Uzaydan gelen düzenli sinyaller

Kanca

Eylül 1967'de İngiltere'de genç bir araştırmacı, radyo teleskobunun kâğıt kayıtlarında tuhaf bir iz fark etti. Jocelyn Bell (okunuşu "cocılın bel") ona önce "biraz pislik" dedi. Ama iz geri döndü ve yakından bakınca bir düzen gösterdi: atımlar tam olarak her 1,33728 saniyede bir geliyordu.

Doğada bu kadar düzenli bir şey görmeye alışık olmayan ekip, kaynağa yarı şaka "Küçük Yeşil Adamlar" dedi. Belki birileri bize sinyal gönderiyordu. Sonunda cevap uzaylılardan değil, evrenin en yoğun nesnelerinden birinden geldi.

Merkezi soru

Pulsarlar nedir, neden bu kadar düzenli atımlar yollarlar ve atımların hızı bize bu cisimlerin boyu ve doğası hakkında ne söyler?

Anlatım

Uzayda bir deniz feneri

OpenStax'ın anlattığına göre Bell'in bulduğu atımlar, her 1,33728 saniyede bir, bir İsviçre saatinin kıskanacağı bir düzenle geliyordu. Bu tür kaynaklara atımlı yıldız, yani pulsar (pulsar) adı verildi. Keşif, Hewish, Bell ve arkadaşlarının 1968'de Nature dergisindeki makalesiyle duyuruldu.

Pulsarın ne olduğunu en iyi anlatan benzetme bir deniz fenerinin kendisidir. OpenStax'a göre bir nötron yıldızı, kayalık bir kıyıdaki deniz feneri gibidir: yüzeyinin küçük bir bölgesinden çıkan ışınım, yıldız döndükçe uzayı tarar ve ışın her Dünya'ya döndüğünde bir atım görürüz. Yıldız sürekli ışır; yanıp sönen, bizim ona göre konumumuzdur.

Bu ışının kaynağı, nötron yıldızının güçlü manyetik alanıdır. Manyetik kutuplar, dönme ekseniyle aynı hizada değilse, kutuplardan çıkan ışınlar yıldız döndükçe bir koni çizer. Bu koni Dünya'yı süpürüyorsa pulsarı görürüz; süpürmüyorsa, aynı nötron yıldızı bizim için sessiz kalır.

Çözümlü problem 1: Atımlar neden nötron yıldızını gösterir?

Bir cisim ne kadar hızlı dönebilir? Ekvatorundaki bir noktanın hızı, ışık hızını aşamaz. Ekvatordaki hız, çevrenin dönme süresine bölümüdür: v = 2πR / P. Bu hız c'den küçük olmalıdır, o halde R < cP / 2π. Sesli okunuşu: "yarıçap, ışık hızı çarpı dönme süresinin iki pi'ye bölümünden küçük olmalıdır."

OpenStax'a göre Yengeç Bulutsusu'nun pulsarı saniyede otuz atım yollar. Dönme süresi otuzda bir saniye ise R < 3,0 × 10⁸ × (1/30) / (2 × 3,14) ≈ 1,6 × 10⁶ m, yani yaklaşık 1600 kilometre. Bunu "üç yüz bin kilometre bölü saniye, çarpı otuzda bir saniye, bölü iki pi; yaklaşık bin altı yüz kilometre" diye okuruz.

Ders 16.1'de gördüğümüz beyaz cüceler Dünya boyundadır, yarıçapları altı bin kilometreyi aşar. Böyle bir cisim saniyede otuz kez dönemez; ekvatoru ışıktan hızlı gitmek zorunda kalırdı. Geriye tek aday kalır: OpenStax'ın deyişiyle çapı on ile yirmi kilometre arasında olan ve bir turunu saniyenin küçük bir kesrinde tamamlayabilen bir nötron yıldızı.

Neden bu kadar hızlı?

Buz pateninde dönen bir sporcu kollarını gövdesine çektiğinde hızlanır. OpenStax'ın anlattığı ilke budur: bir cisim küçülürse daha hızlı döner. Buna açısal momentumun korunumu denir. Kütle dönme ekseninden uzakta dağılmışsa yavaş döner, eksene doğru toplanırsa hızlanır.

Çözümlü problem 2: Çöken bir çekirdeğin hızlanması

Kaba bir hesap yapalım. Güneş'in kendi ekseni çevresinde bir tur, NASA'nın Güneş sayfasına göre 609 saat, yani yaklaşık 25 gün sürer. Güneş boyunda ve bu hızla dönen bir cismin, hiç kütle kaybetmeden on kilometre yarıçapa büzüldüğünü düşünelim. Düzgün bir küre için dönme süresi yarıçapın karesiyle orantılı küçülür: P₂ = P₁ × (R₂ / R₁)². Sesli okunuşu: "yeni dönme süresi, eski süre çarpı yeni yarıçapın eski yarıçapa oranının karesidir."

Yarıçap oranı 10 / 695.700, karesi yaklaşık 2,1 × 10⁻¹⁰. Yirmi beş gün, 2,16 × 10⁶ saniyedir. Çarpım: yaklaşık 4,5 × 10⁻⁴ saniye, yani yarım milisaniyeye yakın. Bu hesap gerçek bir yıldız çekirdeğinin ayrıntılarını yok sayar, ama bir çöküşün yavaş dönen bir cismi neden saniyenin çok küçük kesirlerinde dönen bir topaca çevirebildiğini gösterir.

