1. Ana Sayfa
  2. Bilim
  3. LIGO, Nötron Yıldızları ve Kara Delikler Arasında Bir ‘Kütle Boşluğu’ Teorisini Yok Etmek Hakkında mı?

LIGO, Nötron Yıldızları ve Kara Delikler Arasında Bir ‘Kütle Boşluğu’ Teorisini Yok Etmek Hakkında mı?

https___blogs-images.forbes.com_startswithabang_files_2016_07_MergingBlackHoles_V2
Bu simülasyon, ikili bir kara delik sisteminden yayılan radyasyonu göstermektedir. 
Prensip olarak, tüm izin verilen kütle aralığını kapsayan nötron yıldızı ikilileri, kara delik ikili dosyaları ve nötron yıldızı kara delik sistemlerine sahip olmalıyız. 
Uygulamada, bu tür ikili dosyalarda yaklaşık 2,5 ila 5 güneş kütlesi arasında bir ‘boşluk’ görüyoruz. 
Bu modern astronomi için bu eksik nesne popülasyonunu bulmak için harika bir bilmecedir.
 NASA’NIN GODDARD UZAY UÇUŞ MERKEZİ

Ne zaman bir yıldız, evrende doğduğunda, nihai kaderi, nükleer füzyonun çekirdeği tutuştuğu andan itibaren neredeyse tamamen belirlenir. Sadece birkaç faktöre bağlı olarak – kütle, helyumdan daha ağır olan elementlerin varlığı ve çok yıldızlı sistemin bir parçası olup olmadığına bağlı olarak – belirli özelliklere sahip bir yıldızın nihai kaderinin ne olacağını dramatik bir doğrulukla hesaplayabiliriz.

Güneş’e benzeyen tüm yıldızlar da dahil olmak üzere çoğu yıldız için, nihai kader beyaz bir cüce olacaktır: düzinelerce (hatta yüzlerce) Jüpitere göre daha büyük, ancak yalnızca Dünya gezegeni büyüklüğünde çok yoğun bir atom koleksiyonu. Yine de daha büyük yıldızlar için daha felaket bir kader bekliyor: Bir nötron yıldızı veya kara delik kalıntısına yol açabilecek bir süpernova. En ağır nötron yıldızları ile süpernova’nın oluşturduğu en hafif kara delikler arasında büyük bir boşluk olabilir veya olmayabilir ve insanlık bulmak için asla daha iyi bir konumda olmadı.

(Modern) Morgan – Keenan spektral sınıflandırma sistemi, yukarıda gösterilen her yıldız sınıfın sıcaklık aralığı ile kelvin cinsinden. 
Güneşimiz, yaklaşık 5800 K efektif sıcaklığa ve 1 güneş parlaklığına sahip ışık üreten G sınıfı bir yıldızdır. 
Yıldızlar Güneşimizin kütlesinin% 8’i kadar düşük olabilirler, Güneş’in parlaklığının ~% 0.01’i ile yanarlar ve 1000 defadan fazla yaşarlar, fakat Güneşimizin yüzlerce katına kadar yükselebilirler. Milyonlarca kez Güneşimizin parlaklığı ve sadece birkaç milyon yıllık yaşam süresi.

Yıldız ne kadar büyük olursa, nükleer füzyon için yakıt olarak potansiyel olarak kullanılabilir olan o kadar fazla malzeme vardır. Daha fazla yakacak yakıtla daha büyük yıldızların daha uzun yaşayacağını düşünmeye meyilli olabilirsiniz, ancak bunun tam tersi doğrudur.

Yıldızları oluşturma şekliniz, moleküler bir gaz bulutunun çöküşüdür. Yıldızınızı şekillendirecek daha büyük miktarlarda maddeye sahip olduğunuzda, o bulutun çöküşü daha fazla miktarda ısı yakalar ve bu yıldız içinde daha büyük bir çekirdek hacim boyunca daha yüksek çekirdek sıcaklıklarına yol açar. Bir yıldızın içinde 4.000.000 K (veya daha fazla) bir sıcaklığın nükleer füzyonu tutuşturması için yeterli olmasına rağmen, daha yüksek sıcaklıklar, daha aydınlık fakat daha kısa ömürlü yıldızlara eşit olan daha hızlı füzyon hızlarına yol açar.

