Hayalet Parçacıklar Nötron Yıldızı Çarpışmalarında Şekil Değiştiriyor
Yeni simülasyonlar, nötrino çeşidi dönüşümlerinin hem bileşimi hem de nötron yıldızı çarpışmalarından sonra geride kalan sinyalleri değiştirdiğini gösteriyor.
İki nötron yıldızı çarpışıp birleştiğinde, sonuç evrendeki en enerjik olaylardan biri olur. Bu kataklizmalar, Dünya’dan tespit edilebilen çok sayıda sinyal üretir.
Penn State ve Tennessee Üniversitesi Knoxville’deki araştırmacıların yeni simülasyonları, nötrino adı verilen küçük parçacıkların karışma ve değişim biçiminin hem birleşmenin nasıl ilerlediğini hem de ne yaydığını etkilediğini gösteriyor. Nötrinolar, neredeyse hiç bozulma olmadan uçsuz bucaksız kozmik mesafeler kat edebilir ve davranışları çarpışmanın sonucunu şekillendirir.
Ekibe göre, sonuçlar metallerin ve nadir toprak elementlerinin nereden geldiğiyle ilgili uzun süredir devam eden sorulara yanıt veriyor ve aynı zamanda bilim insanlarının aşırı ortamlarda fiziği araştırmalarına yardımcı oluyor.
Physical Review Letters’da yayınlanan çalışma, nötron yıldızı birleşmeleri sırasında nötrino “çeşitlerinin” dönüşümünü modelleyen ilk çalışmadır. Nötrinolar, maddeyle yalnızca zayıf bir şekilde etkileşime giren ve eşlik ettikleri parçacıkların adını taşıyan üç farklı türde ortaya çıkan temel parçacıklardır: elektron, müon ve tau. Bir nötron yıldızının içindeki koşullar da dahil olmak üzere belirli koşullar altında, nötrinolar teorik olarak tür değiştirebilir ve bu da etkileşime girdikleri parçacık türlerini değiştirir.
Penn State Eberly Bilim Fakültesi’nde fizik alanında yüksek lisans öğrencisi ve makalenin ilk yazarı olan Yi Qiu, “İkili nötron yıldızı birleşmelerinin önceki simülasyonları, nötrino türlerinin dönüşümünü içermemişti,” dedi. “Bunun nedeni kısmen bu sürecin nanosaniyeler ölçeğinde gerçekleşmesi ve yakalanmasının çok zor olması, kısmen de yakın zamana kadar bu dönüşümlerin altında yatan teorik fizik hakkında yeterli bilgiye sahip olmamamız ve bunun da fiziğin standart modelinin dışında kalmasıdır. Yeni simülasyonlarımızda, nötrinoların karışıp dönüşmesinin kapsamının ve konumunun, birleşmeden çıkan maddeyi, birleşmeden sonra kalanın -kalıntının- yapısını ve bileşimini ve etrafındaki malzemeyi etkilediğini bulduk.”
Gelişmiş Simülasyonlar Oluşturma
Araştırmacılar, yerçekimi, genel görelilik, hidrodinamik ve nötrino karışımı da dahil olmak üzere çeşitli fiziksel süreçleri içeren, bir nötron yıldızı birleşmesinin sıfırdan bir bilgisayar simülasyonunu oluşturdular. Ayrıca, araştırmacıların bu ortamdaki en önemli nötrino dönüşümü olduğunu söyledikleri elektron çeşidi nötrinolarının müon çeşidine dönüşümünü de hesaba kattılar. Karışımın zamanlamasını ve yerini ve çevredeki malzemenin yoğunluğunu değiştirerek çeşitli senaryolar modellediler.
Araştırmacılar, birleşme sırasında oluşan elementlerin türü ve miktarı da dahil olmak üzere tüm bu faktörlerin birleşme kalıntısının bileşimini ve yapısını etkilediğini buldular. Bir çarpışma sırasında, bir nötron yıldızındaki nötronlar enkazdaki diğer atomlara fırlatılabilir ve bu atomlar nötronları yakalayarak nihayetinde altın ve platin gibi ağır metallerin yanı sıra akıllı telefonlarda, elektrikli araç pillerinde ve diğer cihazlarda kullanılan nadir toprak elementleri gibi daha ağır elementlere bozunabilir.
