Şimdiye kadar, yerçekimi dalgaları yalnızca ikili sistemlerden (iki kara deliğin, iki nötron yıldızının veya her birinden birinin füzyonu) gelen astrofizikçiler tarafından tespit edildi. Teorik olarak tek, ikili olmayan bir kaynaktan yayılan yerçekimi dalgalarını tespit etmek mümkün olmalıdır, ancak bu tür anlaşılması zor sinyaller henüz keşfedilmedi.
Northwestern Üniversitesi’nden araştırmacılar artık bu yakalanması zor sinyallerin yeni, beklenmedik ve tamamen keşfedilmemiş bir alanda aranabileceğini öne sürüyorlar: Ölmekte olan büyük yıldızları çevreleyen çalkantılı, enerjik enkaz kozaları.
Şimdiye kadar araştırmacılar, göstermek için son teknoloji ürünü simülasyonlar kullandılar. bu kozalar yerçekimi dalgaları yayabilir. Ayrıca, gama ışını patlama jetlerinden farklı olarak kozaların yerçekimi dalgaları, Lazer İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi’nin (LIGO) algılayabileceği frekans bandı içinde olmalıdır.
“Bugün itibariyle, LIGO yalnızca ikili sistemlerden gelen yerçekimi dalgalarını tespit etti, ancak bir gün çalışmayı yöneten Northwestern’den ikili olmayan ilk yerçekimi dalgaları kaynağını tespit edecek” dedi. “Kozalar, bu tür bir kaynak için bakmamız gereken ilk yerlerden biridir.”
Gottlieb kısa süre önce Amerikan Astronomi Derneği’nin 242. toplantısında düzenlediği sanal basın toplantısında araştırmayı sundu.
Yeni kaynağı “görmezden gelmek imkansızdı”
Çalışmayı yürütmek için Gottlieb ve iş arkadaşları, büyük kütleli bir yıldızın çöküşünü modellemek için son teknoloji ürünü yeni simülasyonlar kullandılar. Devasa yıldızlar kara deliklere çöktüğünde, ışık hızına yakın hareket eden parçacıklardan oluşan güçlü çıkışlar (veya jetler) oluşturabilirler. Gottlieb’in simülasyonları, yıldızın bir kara deliğe çöktüğü andan jetin kaçtığı zamana kadar olan bu süreci modelledi.
Başlangıçta, bir kara deliğin etrafında oluşan yığılma diskinin algılanabilir yerçekimi dalgaları yayıp yayamayacağını görmek istedi. Ancak verilerinden beklenmedik bir şey çıkmaya devam etti.
Kara deliğin doğumundan yıldızdan kaçışına kadar jet kozanın evrimi (renkli harita, eksen dışı gerinim genliğinin logaritmasıdır ve ses, GW frekansını yansıtır). Kredi: Ore Gottlieb/CIERA/Northwestern University
“Kara deliğin çevresindeki yerçekimi dalgalarını hesapladığımda, hesaplamalarımı bozan başka bir kaynak buldum: koza,” dedi Gottlieb. “Görmezden gelmeye çalıştım. Ama görmezden gelmenin imkansız olduğunu gördüm. Sonra kozanın ilginç bir yerçekimi dalgası kaynağı olduğunu anladım.”
Jetler, ölmekte olan yıldızın çökmekte olan katmanlarıyla çarpışırken, jetin etrafında bir baloncuk veya bir “koza” oluşur. Kozalar, sıcak gazların ve döküntülerin rastgele karıştığı ve jetten her yöne doğru genişlediği çalkantılı yerlerdir. Gottlieb, enerji dolu balonun jetten hızlanırken uzay-zamanı karıştırarak yerçekimi dalgalarından oluşan bir dalgalanma oluşturduğunu açıkladı.
Gottlieb, “Bir jet, bir yıldızın derinliklerinde başlar ve sonra kaçmak için çıkış yolunu deler,” dedi. “Duvara bir delik açtığınızda olduğu gibi. Dönen matkap ucu duvara çarpar ve duvardan moloz dökülür. Matkap ucu o malzemeye enerji verir. Benzer şekilde, jet yıldızın içinden geçerek yıldızın malzemesinin ısınmasına ve dökülmesine neden olur. Bu enkaz, bir kozanın sıcak katmanlarını oluşturur.”
Kozalara bakmak için harekete geçirici mesaj
Kozalar yerçekimi dalgaları üretiyorsa, LIGO’nun bunları sonraki çalışmalarında tespit edebilmesi gerekir, dedi Gottlieb. Araştırmacılar genellikle gama ışını patlamalarından veya süpernovalardan gelen tek kaynaklı yerçekimi dalgalarını aradılar, ancak astrofizikçiler LIGO’nun bunları tespit edebileceğinden şüphe duyuyorlar.
“Hem jetler hem de süpernovalar çok enerjik patlamalardır,” dedi Gottlieb. “Ancak yerçekimi dalgalarını yalnızca daha yüksek frekanslı, asimetrik patlamalardan tespit edebiliyoruz. Süpernovalar oldukça küresel ve simetriktir, bu nedenle küresel patlamalar, yerçekimi dalgaları yaymak için yıldızdaki dengeli kütle dağılımını değiştirmez. Gama ışını patlamaları onlarca saniye sürer, dolayısıyla frekans çok küçüktür; LIGO’nun duyarlı olduğu frekans bandından daha düşüktür.”
Ölmekte olan yıldızın kozasının 360 derecelik görünümü (renk haritası, logaritmik gerinim genliğidir). Kredi: Ore Gottlieb/CIERA/Northwestern University
Bunun yerine Gottlieb, astrofizikçilerden dikkatlerini hem asimetrik hem de oldukça enerjik olan kozalara yönlendirmelerini istiyor.
“Çalışmamız, topluluğa kozaları yerçekimi dalgalarının kaynağı olarak görmeleri için bir harekete geçirme çağrısıdır” dedi. “Kozaların elektromanyetik radyasyon yaydığını da biliyoruz, bu yüzden çoklu haberci olayları olabilirler. Bunları inceleyerek, yıldızların en iç kısımlarında neler olduğu, jetlerin özellikleri ve yıldız patlamalarındaki yaygınlıkları hakkında daha fazla bilgi edinebiliriz.”
Referans: “Jetlenmiş ve Çalkantılı Yıldız Ölümleri: Yeni LVK-tespit edilebilir Yerçekimi-dalga Kaynakları”, yazan Ore Gottlieb, Hiroki Nagakura, Alexander Tchekhovskoy, Priyamvada Natarajan, Enrico Ramirez-Ruiz, Sharang Banagiri, Jonatan Jacquemin-Ide, Nick Kaaz ve Vicky Kalogera, 10 Temmuz 2023, The Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ace03a
Gottlieb, Northwestern Disiplinlerarası Keşif ve Araştırma Merkezi’nde (CIERA) bir CIERA Üyesidir. Çalışmanın Northwestern ortak yazarları arasında profesörler Vicky Kalogera ve Alexander Tchekovskoy, doktora sonrası yardımcılar Sharan Banagiri ve Jonatan Jacquemin-Ide ve yüksek lisans öğrencisi Nick Kaaz bulunmaktadır.
Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı, NASA ve Fermi Cycle 14 Misafir Araştırmacı programı tarafından desteklenmiştir. Bu gelişmiş simülasyonlar, Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı süper bilgisayar Zirvesi ve Ulusal Enerji Araştırmaları Bilimsel Hesaplama Merkezi’nin süper bilgisayarı Perlmutter tarafından ASCR Liderlik Bilgi İşlem Yarışması hesaplama süresi ödülü yoluyla mümkün kılındı.