Nötron Yıldızı Nedir?

Kara deliklerle ilgili yazılarımızdan da hatırlayacağınız üzere, devasa bir yıldız ömrünün sonuna geldiğinde süpernova adı verilen bir olay ile patlar. Buna sebep olan şey, yıldızın stabilitesini sağlayan nükleer füzyon olayının yakıtının sona ermesidir. Yani yıldızların içerisinde, “atalarından kalma“, belli miktarda madde vardır ve yıldızların çekirdeğinde sürekli devam eden nükleer füzyon olayı, bir yandan daha ağır elementlerin oluşmasını sağlarken, diğer yandan kütle çekiminin etkisi altında yıldızın kendi üzerine çökmesine engel olur. Ama ne zaman ki yakıt görevi gören bu madde sona erer, o zaman yıldızın kütlesine bağlı olarak devasa bir patlama yaşanabilir. İşte bu patlamaya süpernova adını veriyoruz.

Patlayan yıldızın kütlesine bağlı olarak (ki buna Chandrasekhar Limiti de deniyor) yıldız bir kara deliğe veya nötron yıldızına dönüşebilir. Bir nötron yıldızının oluşmasına neden olan yıldızlar, Güneş’ten yaklaşık 10-25 kat büyüklükteki yıldızlardır. Kara deliklerden sonra en güçlü çekim kuvvetine sahip gök cisimlerinden biri olan nötron yıldızları, 20 kilometrelik bir çapa, Dünya’nın 500.000 katına varan miktarda kütle sığdırabilmektedir! Tıpkı kara delikler gibi nötron yıldızları da dev kütleli yıldızların (Güneş’ten 8-15 kat büyük yıldızların) “ölümü” sonrasında doğarlar.

Nötron yıldızları, bir kara delik kadar olmasa da, aklınıza gelebilecek herhangi bir cisimden çok daha yüksek yoğunluğa sahip olan, sıra dışı gök cisimleridir. Şöyle düşünün: Eğer bir nötron yıldızını oluşturan malzemeden tek bir çay kaşığı miktarda alacak olsaydınız, 900 milyar kilogramlık kütleye sahip olurdunuz! Bu, tek bir çay kaşığı içerisinde Everest Dağı’ndan daha fazla kütle bulunması demektir!

Daha bilimsel terimlerle konuşacak olursak, tipik bir nötron yıldızı, Güneş’in kütlesinin 1.4 katından 2 katına kadar olan bir kütleye sahip olabilmektedir. Bu, ilk etapta kulağa fazla gelmeyebilir; ancak zaten bir nötron yıldızına etkileyiciliğini veren tek başına kütlesi değildir. Güneş’in 2 katına kadar olabilen bu kütle, sadece 15-20 kilometrelik çapa sahip bir yıldızın içinde toplanmıştır! Kıyaslama olması bakımından Güneş’in çapı, Dünya’nın çapından 100 kat kadar fazladır; bizse, kabaca İstanbul’un kuzeyinden güneyine kadar olan mesafeye, Güneş’in 2 katı kütle sığdırmaktan söz ediyoruz! Bu durumda sorabilirsiniz, “O zaman kara deliğe ne kadar kütle sığıyor?” diye… Olay ufku 20 kilometre olan bir kara deliğe kabaca 2.25 milyon adet Dünya kütlesi sığabilmektedir. Kara delikler, böylesine inanılmaz bir yoğunluğa sahiptirler.

Nötron Yıldızları Nasıl Oluşur?