Penn State Eberly Bilim Koleji’nde Knerr Fizik Erken Kariyer Profesörü ve Astronomi ve Astrofizik doçenti ve makalenin yazarlarından David Radice, “Bir nötrinonun aroması, diğer maddelerle etkileşimini değiştirir” dedi. Elektron tipi nötrinolar, bir atomun üç temel parçasından biri olan bir nötronu alıp diğer ikisine, yani bir protona ve bir elektrona dönüştürebilir. Ancak müon tipi nötrinolar bunu yapamaz. Dolayısıyla, nötrino türlerinin dönüşümü, sistemde bulunan nötron sayısını değiştirebilir ve bu da ağır metallerin ve nadir toprak elementlerinin oluşumunu doğrudan etkiler. Bu önemli elementlerin kozmik kökeni hakkında hala cevaplanmamış birçok soru var ve nötrino karışımının hesaba katılmasının element üretimini 10 katına kadar artırabileceğini bulduk.
Dünya’dan Tespit Edilebilir Emisyonlar
Birleşme sırasında nötrino karışımı, birleşmeden çıkan maddenin miktarını ve bileşimini de etkiledi ve araştırmacılar, bunun Dünya’dan tespit edilebilir emisyonları değiştirebileceğini söyledi. Bu emisyonlar genellikle kütleçekim dalgalarını (uzay-zamandaki dalgalanmalar) ve X-ışınları veya gama ışınları gibi elektromanyetik radyasyonu içerir.
Radice, “Simülasyonlarımızda, nötrino karışımı, nötron yıldızı birleşmelerinden kaynaklanan elektromanyetik emisyonları ve muhtemelen kütleçekim dalgalarını da etkiledi,” dedi. “LIGO, Virgo ve KAGRA gibi son teknoloji dedektörler ve 2030’larda faaliyete geçmesi beklenen Kozmik Kaşif gözlemevi gibi yeni nesil benzerleriyle, gökbilimciler kütleçekim dalgalarını daha önce olduğundan daha sık tespit etmeye hazır. Bu emisyonların nötron yıldızı birleşmelerinden nasıl oluştuğunu daha iyi anlamak, gelecekteki gözlemleri yorumlamamıza yardımcı olacak.”
Araştırmacılar, karışım süreçlerinin modellenmesinin bir sarkaçın ters çevrilmesine benzediğini söyledi. Başlangıçta birçok değişiklik inanılmaz derecede hızlı bir zaman diliminde gerçekleşti, ancak sonunda sarkaç istikrarlı bir dengeye ulaştı. Ancak bunların çoğunun bir varsayım olduğunu söylediler.
Qiu, “Bu nötrino dönüşümlerinin teorik fiziği hakkında hâlâ bilmediğimiz çok şey var,” dedi. “Teorik parçacık fiziği gelişmeye devam ettikçe, simülasyonlarımızı büyük ölçüde geliştirebiliriz. Belirsiz olan şey, bu dönüşümlerin nötron yıldızı birleşmelerinde nerede ve nasıl meydana geldiği. Mevcut anlayışımız, bunların çok olası olduğunu gösteriyor ve simülasyonlarımız, eğer gerçekleşirlerse büyük etkilere sahip olabileceklerini gösteriyor; bu da onları gelecekteki modellere ve analizlere dahil etmeyi önemli kılıyor.”
Bu karmaşık simülasyonlar için altyapı oluşturulduğuna göre, araştırmacılar diğer grupların da bu teknolojiyi nötrino karışımının etkilerini araştırmaya devam etmek için kullanacaklarını umuyorlar.
Radice, “Nötron yıldızı birleşmeleri, kozmik laboratuvarlar gibi işlev görüyor ve Dünya’da güvenli bir şekilde kopyalayamayacağımız aşırı fizik hakkında önemli bilgiler sağlıyor,” dedi.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Evrendeki En Hızlı Dönen Yıldız: Nötron Yıldızı Saniyede 716 Kez Nasıl Dönüyor?