Bu bölgedeki birçok kümeden biri büyük, kısa ömürlü, parlak mavi yıldızlarla vurgulanır. 
Sadece yaklaşık 10 milyon yıl içinde, en büyük olanların çoğu Tip II süpernova’sında, bir çift kararsız süpernovada patlayacak veya doğrudan çöküşe uğrayacak. 
Nötron yıldızları üreten felaketler ile kara deliklere neden olan felaketler arasında temel farklılıklar olup olmadığını bilmediğimizden, bu tür yıldızların tam kaderini henüz ortaya çıkarmadık.
 ESO / VST ANKETİ

Spektrumun aşırı yüksek kütleli ucunda, yıldızlar birçok on, hatta yüz milyonlarca Kelvin sıcaklığına ulaşabilir. İç çekirdekteki hidrojen bolluğu kritik bir eşiğin altına düştüğünde, çekirdekteki füzyon hızı düşmeye başlar, yani yıldızın çekirdeğinde üretilen dış basınç da düşmeye başlar. Yıldızı çökertmek için çalışan tüm yerçekimine karşı koyan birincil güç olduğundan, yakıtın azalması yıldızın çekirdeğinin büzülmeye başlayacağı anlamına gelir.

Hızlı bir şekilde işleyen (yani adyabatik olarak) çok miktarda maddeye sahip olduğunuzda, o sistemin sıcaklığı artacaktır. Yeterince kütleli yıldızlar için, çekirdeğin büzülmesi, onu, ilave elemanların kaynaşmasına başlayabilecek kadar ısıtacaktır. Hidrojen füzyonunun ötesinde, helyum karbona karışabilir. Güneş kütlenizin yaklaşık 8 katından daha büyük olan yıldızlar için, iç çekirdeği demir, nikel ve kobalt gibi elementlerden oluşana kadar çekirdeklerin kaynaşabileceği kadar: karbon, oksijen, neon, silikon vb. daha fazla değil.

İLGİNİZİ ÇEKEBİLİR  Çin 'Yapay Güneş'i tamamladı
Silisyumla yanan, süpernova öncesi, son aşamalarında masif bir yıldızın içini gösteren sanatçılar illüstrasyon (solda). 
(Silisyumla yanan çekirdek, demir, nikel ve kobaltın oluştuğu yerdir.) Cassiopeia’nın Chandra resmi (sağda) Bugün bir süpernova kalıntısı, Demir (mavi), kükürt (yeşil) ve magnezyum (kırmızı) gibi elementleri gösterir. . 
Tüm çekirdek çöküş süpernovalarının aynı yolu takip edip etmediğini bilmiyoruz.
 NASA / CXC / M.WEİSS; 
RÖNTGEN: NASA / CXC / GSFC / U.HWANG VE J.LAMİNG

Yıldızınızın çekirdeğinde demir, nikel ve kobalt oluşturmaya başladığınızda, gidecek hiçbir yer kalmaz. Bu çekirdeklerin daha da ağır elementlerle kaynaşması, füzyon işleminden daha fazla enerji gerektirir; bu, çekirdeğin çökmesi, yeni füzyon reaksiyonları için olduğundan daha enerjisel olarak daha uygun olduğu anlamına gelir. Çekirdek çöktüğünde, bir süpernova patlamasıyla yıldızın dış tabakalarını patlatırken, çekirdek çökerken çökmekte ve kaçak bir füzyon reaksiyonu meydana gelmektedir.

Süpernova spektrumunun alt kütle ucundaki yıldızların göbekleri merkezlerinde nötron yıldızları üreteceklerdir: birkaç düzine kilometre boyunca, ancak yaklaşık ~ 2.5 güneş kütlesini içeren, dev bir atom çekirdeği gibi olan yıldız kalıntıları . Bununla birlikte, yüksek kütleli uçta, yaklaşık 8 güneş kütlesi ve üzerinde kara delikler üretilir.

Süpernova tipleri, ilk kütlenin bir fonksiyonu olarak ve Helyum’dan (metaliklik) daha ağır olan elementlerin başlangıç ​​içeriğinin bir fonksiyonu olarak bulunur. 
İlk yıldızların grafiğin alt sırasını kapladığını, metalsiz olduğunu ve siyah alanların doğrudan daraltma kara deliklerine karşılık geldiğini unutmayın. 
Modern yıldızlar için, nötron yıldızlarını yaratan süpernovaların temelde kara delikler yaratanlarla aynı veya farklı olup olmadığından ve bunlar arasında doğada var olan bir ‘kütle boşluğu’ olup olmadığından emin değiliz.
 FULVİO314 / WİKİMEDİA COMMONS

Nötron yıldızlarının kütlelerinin ve kara deliklerin çıkarılması için çeşitli yöntemlere sahip olsak da, en basit yol, tespit edilebilecek başka bir büyük nesne ile ikili bir yörüngede bulunan bu yıldız kalıntılarından birini bulmaktır. Örneğin, Nötron yıldızları nabzı atıyor ve darbeli bir nötron yıldızının başka bir nötron yıldızını yörüngeye çevirme davranışını gözlemlemek, ikisinin kütlesini belirlemenizi sağlıyor.