Yukarıda da söz ettiğimiz gibi, yıldız adını verdiğimiz termonükleer gök cisimleri, aslen kütle çekimi ile nükleer füzyon arasındaki bir dansın ürünüdür. Kütle çekimi, her zaman olduğu gibi, maddeyi birbirine doğru çeker ve dolayısıyla devasa büyüklükteki gök cisimlerinin kendi üzerlerine çökmesini sağlamaya çalışır. Zaten nebulalar gibi yıldız ve gezegen doğum evlerinde olan, bir önceki yıldızlardan saçılan malzemenin kendi üzerine çökecek biçimde toplanmasıyla oluşurlar. Eğer kütle belirli bir seviyenin altındaysa gezegenler oluşur. Eğer kütle belli bir düzeyin üzerindeyse, termonükleer bir süreç olan nükleer füzyon, yani çekirdek kaynaşması olayı başlar. Bu süreçte hem hidrojen gibi daha hafif elementlerden daha büyük atom numarasına sahip elementler oluşur, hem de yoğun bir enerji açığa çıkar. Dışa doğru yayılan bu enerji, yıldızın kütle çekimi etkisi altında kendi üzerine çökmesini engeller. Madde miktarı, yıldızın stabilitesini belirler; ancak madde sonsuz değildir.

Yıldız, ömrü boyunca “yanmayı” sürdürdükçe, yakıtı giderek azalır. Bu ömür, genellikle yüz milyonlarca ve milyarlarca yıldır; örneğin Güneş’imizin toplam ömrü 9 milyar yıl kadardır ve bunun 4-5 milyar yılı çoktan sona ermiştir. Ama ne zaman ki termonükleer faaliyetleri sürdürebileceği yakıtın sonuna gelir, kütle çekimi birdenbire üstün gelir. Böylece yıldızın bütün parçaları, çekirdeğe doğru hızla çökmeye başlar. Bu çökme o kadar şiddetli olur ki, bütün madde çekirdekte öbeklendiği anda, devasa bir şok dalgası bütün yıldızı sarsar ve yıldız, dışarı doğru yayılan bu şok dalgası ile patlar. Bu patlama, süpernova olarak bilinir ve genellikle sadece birkaç saniye sürer.

Ancak patlamadan arta kalan çekirdek halen yerindedir ve kütle çekim kuvveti, geriye kalan malzemeyi kendi üzerine çöktürmeye devam eder. Böylece artık kütlesi değişmeyen yıldız artığının hacmi hızla azalır, yoğunluğu hızla artar. Bu çökme de öylesine şiddetlidir ki, protonları büyük bir basınçla sıkıştırarak nötrona dönüşmelerine neden olur. İşte nötron yıldızları, isimlerini buradan alırlar. Eski yıldızdan arta kalan madde, nötronyum adı verilen, aşırı yoğun ve nötronca zengin bir çekirdeğe dönüşmüştür. Nötronyum, yukarıda da gördüğümüz gibi, genellikle bir şehir büyüklüğündedir ve küre şeklindedir.

Şu anki bilgilerimiz ışığında, eğer süpernovadan sonra arta kalan madde miktarı, bir nötron yıldızı oluşturmak için çok fazla ise, bir kara delik oluşacaktır. Yani madde, kendi üzerine çökmeye devam edecek ve adeta uzay-zaman dokusunu “yırtan” bir boyuta ulaşacaktır. Bir nötron yıldızı mı, yoksa bir kara delik mi oluşacağını belirleyen kütlenin sınırı halen tartışılmaktadır. Çünkü yapılan gözlemlere göre, en iri nötron yıldızları 2 Güneş Kütlesi civarındadır; en hafif kara delikler ise 5 Güneş Kütlesi civarındadır. Bu durumda, 2-5 Güneş Kütlesi arasında eksik kütle adı verilen bir boşluk bulunmaktadır. Muhtemelen bu aralıkta bir başka tip gök cismi oluşmaktadır veya bildiğimizden çok daha iri nötron yıldızları veya çok daha hafif kara delikler vardır; fakat bunlar henüz keşfedilebilmiş değildir.

Nötron Yıldızlarının İçinde Ne Var?

