Ana sayfa 145. Sayı Evrenin deniz feneri: Pulsarlar

Evrenin deniz feneri: Pulsarlar

363
PAYLAŞ
Eşlikçi yıldızdan pulsara kütle aktarımı oldukça, pulsarın atım frekansı artar ve milisaniye pulsarlarına evrilir.

Hakan Sert

Pulsarlar, kendi etrafında çok hızlı periyotlarda dönen ve belirli bir eksende ışıma yapan nötron yıldızlarıdır. Bu mekanizma henüz tam olarak anlaşılmış değildir, ancak yıldızla birlikte dönen çok güçlü manyetik alanla doğrudan ilişkilidir. Eğer yıldızın ışıma yaptığı eksen Dünya’ya yönelmiş ise –yıldız döndüğü için- kesikli bir ışık vuruşu gözlemlenir. Bu kesikliğin periyodu ise yıldıza bağlı olarak saniye mertebeleri ile milisaniye mertebeleri arasında değişebilmektedir.

Yıldızlar en basit tanımla kütleçekiminin ışınım basıncıyla dengelendiği astrofiziksel nesnelerdir.Kütleçekimi yıldızı içeri çökmeye zorlarken, yıldızda gerçekleşen nükleer tepkimelerin yarattığı ışıma basıncı bu çöküşe karşı koyar. Ancak yıldızın nükleer yakıtı bittiğinde, kütleçekimi lehine denge bozulmaya başlar.Her yıldız bu dengesizliğe kaçınılmaz olarak ulaşır ve kütlesine bağlı olarak da farklı senaryolarla ömrünü sonlandırır.

Nötron yıldızı ve pulsarlar

Nötron yıldızı,Güneş’in 4 ila 8 katı kütleye sahip yıldızların yaşam döngülerinin sonunda oluşan ölü yıldız kalıntısıdır. Nükleer yakıtlarını yakıp bitiren yıldızlar, süpernova patlaması ile dış katmanlarını uzaya saçar. Merkez bölge ise çekimsel etkiyle kendi içine çöker. Bu çöküş o kadar güçlüdür ki, proton ve elektronlar birleşerek nötronları meydana getirir. Sonuç olarak nötronlardan oluşan, son derece yoğun bir “nötron yıldızı” oluşur. Karadeliklerden sonra, evrendeki en yoğun cisimler nötron yıldızlarıdır.

1934’de Walter Baade ve Fritz Zwicky, nötron yıldızlarının varlığını öngördüler. Bu denli küçük gökcisimlerinin Dünya’daki teleskoplarla tespit edilebilmesinin mümkün olmadığı düşünülmekteydi.Ancak bugün biliyoruz ki, nötron yıldızlarının manyetik alanı boyunca hareket eden yüklü parçacıklar, manyetik kutuplardan ışınıma yol açar.Bu ışınım da onların gözlenebilmesine.

Nötron yıldızlarının sahip olduğu yoğun manyetik alan Dünya’nınkinden yaklaşık bir trilyon kat daha büyüktür.Yıldızın dönme ekseni ile manyetik ekseni arasında -Dünya’da olduğu gibi- bir açı olmasından dolayı da, yıldız döndükçe çok büyük miktarlarda elektrik alan üretilir ve elektriksel potansiyel 1 trilyon volt gibi inanılmaz mertebelere ulaşır. Yengeç pulsarının manyetik alanının yalnızca bir metreküpünde üretilen enerji, insanlığın şimdiye dek üretmiş olduğu enerjiden daha fazladır. Manyetik alan boyunca ivmelenen yüksek enerjili elektronlar, iki farklı yolla ışıma yapar.Bunlardan ilki detayları henüz tam olarak bilinmese de koherent plazma gibi davranan elektronların radyo ışınımı yapmasıyla oluşurken, ikincisi ise elektronlarınfotonlar veya manyetik alanlaetkileşime girerek optik, X-ışını ve gama-ışını dalgaboylarında ışıma yapmasıyla gerçekleşir.

Tipik bir pulsar.

Pulsarlar,basitçe dönen nötron yıldızları olarak tanımlanır. Pulsar adı verilmesini sağlayan atımların sebebiyıldızın dönmesinden kaynaklanır. Manyetik kutuplarından uzaya doğru ışık hızına yakın hızlarda parçacık atımları yapan bu yıldızlar, kendi etraflarında da çok yüksek hızlarla dönerler. Pulsar kendi etrafında dönerken, manyetik ekseni uzay boyunca bir alanı deniz feneri misali sürekli olarak tarar. Okyanustaki bir geminin deniz fenerinden gelen ışığın kırpışmasını gördüğü gibi, pulsarların manyetik eksenleri Dünya’ya yöneldiğinde ışık atımı gözlenir. Pulsarların kendi ekseni etrafındaki dönüşleri çok hızlı olduğundan, bu atımlar kısa periyotlarla kendini gösterir.

