Uzaya altın ve platin saçan birleşen nötron yıldızları
ESO’nun Şili’de bulunan teleskopları ilk kez bir kütle çekimsel dalga kaynağının görünür ışıktaki karşılığını tespit etti. Bu tarihi gözlemlere göre gözlenen bu eşsiz nesne iki nötron yıldızının birleşmesinin sonucu. Bu şekildeki şiddetli birleşme olayları — kilonovalar denilen uzun süreli olaylar — evrene altın ve platin gibi ağır elementler saçmaktadır. Bu keşif, çok sayıda makale şeklinde Nature ve diğer dergilerde yayımlanmış olup, kısa süreli gama-ışını patlamalarının arkasındaki nedenin nötron yıldızlarının birleşmesi olduğuna dair en güçlü kanıtları sağlamaktadır.
Gökbilimciler küresel işbirliği çabaları ve ESO ile dünya genelindeki diğer tesislerin hızlı tepkileri sayesinde ilk kez aynı olaydan hem kütle çekimsel dalgaları hem de ışığı (elektromanyetik ışınım) gözleyebildi.
17 Ağustos 2017 tarihinde NSF’nin Amerika’daki Lazer Girişimölçer Kütçekimsel-Dalga Gözlemevi (LIGO), İtalya’da bulunan Virgo Girişimölçeri ile birlikte çalışarak Yeryüzü’ne ulaşan kütleçekim dalgalarını tespit etti. Şimdiye kadar yapılan beşinci kayıt olan bu olay, GW170817 olarak isimlendirildi. Yaklaşık iki saniye sonra, uzayda bulunan iki gözlemevi, NASA’nın Fermi Gama-ışın Uzay teleskopu ve ESA’nın Uluslararası Gama-ışını Astrofizik Laboratuvarı (INTEGRAL), gökyüzünün aynı bölgesinden kısa süreli bir gama-ışını patlaması tespiti gerçekleştirdi.
LIGO-Virgo gözlemevi ağı, kaynağı içerisine yüzlerce dolunay ve milyonlarca yıldız alacak, güney gökküresindeki geniş bir bölgede konumladı [1]. Şili’de gece başladığında birçok teleskop gökyüzünde bu bölgeyi inceleyerek, yeni kaynakları arıyordu. Bunlar arasında ESO’nun Paranal Gözlemevindeki Görünür ve Kırmızı-ötesi Gökbilim Tarama Teleskopu (VISTA) ve VLT Tarama teleskopu (VST) ile, ESO’nun La Silla Gözlemevindeki İtalyan Hızlı Göz Kundağı (REM) teleskopu, Las Cumbres Gözlemevindeki LCO 0.4-metrelik teleskop ve Cerro Tololo Ortak-Amerikan Gözlemevindeki Amerikan DECCam bulunmaktaydı. Swope 1-metrelik teleskopu yeni ışık-kaynağı noktasını ilk duyuran gözlemi gerçekleştirdi. Su yılanı takımyıldızındaki merceksi gökada NGC 4993’e oldukça yakın bir bölgede görülen kaynağın yerini, ardından VISTA teleskopu neredeyse aynı zamanda kırmızı-ötesi dalgaboyunda belirledi. Gecenin ilerleyen saatlerinde Hawaii adasındaki teleskoplar Pan-STARRS ve Subaru’da hızla gelişen olayı izleyerek kaydettiler.
“Yeni bir çağın başlangıcına şahit olma şansı bir bilimci için nadir gerçekleşen olaylardan biridir,” diyor İtalya’daki INAF’tan gökbilimci ve Nature makalelerinden birinin yazarı gökbilimci Elena Pian. “O anlardan birindeyiz!”
