Bir yıldız nasıl patlar?

Kanca

1006 yılının mayıs ayında, gökyüzünde daha önce kimsenin görmediği bir ışık belirdi. Gündüz bile seçilebiliyordu; parlaklığı Venüs'ün belki yüz katıydı. Çin'den Orta Doğu'ya ve Avrupa'ya kadar gözlemciler bu "konuk yıldızı" kayıtlarına geçirdi. Birkaç ay sonra ışık söndü ve bir daha görünmedi.

Bu, bir yıldızın ölümüydü. Bir süpernova, kısa süreliğine koca bir galaksiden parlak olabilir. En parlak süpernovalar, en parlak anlarında Güneş'in on milyar katı kadar ışık saçar. Peki bir yıldız nasıl olur da bu kadar şiddetli bir şekilde patlar?

Merkezi soru

Hangi yıldızlar süpernova olarak patlar, bu patlamalar nasıl gerçekleşir ve geride ne bırakır?

Anlatım

Soğan gibi bir yıldız

Ders 9.4'te Güneş'in sessizce beyaz cüceye dönüşeceğini gördük. Güneş'ten en az sekiz kat büyük kütleli yıldızların hikâyesi ise bambaşkadır. Bu yıldızların çekirdeği o kadar sıcak ve yoğundur ki füzyon helyumda durmaz. Helyum karbona, karbon neona ve oksijene, oksijen silisyuma, silisyum da en sonunda demire dönüşür.

Her yeni yakıt bir öncekinden daha kısa sürede tükenir. Yıldızın içi, merkezde demirin bulunduğu, dışa doğru silisyum, oksijen, neon, karbon, helyum ve hidrojen katmanlarının dizildiği bir soğana benzer. Her katmanda farklı bir füzyon sürer.

Demirin duvarı

Demirle birlikte yıldız bir duvara çarpar. O ana kadar her füzyon tepkimesi enerji üretiyordu ve bu enerji çekirdeği kütleçekimine karşı ayakta tutuyordu. Demir ise bütün atom çekirdeklerinin en kararlısıdır. Demiri birleştirmek enerji üretmez, tersine enerji tüketir. Demirden oluşan bir çekirdekte artık kütleçekimine karşı koyacak bir enerji kaynağı yoktur.

Bir süre elektronların sıkıştırılmaya direnmesi çekirdeği tutar, tıpkı bir beyaz cücede olduğu gibi. Ama çevredeki kabuklarda sürmekte olan füzyon, çekirdeğe sürekli yeni demir ekler. Çekirdek, elektronların taşıyabileceği en büyük kütleye, Güneş kütlesinin yaklaşık bir buçuk katına yaklaştığında bu direnç de çöker.

Bir saniyeden kısa süren çöküş

Çöküş akıl almaz bir hızla gerçekleşir. Dünya büyüklüğündeki, Güneş kadar kütleli çekirdek, bir saniyeden kısa sürede çapı yirmi kilometreden küçük bir topa büzülür. Madde o kadar sıkışır ki elektronlar atom çekirdeklerinin içine itilir, protonlarla birleşerek nötronlara dönüşür. Her birleşmede nötrino denen hayalet gibi bir parçacık ortaya çıkar.

Çekirdek, nötronlar sıkıştırılmaya direnene kadar çöker ve sonra sert bir biçimde geri teper. Çekirdeğe doğru düşmekte olan dış katmanlar bu sert duvara çarpar; bir şok dalgası dışarı doğru yayılır. Çekirdekten fışkıran muazzam nötrino akışı da bu şoku güçlendirir. Patlamanın ilk saniyesinde nötrinoların taşıdığı güç, bir milyardan fazla galaksideki bütün yıldızların gücünden fazladır. Dış katmanlar saniyede on bin kilometreye varan hızlarla uzaya savrulur. Buna çekirdek çöküşü süpernovası denir.

1987'de Büyük Macellan Bulutu'nda patlayan süpernova, Ders 1.7'de gördüğümüz gibi, yüzyıllardır görülen en yakın süpernovalardan biriydi. Işığı görülmeden birkaç saat önce Japonya'daki ve ABD'deki yeraltı dedektörleri toplam on dokuz nötrino yakaladı. Bu nötrinolar, çekirdeğin çöktüğünün doğrudan kanıtıydı.

Geride kalanlar

Çöken çekirdek yok olmaz. Kütlesi çok büyük değilse, geride yalnızca nötronlardan oluşan, bir şehir büyüklüğünde ama Güneş'ten ağır bir nötron yıldızı kalır. Çekirdek çok daha büyükse, nötronlar bile onu tutamaz ve ışığın bile kaçamadığı bir kara delik oluşur.

Savrulan dış katmanlar ise binlerce yıl boyunca genişleyen bir süpernova kalıntısı olarak parlar. En ünlüsü Yengeç Bulutsusu'dur; Çinli gökbilimcilerin Temmuz 1054'te kaydettiği süpernovanın kalıntısıdır. Ortasında hızla dönen bir nötron yıldızı bulunur.