Manyetik ekseni Dünya’ya bakacak şekilde dönen bu yıldızlar, kesikli elektromanyetik atım yapan kaynaklar şeklinde gözlemlenir.Esasında nötron yıldızının yaptığı ışıma süreklidir, ancak yıldızın kendi etrafında dönmesinden dolayı sadece Dünya ve manyetik eksenin kesiştiği noktalarda atım(pulse) yakalanabilir.

En genç pulsarlar (atarcalar da denir), nötron yıldızlarının doğum yerleri olan süpernova kalıntılarının merkezinde bulunur. Örneğin Yengeç Nebulasının merkezinde, Yengeç Pulsarı bulunur. Bu genç pulsarlar uzayda çok hızlı hareket ederler. Yeterince hızlı olanlar galaksiden dışarı çıkarak galaksilerarası ortamda yol alırken, galaksiden kaçacak kadar hızlı olmayanlar ise galaksi düzleminde salınımlar yapar.

Pulsarlar, çok hızlı dönen ve manyetik ekseni boyunca ışıma yapan nötron yıldızları olarak tanımlansa da, manyetik eksenleri Dünya’ya yönelmeyen nötron yıldızları, pulsar olarak kendini göstermez. Bunun dışında geçmişte pulsar özelliği gösteren bazı nötron yıldızlarının radyasyon atımları tespit edilemeyecek kadar zayıflamış veya durmuş olabilir. Işıma atım mekanizmaları henüz tam olarak anlaşılmış değildir.

Yengeç Nebulanın merkezindeki Yengeç Pulsarı. Sol taraftaki görsel manyetik eksenin Dünya’ya yönelip atımın gözlendiği, sağ taraftaki ise manyetik eksenin Dünya’ya yönlenmediği durumu gösteriyor.

Pulsarların keşfi

Pulsarlar ilk olarak 1967’de uzak galaksi araştırmaları yaparkenJocelyn Bell tarafındanşans eserikeşfedildi. Bell, teleskobun uzayın belirli bir bölgesine baktığı sırada düzenli radyo ışık atımlarının farkına vardı.Bu düzenli radyo atımlarının -kısa süreliğine de olsa- Dünya dışı medeniyetlerden gelme olasılığı bilim camiası tarafından göz ardı edilmedi. Hatta keşfedilen bu atımlar-şakayla karışık- “Küçük Yeşil Adam 1” (Little Green Man 1, LGM1) olarak kodlanmıştı. Kaynağı bilinmeyen bu radyo atım kaynakları, daha sonra pulsar olarak adlandırıldı. Bell’in keşfetmiş olduğu ilk pulsar şimdi “PSR B1919+21” olarak kodlanmaktadır. PSR, radyo atımı kaynağı(pulsating source of radio) olduğunu işaret ederken, B1919+21 ise gökyüzündeki konumunu tarif eder. Pulsarlar ilk olarak radyo ışınım kaynağı olarak keşfedilse de, günümüzde optik, X-ışını ve gama-ışını teleskoplarında da pulsarlar gözlenmektedir.

Jocelyn Bell. Jocelyn Bell pulsarları henüz 24 yaşında genç bir biliminsanıyken keşfetti, ama bu keşfe verilen Nobel Ödülünü o değil, tez danışmanı Anthony Hewish aldı.

Jocelyn Bell, Cambridge’deki teleskop ile başka pulsar keşifleri de yaptı. Şimdiye dek 1500’ün üzerinde pulsar gözlendi ve gelecek yıllarda binlercesi daha gözlenmeyi bekliyor. Gözlenen pulsarların üçte ikisinden fazlası Parkes Radyo Teleskobu ile tespit edildi. Parkes’in yanı sıra Puerto Rico’daki Arecibo Teleskobu, Amerika’daki Green Bank Teleskobu ve Avustralya’daki Molonglo Teleskobu ve İngiltere’deki Jodrell Bank Teleskobu, pulsar keşfinde önemli katkılar sağladı.

Pulsar keşfi yapmak isteyen bir astronom, radyo teleskobunu uzayın belirli bir noktasına birkaç dakikadan 12 saate kadar odaklar(Daha uzun gözlemler zayıf pulsarların yakalanmasını sağlayabilir, ancak araştırmacılara büyük bir iş yükünü de beraberinde getirir). Teleskoptan elde edilen veriler sürekli olarak bilgisayara kaydedilir ve kayıtlar detaylı analiz edilerek periyodik sinyaller aranır.

Milisaniye pulsarları ve sıradan pulsarlar

Art arda iki atım arasında geçen zaman, pulsarın periyodu olarak tanımlanır.1 saniye civarındaki periyotlar, tipik pulsar periyotları olsa da, birkaç milisaniyelik küçük periyotlardan 8 saniye gibi görece yüksek periyotlara sahip pulsarlar gözlenmiştir.Pulsarların atımları arasındaki zaman aralıkları son derece düzenli olduğundan periyot ölçümleri hassas yapılabilir. Örneğin, PSR J1603-7202 pulsarının periyodu tam olarak0,0148419520154668 saniyedir. Ancak milyon yılda 0,0000005 saniye kadar küçük de olsa tüm radyo pulsarlarının periyotları artmaktadır. Pulsarlar,birkaç milisaniyelik periyoda sahip ve periyodu çok yavaş değişen milisaniye pulsarlarıve geri kalan sıradan pulsarlar olmak üzere ikiye ayrılır.