Çözümlü problem 3: Bir nötron yıldızı ne kadar hızlı dönebilir?

Dönme hızının bir üst sınırı vardır: ekvatordaki madde, kütleçekiminin tutabileceğinden daha hızlı dönerse kopar. Bu sınır, ekvatordaki bir cismin tam yörünge hızında dolandığı durumdur ve Ders 15.1'de kurduğumuz yörüngede dolanma hızı bağıntısından çıkar: P_min = 2π √(R³ / GM). Sesli okunuşu: "en kısa dönme süresi, iki pi çarpı yarıçapın küpünün G M'ye bölümünün kareköküdür."

Ders 16.1'deki nötron yıldızını, yani 13 kilometre yarıçaplı ve 1,44 Güneş kütleli yıldızı alalım: P_min ≈ 6,8 × 10⁻⁴ s, yaklaşık 0,7 milisaniye. Bilinen en hızlı pulsar, Hessels ve arkadaşlarının 2006'da Terzan 5 küresel kümesinde bulduğu PSR J1748−2446ad, saniyede 716 kez döner. Tur süresi 1,4 milisaniyedir; sınırın iki katı kadar üstünde. Bu hızda yıldızın ekvatoru saniyede 58.000 km'ye, ışık hızının beşte birine ulaşır.

Hessels ve arkadaşları da bu hızdan yola çıkarak, pulsarın kütlesi iki Güneş kütlesinden azsa yarıçapının 16 kilometreden küçük olması gerektiğini hesapladı. Dönme hızı, nötron yıldızının boyunu tartan bir cetvele dönüşür.

Yavaşlayan saatler

Pulsarlar kusursuz saatler değildir. OpenStax'a göre Yengeç pulsarı yavaş yavaş yavaşlamaktadır; dönme enerjisi, çevresindeki bulutsuyu besleyen enerjiye dönüşür. Yine de bu yavaşlama o kadar düzenlidir ki gökbilimciler pulsarları evrenin en hassas saatlerinden biri olarak kullanır. Bir pulsarın atımlarındaki küçük gecikmeler, çevresinde dolanan gezegenleri, eş yıldızları ya da aradan geçen kütleçekim dalgalarını ele verebilir.

Aslında…

Büyük resim

Pulsarların keşfi, nötron yıldızlarının kâğıt üzerindeki bir fikirden gerçek nesnelere dönüştüğü andır. Atımların hızı, bu cisimlerin yalnızca birkaç on kilometre boyunda olabileceğini kanıtladı. Yengeç Bulutsusu'nun ortasındaki pulsar da nötron yıldızlarının süpernova patlamalarından doğduğunu gösterdi.

Bugün pulsarlar, fiziğin en uç koşullarını sınayan laboratuvarlardır. Dönme hızları nötron yıldızının içindeki maddeyi, atımlarındaki gecikmeler ise uzay-zamanın dalgalanmalarını ölçer. Bell'in "biraz pislik" dediği iz, evrenin en hassas saatlerinin ilk tiki oldu.

Özet

1. Pulsarlar, manyetik kutuplarından çıkan ışınları dönerek uzayı tarayan nötron yıldızlarıdır; ilki 1967'de Jocelyn Bell tarafından, her 1,33728 saniyede bir gelen atımlarla bulundu ve bu kusursuz düzen ekibe "Küçük Yeşil Adamlar" şakasını yaptırdı.
2. Ekvator hızı ışık hızını aşamayacağı için saniyede otuz atım yollayan Yengeç pulsarının yarıçapı 1600 kilometreden küçük olmalıdır; bu, beyaz cüceleri dışarıda bırakır ve yalnızca nötron yıldızlarını bırakır.
3. Açısal momentumun korunumu çöken çekirdekleri çok hızlı döndürür; 13 kilometrelik bir nötron yıldızı yaklaşık 0,7 milisaniyeden hızlı dönemez ve bilinen en hızlı pulsar saniyede 716 tur atar.

Görev

Quiz

1. Pulsar nedir?
2. Jocelyn Bell'in 1967'de bulduğu pulsarın atımları kaç saniyede bir geliyordu?
3. Saniyede otuz atım yollayan bir pulsar neden beyaz cüce olamaz?
4. Çöken bir yıldız çekirdeği neden hızlanır?
5. Bir nötron yıldızının dönme hızının üst sınırını ne belirler?

Cevaplar

1. Manyetik kutuplarından çıkan ışınları dönerek uzayı tarayan ve ışın Dünya'yı her süpürdüğünde bir atım olarak görünen hızlı dönen bir nötron yıldızı.
2. Yaklaşık 1,337 saniyede bir.
3. Çünkü ekvator hızı ışık hızını aşmasın diye yarıçapı yaklaşık 1600 kilometreden küçük olmalıdır; beyaz cüceler Dünya boyundadır.
4. Açısal momentumun korunumu yüzünden; küçülen bir cisim daha hızlı döner.
5. Ekvatordaki maddenin kopmaması; ekvator hızı, kütleçekiminin tutabileceği yörünge hızını aşamaz.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Nötron yıldızlarının bile bir kütle sınırı var. Çöken bir çekirdek bu sınırı aşarsa, çöküşü durduracak bilinen bir direnç kalmaz ve geriye bir kara delik oluşur. Ama kara delik, çevresindeki her şeyi içine çeken bir elektrik süpürgesi değildir. Kara delik tam olarak nedir, nasıl oluşur ve var olduğunu nereden biliyoruz?