Evrenin en şiddetli olayları

Kanca

1960'ların ortasında ABD, uzaya birkaç uydu gönderdi. Görevleri gökbilimle ilgili değildi: uzayda nükleer silah denemesini yasaklayan antlaşmaya kimsenin uymamasını yakalamaktı. Bir nükleer patlama güçlü bir gama ışını parıltısı saçar; Vela adı verilen bu uydular o parıltıyı arıyordu.

Uydular gerçekten de gama ışını parlamaları yakaladı. Ama bunların hiçbiri bir ülkenin denemesi değildi; kaynakları uzayın derinliklerindeydi. Evrenin kendisi, bildiğimiz en güçlü patlamalarla parlıyordu.

Merkezi soru

En enerjik ışık türleri olan X ve gama ışınları evrenin hangi olaylarından gelir, neden yalnızca uzaydan gözlenebilir ve gama ışını patlamaları hakkında neler biliyoruz?

Anlatım

Tayfın en enerjik ucu

Ders 6.2'deki tayf şeridinin en kısa dalga boylu ucuna gidelim: orada X ve gama ışınları durur. Hava tabakamız bu ışınları neredeyse tümüyle yutar ve yere ulaştırmaz. Bu yüzden X ışını ve gama ışını gökbilimi, ancak teleskopları atmosferin üstüne çıkarabildiğimiz zaman başlayabildi.

Bu ışınlar, sıradan yıldızların ılık yüzeylerinden değil, evrenin en kızgın, en çalkantılı köşelerinden gelir: milyonlarca dereceye ısınmış gaz, kara deliklerin ve nötron yıldızlarının çevresinde dönen diskler, patlayan yıldızlar ve çarpışan yıldız kalıntıları.

Çözümlü problem 1: Hangi sıcaklık X ışını demektir?

Wien yasasını bu kez metre cinsinden kullanalım; sıcaklık yükseldikçe tepe dalga boyu kısalır. Metre cinsinden: λ_maks ≈ 2,9 × 10⁻³ / T. On milyon kelvin sıcaklıktaki bir gaz için: λ_maks ≈ 2,9 × 10⁻³ / 10⁷ ≈ 2,9 × 10⁻¹⁰ m, yani yaklaşık 0,29 nanometre. Bunu "iki virgül dokuz bin'de bir, on milyona bölünür; yaklaşık sıfır virgül iki dokuz nanometre" diye okuruz.

Bu, X ışını bölgesidir. Bu dalga boyundaki bir fotonun enerjisi, 1240 eV·nm kısayoluyla, 1240 / 0,29 ≈ 4300 elektronvolt, yani yaklaşık 4 kiloelektronvolttur. Görünür ışığın birkaç elektronvoltluk fotonlarının bin katından fazla. X ışınında parlayan bir cisim görüyorsak, orada on milyonlarca derecelik bir ortam vardır.

Çözümlü problem 2: Bir gama fotonu

Gama ışınları daha da enerjiktir. Bir milyon elektronvoltluk, yani 1 MeV'lik bir gama fotonunun dalga boyu: λ = 1240 / 10⁶ ≈ 1,2 × 10⁻³ nm. Sesli okunuşu: "bin iki yüz kırkı milyona böl; bir nanometrenin binde biri kadar." Bu, bir atomun boyundan bile çok daha küçüktür.

Enerji olarak bu foton, yaklaşık 2 elektronvoltluk turuncu bir görünür ışık fotonunun beş yüz bin katıdır. Böyle fotonlar, atom çekirdeklerinin tepkimelerinde ve maddenin ışık hızına yakın hızlandırıldığı ortamlarda doğar. Bir nükleer patlamanın gama parıltısını arayan uyduların bu kadar enerjik bir ışığı yakalaması şaşırtıcı değildi; şaşırtıcı olan, kaynağın uzay olmasıydı.

Gama ışını patlamalarının gizemi

OpenStax'ın anlattığına göre Vela uydularının bulguları ilk kez 1973'te yayımlandı. Patlamalar birkaç saniye ile birkaç dakika arasında sürüyor, sonra kayboluyordu. Uzun yıllar boyunca nereden geldikleri bilinmedi: galaksimizin içinden mi, yoksa çok uzaktan mı?

İlk büyük ipucunu 1991'de fırlatılan Compton Gama Işını Gözlemevi verdi. OpenStax'a göre patlamaların kaynakları gökyüzüne eşit dağılmıştı; hiçbir bölgeyi, örneğin Samanyolu'nun düzlemini, yeğlemiyorlardı. Galaksimizin içinden gelselerdi, Samanyolu şeridi boyunca toplanmaları beklenirdi. Eşit dağılım, çok uzak, galaksiler arası kaynaklara işaret ediyordu.

Kesin cevap Şubat 1997'de geldi. OpenStax'a göre BeppoSAX uydusu, bir gama ışını patlamasının ardından sönmekte olan bir art ışığı ilk kez yakaladı ve aynı gece görünür ışıkta da izlendi. Art ışıklar sayesinde patlamaların uzak galaksilerde olduğu anlaşıldı.