Yıldızların birçoğu eşlikçi bir yıldız ile birlikte çift yıldız sistemi oluşturur. Benzer şekilde birçok pulsar -özellikle milisaniye pulsarları- ikili sistem halindedir. İkili sistemlerdeki pulsarların araştırılması, astronomlara pulsarlar hakkında birçok bilgi verir. Pulsar tipleri, tüm milisaniye pulsarlarının başka bir yıldızla(veya yıldızlarla) yörüngede olmasıyla açıklanabilir. Eşlikçi yıldızdan pulsara madde çekildikçe pulsar daha hızlı dönmeye başlar ve pulsarın atım frekansları milisaniye seviyelerine iner. Daha sonra eşlikçi yıldız yaşam ömrünü tamamlayıp, ilk kütlesine bağlı olarak beyaz cüce, nötron yıldızı veya kara deliğe dönüşür.Eğer eşlikçi yıldız kalıntısı pulsar ile yörüngede kalmaya devam ederse, ikili milisaniye pulsar sistemi meydana gelebilir.

Pulsar saatleri

Pulsarların yüksek hızlı dönüşleri ve çok yavaş değişen periyotları, hassas zaman ölçümleri için de kullanılmaktadır. Radyo atımları arasındaki düzenli zaman aralıkları, bir saatin tik-takları olarak düşünüldüğünde, saniyenin çok küçük kesrindeki zaman aralıkları düzgün olarak ölçülebilir. Radyo teleskopları kullanılarak, saniyenin 10 milyonda biri kadar küçük zaman aralıklarının düzenliölçümleri yapılmıştır. Bunun yanı sıra pulsar saatleri, periyotlarındaki çok yavaş değişimden ötürü de binyıllar boyunca geri kalmadan doğru ölçümler verebilir. Atomların elektronik geçişlerindeki frekansları ölçmeye dayalı atom saatleri ile pulsar saatleri arasında büyük bir rekabet süregelmektedir. Günümüzderekabeti atom saatleri önde sürdürse de–onyıllar gibi- uzun ölçümler göz önüne alındığında,pulsar saatleri de en az atom saatleri kadar başarılıdır.

B0329+54 pulsar atımları. Grafiğin sıçrama yaptığı yerler atımlar; atımlar arasında geçen zaman da periyoda karşılık gelir.

Pulsar saatleri, kütleçekim(gravitasyon) dalgalarının tespitinde de kullanılabilecek önemli araçlardan biridir.Evrenin farklı noktalarındaki milisaniye pulsarları kullanılarak adeta evrensel bir GPS sistemi kurulabilir. Ancak Dünya’ya ulaşan olası kütleçekim dalgaları ise pulsarlardan gelen atım sinyallerinde değişiklikler meydana getirir vesistemin senkronizasyonu bozulur. İşte bu bozulmagözlemlenerek kütleçekim dalgalarının tespiti yapılabilir. Ancak kütleçekim dalgalarının keşif yarışı, geçtiğimiz günlerdeLIGO’nun (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, Lazer İnterferometre Kütleçekim Dalgaları Gözlemevi) kütleçekim dalgalarını yakalamasıyla son bulmuştur. Yine de bu ve benzeri çalışmalar, alanın ilerlemesi açısından son derece önemlidir.

Sadece galaksimizde 1300’den fazla nötron yıldızı gözlendi ve evrende milyarlarca daha olduğu öngörülüyor.Pulsar ve nötron yıldızı çalışmaları, X-ışını astronomisinden radyo astronomisine kadar geniş bir çalışma yelpazesi sunar. Pulsarlar son derece ilginç gökcisimleridir. Güneş’in 1,5 katı kütleye sahip olup ışık hızına yakın hızlarda dönen bu yoğun gökcisimlerinin ortaya çıkardığı fiziksel fenomenler modern fizik araştırmaları için eşsiz laboratuvarlardır.

Kaynaklar

– https://people.highline.edu/iglozman/classes/astronotes/media/2paths.jpg

– http://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/pulsars1.html

– http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/Pulsars.html

– http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/pulsars/pulsars.html

– http://www.bbc.co.uk/science/space/universe/scientists/jocelyn_bell_burnell

– http://imagine.gsfc.nasa.gov/Images/basic/xray/pulsar.gif

– http://www.tad.org.tr/wp-content/uploads/2016/01/Discovery-of-Pulsars_detail.jpg

– https://www.mpg.de/7689623/millisecond-pulsar-trio

– http://www.astronomynow.com/images/090522millisecondpulsar.jpg

– http://campus.pari.edu/radiosky/lessons/pulsars/10.shtml

– http://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/pulsars2.html

– http://www.bbc.com/earth/story/20150805-the-most-accurate-clocks-in-space