Çin'in FAST teleskobu bilinen en hafif çift nötron yıldızını buldu

Çinli gökbilimciler, şimdiye kadar bilinen en düşük toplam kütleli çift nötron yıldızı sistemini tanımladı. Çin Bilimler Akademisi'ne bağlı araştırmacıların Physical Review Letters'ta yayımladığı çalışmaya göre PSR J1856-0039 adlı sistemdeki iki nötron yıldızının toplam kütlesi Güneş'in 2,49 katı. Birbirinin çevresinde yalnızca 2,36 saatte dönen ikilinin yörüngesi, Einstein'ın genel görelilik kuramının öngördüğü hızda küçülüyor.

Nötron yıldızı ve pulsar nedir?

Nötron yıldızları, Güneş'ten çok daha büyük kütleli yıldızların süpernova patlamalarıyla ölümünden geriye kalan çekirdeklerdir. Güneş'ten daha fazla kütle, yalnızca birkaç on kilometre çapında bir küreye sıkışmıştır. Bunların bir kısmı, kutuplarından yaydıkları radyo ışınlarını dönerken bir deniz feneri gibi uzaya süpürür. Işın her Dünya'ya döndüğünde bir "atım" algılanır. Bu tür nötron yıldızlarına pulsar denir.

Pulsarlar evrenin en düzenli saatleri arasında sayılır. Atımların varış zamanını çok hassas ölçmek, onların çevresindeki uzay-zamanı incelemenin de yolunu açar.

Keşif nasıl yapıldı?

Sistem, Çin'in güneybatısındaki Guizhou eyaletinde doğal bir çukura kurulu, 500 metre çaplı FAST radyo teleskobuyla bulundu. 2016'da tamamlanan FAST, dünyanın en büyük tek çanaklı radyo teleskobu. Araştırmanın ortak yazarlarından JinLin Han'ın anlatımına göre ekibin FAST'la yürüttüğü galaktik düzlem taraması şimdiye kadar yaklaşık 900 pulsar buldu.

PSR J1856-0039 ilk kez 4 Mayıs 2020'de saptandı. Sonraki gözlemler, 2,36 saatlik yörünge dönemiyle doğrulanmış çift nötron yıldızları arasında en kısa ikinci döneme sahip olduğunu gösterdi. Bu listenin başında 1,88 saatlik dönemiyle PSR J1946+2052 bulunuyor.

Ekip 2020 ile 2025 arasında 17 gözlem oturumunda sistemden 253 atım varış zamanı ölçümü aldı. Bu kolay bir iş değildi: Han'ın belirttiğine göre kaynak oldukça sönük, ortalama akı yoğunluğu yalnızca yaklaşık 0,1 milijansky ve oturumdan oturuma değişiyor. Bu kadar zayıf bir kaynağı izleyebilmek büyük ölçüde FAST'ın dev toplama alanı sayesinde mümkün oldu.

Görelilik kütleleri nasıl ortaya çıkardı?

Atımların varış zamanlarındaki küçük değişimler, Newton fiziğiyle açıklanamayan üç etkiyi ortaya koydu. Birincisi yörünge döneminin yavaş yavaş kısalması. İkincisi, yörüngenin iki yıldızın birbirine en yakın olduğu noktasının zamanla dönmesi. Üçüncüsü ise "Einstein gecikmesi" denen, pulsarın eş yıldızın kütleçekim alanında ilerlerken saatinin yavaşlayıp hızlanmasından doğan küçük bir zamanlama kayması.

Genel göreliliğe göre bu üç etkinin büyüklüğü yıldızların kütlelerine bağlı. Üçünü birlikte ölçmek, iki yıldızın kütlelerini ayrı ayrı hesaplamayı ve aynı zamanda kuramın kendisini sınamayı sağladı. Sonuç: Toplam kütle 2,49 Güneş kütlesi. Bu, daha önce yaklaşık 2,50 Güneş kütlesiyle en hafif sistem olarak bilinen PSR J1946+2052'nin de altında.

Birbirinin çevresinde dönen nötron yıldızlarının kütleçekim dalgası yayarak enerji kaybedeceği ve yaklaşacağı fikrinin ilk gözlemsel kanıtı, 1974'te Russell Hulse ve Joseph Taylor'ın Arecibo'da keşfettiği çift pulsardan gelmişti. Bu buluş 1993'te Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. PSR J1856-0039, o günden bu yana uzayan bu "kozmik laboratuvarlar" listesine yeni ve güçlü bir üye ekliyor.

Neden önemli?

Han'a göre sistem, görelilik etkilerinin şiddeti bakımından bilinen sistemler arasında ikinci sırada. Sıkı yörüngesi, bize göre uygun eğimi ve olağanüstü zamanlama hassasiyeti, onu Lense-Thirring etkisinin ölçülebileceği en güçlü aday yapıyor. "Çerçeve sürükleme" olarak da bilinen bu etki, dönen büyük kütleli bir cismin çevresindeki uzay-zamanı da kendisiyle birlikte sürüklemesini anlatıyor.

Ekibin hedefi önce bu etkiyi, ardından nötron yıldızının eylemsizlik momentini ölçmek. Bu ölçüm, nötron yıldızlarının içindeki aşırı yoğun maddenin nasıl davrandığını, yani fizikçilerin "hal denklemi" dediği şeyi ilk kez doğrudan kısıtlayabilir. Han bunun yaklaşık 10 yıl sürecek zorlu bir iş olduğunu söylüyor.

İkilinin geleceği

Kütleçekim dalgalarıyla enerji kaybeden iki yıldızın yaklaşık 82 milyon yıl sonra birleşmesi bekleniyor. Toplam kütle düşük olduğu için birleşmenin doğrudan bir kara delik yerine kütleli bir nötron yıldızı üretmesi muhtemel. Ancak bu kalıntının dönüşü zamanla yavaşladıkça kendi ağırlığı altında çöküp yine de bir kara deliğe dönüşebileceği düşünülüyor.

Kısaca

• PSR J1856-0039, toplam 2,49 Güneş kütlesiyle bilinen en hafif çift nötron yıldızı sistemi.
• Yörünge dönemi 2,36 saat; doğrulanmış sistemler arasında en kısa ikinci.
• Ölçümler genel göreliliğin öngörüleriyle uyumlu.
• İki yıldız yaklaşık 82 milyon yıl sonra birleşecek.