Bu soru, genellikle kara delikler için sorulur. Ancak nötron yıldızlarının içinde ne olduğu sorusu da oldukça ilginç bir sorudur ve oldukça tartışmalıdır. Her ne kadar nötron yıldızını oluşturan ana malzeme nötronlar olsa da, bilim insanları bir nötron yıldızı içerisinde yaklaşık 1.5 kilometre kalınlığında demirden bir çekirdek olduğunu düşünmektedir. Bu demirden çekirdeğin altı, büyük oranda nötronlarla doludur ve nötron yıldızının çekirdeğinden uzaklıklarına bağlı olarak bu nötronlar farklı formlarda yer alabilirler. Nötron yıldızlarıyla ilgili yaygın bir yanlış kanı, onların da ısı ve ışık ürettiği fikridir. Tıpkı kara delikler gibi, nötron yıldızları da ısı veya ışık saçmazlar; sadece kendilerinin oluşumuna sebep olan atasal yıldızdan arta kalan ışığı ve ısıyı saçarlar. Başlangıçta 600.000 Kelvin sıcaklığında olan bir nötron yıldızında bulunan bu artık ısı ve ışık, milyonlarca yıl içinde giderek soğur.

Tıpkı kara delikler gibi, nötron yıldızlarının da muazzam bir kütle çekim kuvveti vardır. Örneğin sıradan bir nötron yıldızının kütle çekim kuvveti, Dünya’da olanın 1 katrilyon (1000 trilyon) katı kadardır. Bu nedenle bir nötron yıldızı üzerine düşecek olsaydınız, kütle çekimi etkisi altında atomlarınıza ve atom altı parçacıklarınıza kadar ayrışırdınız; Tıpkı bir kara delikte olacağı gibi…

Ayrıca bu devasa kütle çekimi dolayısıyla, bir nötron yıldızının kütle çekim alanına giren bir cismin de kurtulması çok zordur. Kara deliklerin olay ufkundan hiçbir şekilde kaçılamasa da (çünkü ışık hızından daha hızlı gitmeyi gerektirecek kadar yüksek bir kurtulma hızı gerekiyor), nötron yıldızlarından kaçmak mümkün olabilir. Ancak Dünya’nın kütle çekiminden kurtulmak için saniyede 12 kilometre hızla gitmeniz gerekirken, bir nötron yıldızının kütle çekiminden kurtulmak için saniyeden 100.000-150.000 kilometre hızla gitmeniz gerekir; yani ışık hızının %30-50 civarında! Teorik olarak mümkün olsa da, pratik olarak bunu yapmak imkansıza yakındır; bu nedenle bir nötron yıldızına yakalanan bir gök cismi neredeyse hiçbir zaman kurtulamayacaktır.

İşte bu nedenle, bir nötron yıldızının yüzeyinin muazzam bir düzlükte olduğu düşünülmektedir. Çünkü yüzeydeki en ufak pürüzler bile, muazzam kütle çekiminin etkisi altında düzleştirilecek ve diğer yüzeylerle aynı seviyeye çekilecektir. Bu nedenle, bir nötron yıldızı üzerinde bir “dağ” bulacak olsaydınız, bu dağ sadece en fazla birkaç santimetre yükseklikte olurdu.

Nötron Yıldızları, Pulsarlar ve Magnetarlar

Bir nötron yıldızı, ufak boyutu ve devasa bir süpernova sonucu oluşması dolayısıyla genellikle kendi etrafında akıl almaz hızlarda dönmektedir. Bu dönüşler sırasında, manyetik kutuplarından enerji fışkırmaları yaşanır. Eğer bu fışkırmalar, şans eseri Dünya’ya dönük şekilde yaşanacak olursa, Dünya’daki sensörlerimiz bu fışkırmaları tespit edebilmektedir. İşte bu şekilde dönen nötron yıldızlarından ışık saçılmasına pulsar (atarca) adı verilmektedir. Bugüne kadar keşfedilmiş en yüksek rotasyon hızına sahip pulsar, PSR J1748−2446ad adıyla bilinmektedir ve saniyede 716 defa kendi etrafında dönmektedir. Yani Terzan 5 yıldız kümesi içinde bulunan bu pulsar, ışık hızının yaklaşık %25’i hızda kendi etrafında dönmektedir!