Beyaz cücenin patlaması

Süpernovaların ikinci büyük türü, çok farklı bir yoldan doğar. Bir beyaz cüce, çift yıldız sisteminde yakınındaki bir yoldaş yıldızdan madde çekebilir ya da başka bir beyaz cüceyle birleşebilir. Beyaz cücenin kütlesi, taşıyabileceği en büyük kütleye yaklaştığında içindeki karbon bir anda tutuşur. Kontrolsüz bir füzyon, beyaz cüceyi saniyeler içinde tamamen parçalar; geride hiçbir şey kalmaz.

Bu tür patlamalara Ia türü süpernova denir. Hepsi aşağı yukarı aynı kütlede patladığı için en parlak anlarında birbirine çok benzer bir parlaklığa ulaşırlar. Bu yüzden gökbilimciler onları uzak galaksilerin uzaklığını ölçmek için bir cetvel gibi kullanır.

Tarihteki süpernovalar

Samanyolu'nda ortalama olarak her yirmi beş ile yüz yılda bir süpernova patladığı tahmin ediliyor. Ama galaksimizin toz bulutları çoğunu gözümüzden saklar. Tarihte çıplak gözle görülen birkaç süpernova kayıtlara geçti: 1006'daki parlak konuk yıldız, Yengeç Bulutsusu'nu doğuran 1054 patlaması, genç Tycho Brahe'nin 1572'de gördüğü ve Kepler'in 1604'te gördüğü süpernovalar. Teleskobun icadından bu yana galaksimizde çıplak gözle görülen bir süpernova olmadı.

Aslında…

Süpernovaların yakın gelecekte Dünya'yı tehdit ettiği de sanılır. Bir süpernovanın Dünya'daki yaşama ciddi zarar verebilmesi için çok yakında patlaması gerekir; bilinen hiçbir aday yıldız bu kadar yakın değildir.

Büyük resim

Süpernovalar, evrenin en şiddetli olaylarından biridir, ama aynı zamanda en yaratıcılarındandır. Bir yıldızın milyonlarca yıl boyunca çekirdeğinde ürettiği elementler, patlamayla uzaya saçılır. Patlamanın kendisi de demirden ağır elementlerin bir kısmını üretir. Bu madde, yeni yıldızların ve gezegenlerin hamuruna karışır.

Süpernovaların şok dalgaları, çevrelerindeki gaz bulutlarını sıkıştırarak yeni yıldızların doğumunu da tetikleyebilir. Böylece bir yıldızın ölümü, başka yıldızların doğumuna yol açar. Evrendeki madde, yıldızların doğup öldüğü bu döngü içinde durmadan dolaşır.

Özet

1. Güneş'ten en az sekiz kat büyük kütleli yıldızlar, çekirdeklerinde demir oluşana kadar füzyonu sürdürür; demiri birleştirmek enerji üretmediği için çekirdek bir saniyeden kısa sürede çöker ve dış katmanlar bir çekirdek çöküşü süpernovasıyla savrulur.
2. Çöken çekirdekten geride bir nötron yıldızı ya da bir kara delik kalır; 1987'de on dokuz nötrinonun yakalanması bu çöküşü doğrudan gösterdi.
3. Ia türü süpernovalar, madde kazanan bir beyaz cücenin tamamen parçalanmasıyla oluşur ve uzaklık ölçümünde kullanılır; Samanyolu'nda ortalama her yirmi beş ile yüz yılda bir süpernova patlar.

Görev

Quiz

1. Hangi yıldızlar çekirdek çöküşü süpernovası olarak patlar?
2. Demir, büyük kütleli bir yıldızın çekirdeğinde neden bir "duvar" oluşturur?
3. Çekirdek çöktüğünde geride ne kalabilir?
4. Ia türü süpernova nasıl oluşur ve neden önemlidir?
5. 1987 süpernovasında yakalanan nötrinolar neyi gösterdi?

Cevaplar

1. Güneş'ten en az sekiz kat büyük kütleli yıldızlar.
2. Çünkü demir en kararlı atom çekirdeğidir; onu birleştirmek enerji üretmez, tüketir, bu yüzden çekirdeği kütleçekimine karşı tutacak enerji kaynağı kalmaz.
3. Kütlesine bağlı olarak bir nötron yıldızı ya da bir kara delik.
4. Çift yıldız sistemindeki bir beyaz cüce, madde kazanarak taşıyabileceği en büyük kütleye yaklaşınca karbonu bir anda tutuşur ve tamamen parçalanır; hepsi benzer parlaklıkta patladığı için uzak galaksilerin uzaklığını ölçmekte kullanılır.
5. Yıldızın çekirdeğinin çöktüğünü doğrudan gösterdi; nötrinolar ışıktan birkaç saat önce yakalandı.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Süpernovaların, yıldızların ürettiği elementleri uzaya saçtığını gördük. Demir de bu elementlerden biri. Kanımızdaki hemoglobinin taşıdığı demir, kemiklerimizdeki kalsiyum, soluduğumuz oksijen: bunların hepsi bir zamanlar bir yıldızın içindeydi. Vücudumuzdaki atomlar hangi yıldızlarda, nasıl üretildi?