ESO’nun başlattığı şimdiye kadarki en büyük “fırsat hedefi” gözlem kampanyasına ESO ve ESO-ortağı birçok kurumun teleskopları katılarak, nesnenin tespitini takip eden haftalarda gözlemler gerçekleştirildi [2]. ESO’nun Çok Büyük teleskopu (VLT), Yeni Teknoloji teleskopu (NTT), VST, MPG/ESO 2.2-metrelik teleskop ve Atacama Büyük Milimetre/milimetre-altı Dizgesi (ALMA) [3] hep birlikte olayı ve sonrasındaki etkilerini geniş bir dalgaboyu aralığında gözledi. Aralarında NASA/ESA Hubble Uzay teleskopunun da yer aldığı dünya genelinde yaklaşık 70 gözlemevi olayı takip ederek gözlemler yaptı.
Hem kütle çekim dalgası verileri hem de diğer gözlemlere göre GW170817’nin uzaklığı NGC 4993 ile aynı, yani Yeryüzü’nden yaklaşık 130 milyon ışık-yılı uzaklıkta. Bu, kaynağı şimdiye kadar gözlenmiş olan hem en yakın kütleçekim dalgası olayı, hem de en yakın gama-ışın patlaması kaynaklarından biri yapmaktadır [4].
Uzay-zamandaki dalgalanmalar olarak bilinen kütleçekim dalgaları hareket halindeki kütleler tarafından oluşturulmakta ve sadece en yoğun, çok büyük kütleli nesnelerin hızlarındaki ani değişimlerde ortaya çıkanları tespit edilebilmektedir. Buna benzer bir olay nötron yıldızlarının birleşmesi olup, bunlar yüksek-kütleli yıldızların süpernova patlamalarından geride kalan, kendi içlerine çökmüş, aşırı yoğun çekirdeklerdir [5]. Bu birleşme olayları kısa süreli gama-ışın patlamaları için öne sürülen en güçlü hipotezdir. Bu tür bir olaydan sonra tipik bir novadan 1000 kat daha parlak olan — kilonova olarak bilinen — bir patlama olayının gerçekleşmesi bekleniyor.
GW170817’ye ait hem kütleçekim dalgaları hem de hem de gama ışınlarının neredeyse eş-zamanlı gerçekleştirilen tespitleri ümitleri yeşerterek, aslında nesnenin uzun süredir aranan bir kilonova olduğunu gösterdi ve ESO tesisleri ile yapılan gözlemler de teorik tahminlere oldukça yakın dikkat çekici özelliklerini ortaya çıkardı. Kilonovalar 30 yıldan uzun bir süre önce önerilmiş olsa da, ilk onaylanmış gözlemi bu oldu.
İki nötron yıldızının birleşmesinden sonra hızla genişleyen bir patlamayla radyoaktif ağır kimyasallardan oluşan elementler ışık-hızının beşte biri hızında kilonovayı terk etti. Takip eden birkaç gün içinde kilonavanın rengi, gözlenen diğer tüm yıldız patlaması türlerinden daha hızlı bir şekilde, maviden kırmızıya dönüştü.
“Ekranlarımızda tayf görülmeye başladığında, bunun şimdiye kadar gördüğüm en acayip kısa süreli olay olduğunun farkına vardım,” diyor genişletilmiş ESO Tayfsal Kısa Süreli Nesne Taraması (ePESSTO) gözlem programının bir parçası olarak ESO’nun NTT teleskopu ile gözlemleri yürüten Stephen Smartt. “Şimdiye kadar böyle bir şey görmedim. Diğer ekiplerin verileri ile birlikte, aldığımız veriler, bunun bir süpernova ya da ön tarafta bulunan bir değişen yıldız olmadığını, fakat oldukça dikkat çekici başka bir şey olduğunu herkese kanıtlıyordu.”
ePESSTO ve VTL üzerindeki X-shooter aygıtı, sezyum ve tellür varlığının nötron yıldızı birleşmesinden atıldığını göstermektedir. Bu ve diğer ağır elementler, nötron yıldızı birleşmesinde üretilerek, olayı takiben oluşan kilonova ile uzaya fırlatılmaktadır. Bu gözlemler, demirden ağır elementlerin oluşumunu, şimdiye kadar sadece teorik olarak önerilen ve r-süreci çekirdek birleşmesi olarak bilinen, yüksek-yoğunluğa sahip yıldızsal nesnelerde gerçekleşen çekirdek birleşmeleriyle meydana geldiğini belirtmektedir.