Samanyolu Galaksisi içerisinde en az 100 milyon nötron yıldızı bulunduğu düşünülmektedir; ancak bunların büyük bir kısmı çoktan tespit edemeyeceğimiz düzeyde soğumuştur. Ancak eğer ki iki nötron yıldızı birbiriyle çarpışıp kaynaşacak olursa, bu çarpışmadan doğan kütleçekim dalgalarını LIGO gibi araçlarla tespit etmemiz mümkün olmaktadır. Bu çarpışmalar hem Evren’deki en şiddetli doğa olaylarından bazılarının oluşmasına neden olur, hem de altın ve platinyum gibi ağır elementlerin oluşmasını sağlar.

Ayrıca bir nötron yıldızı sıra dışı şiddette manyetik alana da sahip olabilir. Bu tür nötron yıldızlarına magnetar adını veriyoruz. Bunların etrafındaki elektromanyetik alan öylesine güçlüdür ki, eğer bir magnetara Ay ile Dünya arasındaki mesafe kadar yaklaşacak olsaydınız, güçlü manyetik alanın şiddeti nedeniyle cebinizdeki anahtarlar hızla “Ay’a doğru” fırlardı! Ne var ki magnetarların doğasına ve nasıl oluştuklarına dair öğreneceğimiz çok şey var!

Kaynaklar ve İleri Okuma:

• J. W. T. Hessels, et al. (2006). A Radio Pulsar Spinning At 716 Hz. Science, sf: 1901-1904. doi: 10.1126/science.1123430. | Arşiv Bağlantısı
• ^ A. Briggs. What Is A Neutron Star? | Earthsky.org. (12 Şubat 2020). Alındığı Tarih: 29 Ağustos 2020. Alındığı Yer: earthsky.org | Arşiv Bağlantısı
• ^ D. Byrd. How Massive Can Neutron Stars Be? | Earthsky.org. (18 Ocak 2018). Alındığı Tarih: 29 Ağustos 2020. Alındığı Yer: earthsky.org | Arşiv Bağlantısı
• ^ E. Inglis-Arkell. Neutrium: The Most Neutral Hypothetical State Of Matter Ever. (14 Nisan 2012). Alındığı Tarih: 29 Ağustos 2020. Alındığı Yer: io9 | Arşiv Bağlantısı
• ^ A. Heger, et al. How Massive Single Stars End Their Life. (20 Aralık 2002). Alındığı Tarih: 29 Ağustos 2020. Alındığı Yer: arXiv.org doi: 10.1086/375341. | Arşiv Bağlantısı
• ^ NASA. Tour The Asm Sky. Alındığı Tarih: 29 Ağustos 2020. Alındığı Yer: NASA | Arşiv Bağlantısı
• ^ A. Reisenegger. Origin And Evolution Of Neutron Star Magnetic Fields. (07 Temmuz 2003). Alındığı Tarih: 29 Ağustos 2020. Alındığı Yer: arXiv.org | Arşiv Bağlantısı
• ^ B. Kiziltan. (2011). Reassessing The Fundamentals: On The Evolution, Ages And Masses Of Neutron Stars. ISBN: 9781612337654. Yayınevi: Universal-Publishers.
• ^ P. Haensel, et al. (2007). Neutron Stars 1. ISBN: 9780387473017. Yayınevi: Springer Science & Business Media.
• The Learning Center at Pari. Sensing The Radio Sky. (15 Mart 2019). Alındığı Tarih: 30 Ağustos 2020. Alındığı Yer: The Learning Center at Pari | Arşiv Bağlantısı