İki tür patlama

OpenStax'a göre gökbilimciler patlamaları süresine göre ikiye ayırır: iki saniyeden kısa sürenler ve iki saniyeden uzun, genellikle bir dakika kadar sürenler. Uzun patlamalar, büyük kütleli bir yıldızın çekirdeğinin çöküp dönen, manyetik bir kara delik ya da nötron yıldızı oluşturmasıyla doğar. Kısa patlamalar ise iki yoğun yıldız kalıntısının, iki nötron yıldızının ya da bir nötron yıldızı ile bir kara deliğin birleşmesinden gelir. Ders 9.6'da anlattığımız 2017 nötron yıldızı birleşmesi, bu ikinci türün bir örneğiydi.

Çözümlü problem 3: Işını demetlemek

Bir patlama bu kadar uzaktan bu kadar parlak görünüyorsa, akıl almaz bir enerji gerekir. OpenStax'a göre bazı kaynaklar ışınımlarını her yöne değil, yalnızca bir ya da iki yöne yoğunlaşmış ince demetler hâlinde yayar ve bu, gereken enerjiyi azaltır.

Ne kadar azaltır? Işımanın, her biri beş derece yarı açılı iki dar koni hâlinde çıktığını düşünelim. Bir koninin kapladığı gökyüzü kesri 1 − cos 5° ≈ 0,0038'dir; iki koni için yaklaşık 0,0076, yani gökyüzünün yüz otuzda biri. Bunu "bir eksi beş derecenin kosinüsü, çarpı iki, yaklaşık yüz otuzda bir" diye okuruz. Demeti bize dönük bir patlamayı her yöne ışıyormuş gibi hesaplarsak, gerçek enerjisini yaklaşık yüz otuz kat büyük buluruz. Bunun bir bedeli de var: demeti bize dönük olmayan patlamaların çoğunu hiç göremeyiz.

Burns ve arkadaşlarına göre 2022'de gözlenen GRB 221009A, elli yıllık gama ışını gözlemlerinin en parlağıydı; ekip onun on bin yılda bir görülebilecek bir olay olduğunu, belki de insan uygarlığının başlangıcından beri en parlak gama ışını patlaması olduğunu hesapladı.

Aslında…

Büyük resim

X ışını ve gama ışını gökbilimi, evrenin sakin gece gökyüzünün ardındaki şiddetli yüzünü gösterir: kara deliklerin yuttuğu kızgın gaz, patlayan yıldızlar, çarpışan yıldız kalıntıları. Bu olayların çoğu görünür ışıkta ya çok sönük ya da tamamen görünmezdir.

Gama ışını patlamalarının öyküsü, bilimin nasıl ilerlediğinin de güzel bir örneğidir. Bir savunma projesinin yan ürünü olarak başlayan gözlemler, yirmi yılı aşkın bir bulmacaya ve sonunda kara deliklerin doğuşunu ve nötron yıldızlarının birleşmesini izlememizi sağlayan bir pencereye dönüştü.

Özet

1. X ve gama ışınları tayfın en enerjik ucudur ve atmosfer tarafından soğrulduğu için ancak uzaydan gözlenebilir; Wien yasasına göre on milyon kelvinlik bir gaz yaklaşık 0,29 nanometrede, yani X ışınında en parlaktır ve fotonları birkaç kiloelektronvolt taşır.
2. Gama ışını patlamaları, nükleer denemeleri izleyen Vela uydularıyla bulundu ve ilk kez 1973'te yayımlandı; Compton gözlemevi kaynakların gökyüzüne eşit dağıldığını, BeppoSAX 1997'de yakaladığı art ışıkla uzak galaksilerde olduklarını gösterdi.
3. İki saniyeden uzun patlamalar büyük kütleli yıldız çekirdeklerinin çöküşünden, kısa olanlar yoğun yıldız kalıntılarının birleşmesinden doğar; ışınımın dar demetlere yoğunlaşması, gereken enerjiyi yüz kattan fazla azaltabilir.

Görev

Quiz

1. X ışını ve gama ışını gökbilimi neden ancak uzaydan yapılabilir?
2. On milyon kelvinlik bir gaz en çok hangi dalga boyunda parlar?
3. Gama ışını patlamaları nasıl keşfedildi?
4. Patlamaların gökyüzüne eşit dağılması neden uzak galaksilere işaret eder?
5. Kısa ve uzun gama ışını patlamalarının kökenleri nedir?

Cevaplar

1. Çünkü hava tabakası bu ışınları neredeyse tümüyle yutar; yere pek azı ulaşır.
2. Yaklaşık 0,29 nanometrede, yani X ışını bölgesinde.
3. Uzaydaki nükleer denemeleri izlemek için 1960'ların ortasında fırlatılan Vela uyduları, gökyüzünün her yönünden gelen gama ışını parlamaları yakaladı.
4. Çünkü galaksimizin içinden gelselerdi Samanyolu'nun düzlemi boyunca toplanmaları beklenirdi; eşit dağılım, çok uzak kaynaklara işaret eder.
5. İki saniyeden uzun olanlar büyük kütleli bir yıldızın çekirdeğinin çöküşünden, kısa olanlar iki nötron yıldızının ya da bir nötron yıldızı ile bir kara deliğin birleşmesinden doğar.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Gama ışınları bile uzaydan gelen tek haberci değil. Evrende ışıktan çok daha zor yakalanan parçacıklar da dolaşıyor: o kadar az etkileşiyorlar ki, şu anda bedeninin içinden her saniye trilyonlarcası hiçbir iz bırakmadan geçip gidiyor. Nötrino nedir, onu nasıl yakalarız ve bize Güneş'in ve patlayan yıldızların içinden ne haber getirir?