“Elde edilen veriler teoriyle inanılmaz şekilde uyum sağlıyor. Bu teorisyenler için bir zafer, LIGO-VIRGO olaylarının kesinlikle gerçek bir doğrulaması ve böyle hayret verici bir kilonova veri setine sahip olmak ESO için büyük bir ilerlemedir,” diye ekliyor Nature Gökbilim makalelerinden birinin başyazarı Stefano Covino.
“ESO’nun gücü büyük ve karmaşık gökbilim projeleri ile başa çıkabilecek ve acil durumlu olaylarda, hemen harekete geçebilecek geniş bir aralıkta teleskop ve aygıtlara sahip olmasında yatıyor. Artık çoklu-dalgaboyu gökbiliminde yeni bir çağa başlıyoruz!” diye ekliyor makalelerden birinin başyazarı Andrew Levan.
Notlar
[1] LIGO–Virgo tespiti ile kaynağın alanı gökyüzünde yaklaşık 35 derece kareye kadar saptanmış oldu.
[2] Gökada sadece Ağustos akşamlarında gözlenebilirdi, sonrasında Güneş’e çok yakın olduğundan Eylül ayında gözlenemedi.
[3] Gözlemler VLT tesisindeki Birim Teleskop 2 (UT2) üzerindeki X-shooter tayfçekeri; Birim Teleskop 1 (UT1) üzerindeki Odak Daraltıcı ve Düşük Dağılımlı Tayfçeker 2 (FORS2) ve Nasmyth Uyarlamalı Optik Sistemi (NAOS) – Yakın Kırmızı-Ötesi Görüntüleyici ve Tayfçeker (CONICA) (NACO); Birim Teleskop 3 (UT3) üzerindeki Görünür Çoklu-Nesne Tayfçekeri (VIMOS) ve VLT orta-Kırmızı-Ötesi Görüntüleyici ve Tayfçeker (VISIR) ve Birim Teleskop 4 (UT4) üzerindeki Çoklu Birim Tayf Kâşifi (MUSE) ve Yüksek Duyarlıklı Geniş-alan K-Bant Görüntüleyici (HAWK-I) ile yapılmıştır. VST’de OmegaCAM ve VISTA’da VISTA Kırmızı-ötesi Kamera (VIRCAM) kullanılmıştır. ePESSTO programı kapsamında NTT’nin görünür ışık tayfları ESO Sönük Nesne Tayfçekeri ve Kamerası 2 (EFOSC2) ve kırmızı-ötesi tayfları ISAAC’in Oğlu (SOFI) tayfçekeri ile alınmıştır. MPG/ESO 2.2-metrelik teleskop gözlemleri ise Gama-Işın Patlaması Optik/Kırmızı-ötesi Dedektörü (GROND) ile yapılmıştır.
[4] Yeryüzü ile nötron yıldızı arasındaki 130 milyon ışık-yılı değerindeki görece küçük olan mesafe gözlemleri mümkün hale getirmiştir. Çünkü ilk dört kütleçekimsel dalga tespitindeki olaylar olan birleşen karadeliklere göre, birleşen nötron yıldızları daha zayıf kütleçekim dalgaları oluşturmaktadırlar.
[5] Bir çift sistemde bir nötron yıldızı diğeri etrafında dolandığı esnada kütle çekim dalgası yayarak enerji kaybederler. Yıldızlar yakınlaşmaya devam ederek sonunda bir araya gelirler ve yıldızsal kalıntılarının bir kısmı Einstein’ın ünlü E=mc² eşitliğinde açıklandığı gibi kütle çekim dalgaları şeklinde şiddetli bir patlamayla enerjiye dönüşür.
ESO-Türkiye (Arif Solmaz, Çağ Üniversitesi, Uzay Gözlem ve Araştırma Merkezi, Mersin)
