik görüntü	10 saat 52 dakika sonra
Morötesi (Swift)	15,3 saat sonra
X-ışını (Chandra)	9 gün sonra
Radyo (VLA)	16 gün sonra
Olayı izleyen gözlemevi	70'ten fazla
Uzaklık	~130-140 milyon ışık yılı

Altın, platin ve ağır elementler

Demirden ağır elementlerin yaklaşık yarısı, atom çekirdeklerinin çok hızlı nötron yakalamasıyla, yani r-süreci ile oluşur. Bu sürecin nerede işlediği uzun süre tartışmalıydı; çoğu zaman süpernovalar gösteriliyordu. GW170817, nötron yıldızı birleşmelerinin r-süreci için uygun ve muhtemelen başlıca ortam olduğunu gösterdi. Tayfların yeniden incelenmesinde stronsiyum doğrudan saptandı; sonraki çalışmalar itriyum, lantan ve seryum gibi elementleri de ekledi.

Olayda Dünya kütlesinin yaklaşık 16 bin katı ağır element üretildiği tahmin ediliyor. Bunun ne kadarının altın ve platin olduğuna dair hesaplar ise kaynaktan kaynağa epey değişiyor; tek bir olaydan kesin üretim miktarı çıkarmak mümkün değil.

Kütleçekim dalgalarının hızı ve diğer sonuçlar

Genel görelilik, kütleçekim dalgalarının boşlukta tam ışık hızıyla ilerlediğini öngörür. 130 milyon yılı aşkın yolculuğun sonunda gama ışınlarının yalnızca 1,7 saniye geride kalması, iki hız arasındaki farkın ışık hızının katrilyonda birkaçından küçük olduğunu gösterdi; bu, önceki sınırı yaklaşık 14 basamak iyileştirdi. Sonuç, genel göreliliğe rakip olarak önerilmiş bazı kütleçekim kuramlarını da eledi.

Olay ayrıca evrenin genişleme hızını ölçmenin yeni bir yolunu açtı. Kütleçekim dalgasının biçimi uzaklığı, galaksinin kırmızıya kayması ise uzaklaşma hızını verir. Böyle bir "standart siren" ölçümüyle Hubble sabiti için ilk tahmin megaparsek başına saniyede yaklaşık 70 kilometre bulundu; belirsizlik geniş olsa da diğer yöntemlerle uyumludur.

Sinyalden çarpışan yıldızların toplam kütlesi, düşük dönme hızları varsayılırsa yaklaşık 2,74 Güneş kütlesi olarak hesaplandı; daha büyük yıldızın 1,36-1,60, küçüğünün 1,17-1,36 Güneş kütlesi arasında olduğu düşünülüyor. Veriler, nötron yıldızlarının ulaşabileceği en büyük kütle ve yoğun nükleer maddenin davranışı hakkında da sınırlar koydu. Birleşmeden geriye nötron yıldızı mı yoksa kara delik mi kaldığı ise hâlâ kesin değildir.

Duyuru ve önemi

Gözlemler 16 Ekim 2017'de Washington'da ve Almanya'nın Garching kentindeki ESO genel merkezinde eşzamanlı basın toplantılarıyla duyuruldu. Çoklu haberci gözlemleri anlatan makalenin, dünyadaki gökbilimcilerin yaklaşık üçte birine denk gelen 4.000'e yakın yazarı ve 900'ü aşkın kurumu vardı. Aynı gün Science, Nature ve The Astrophysical Journal Letters'ta onlarca makale yayımlandı.

GW170817 bugün hâlâ tek örnek durumunda: 2026 ortası itibarıyla, konumu ışıkla kesin biçimde belirlenmiş başka bir nötron yıldızı birleşmesi yok. Nötron yıldızları ve kilonovalar hakkında bildiklerimizin büyük kısmı bu tek olaydan geliyor.

Kısaca

• GW170817, 17 Ağustos 2017'de yakalanan ve iki nötron yıldızının birleşmesinden gelen kütleçekim dalgasıdır.
• Kaynak, Suyılanı (Hydra) takımyıldızı yönünde, yaklaşık 130-140 milyon ışık yılı uzaktaki NGC 4993 galaksisidir.
• 1,7 saniye sonra GRB 170817A gama ışını patlaması, 11 saat içinde de AT 2017gfo kilonovası görüldü.
• 70'ten fazla gözlemevi olayı izledi; çoklu haberci astronomi bu olayla olgunlaştı.
• Nötron yıldızı birleşmelerinin altın ve platin gibi ağır elementlerin önemli bir kaynağı olduğu gösterildi.
• Kütleçekim dalgalarının ışık hızıyla ilerlediği son derece hassas biçimde doğrulandı.