Diğer yıldızlara sahip sistemlerde döndükçe , patladığında veya yörüngede yanaşan nötron yıldızları benzer şekilde kütlelerinin çıkarımına neden olabilir. Kütle kütledir ve yerçekimi yerçekimidir ve kütleniz ne yapılırsa yapılsın bu kurallar değişmez. Öte yandan, kara delikler için, en küçüklerinin kütlelerini yalnızca X-ışını ikili sistemlerinin parçası olduklarında çıkarabildik . Neredeyse on yıl boyunca, bir bulmaca ortaya çıkmış, nötron yıldızları ve kara delikler arasında bir “toplu boşluk” fikrine yol açmıştır.

Kara delikler ve nötron yıldızları gibi ikili kaynaklara baktığımızda, iki nesne popülasyonu ortaya çıkarılmıştır: yaklaşık 2.5 güneş kütlesinin altındaki düşük kütleli olanlar ve 5 güneş kütlesi ve üzerindeki kütlenin yüksek kütlesi. 
LIGO ve Başak, bundan daha büyük kara delikler ve birleşme sonrası ürünü boşluk bölgesine giren bir nötron yıldızı birleşmesi örneği tespit etse de, bunun içinde neyin devam edeceğinden hala emin değiliz.
 FRANK ELAVSKY, KUZEYBATI ÜNİVERSİTESİ VE LIGO-VİRGO İŞBİRLİKLERİ

2010’dan başlayarak, nötron yıldızları veya kara delikler içeren bu ikili sistemleri inceleyen bilim insanları tuhaf bir şey fark ettiler: yaklaşık 7 veya 8 güneş kütlesi kadar düşük kara delikler gözlenirken, yaklaşık 2 güneş kütlesi kadar büyük nötron yıldızları görüldü, Arada keşfedilen hiçbir şey yoktu. Başka bir deyişle, düşük kütleli nötron yıldızları ve daha yüksek kütleli kara delikler arasında, muhtemelen kara deliklerin ve nötron yıldızlarının canlı görünmediği 2-2,5 ile 5-8 güneş kütleleri arasında bir kütle aralığı olduğu ortaya çıkmıştır.

Tabii, her zaman dahil olan fizik ve astrofizik hakkında yanlış bir varsayımda bulunma ihtimalimiz vardır, ancak bunu düşünen çalışmalar bile, yaklaşık 5 güneş kütlesinin altında görülen kaynak sayısında neden bu kadar dik bir düşüş olduğunu açıklayamaz.

İLGİNİZİ ÇEKEBİLİR  Deprem Nasıl Ölçülür?
Nötron yıldızları veya kara delikler gibi iki kompakt kütle birleşince, yerçekimi dalgaları oluşturur. 
Dalga sinyallerinin genliği, kara delik kütleleri ile orantılıdır. 
Bu yöntemle sadece yaklaşık 7 veya 8 güneş kütlesine varan kara delikler tespit ettik, ancak yaklaşık 3 güneş kütlesi kadar küçük kara delikler mevcut olabilir. 
LIGO henüz bu düşük kitlelere yeteri kadar hassas değil, ancak yolda.
 NASA / AMES ARAŞTIRMA MERKEZİ / C. 
HENZE

Bunun için iyi bir astrofiziksel sebep olabilir. Süpernovaya gidecek kadar büyük olan her yıldız, böyle yıldızları bekleyen başka muhtemel kaderler olduğu gibi, bunu yapmayacaktır. İçerikleri:

  • Yörünge arkadaşlarından gaz çıkaran dejenere bir çekirdek bırakarak,
  • İç enerjilerin, elektron-pozitron çiftlerinin kendiliğinden üretildiği ve tüm büyük yıldızın yok edilmesine neden olacak kadar yükseldiği, istikrarsızlık süpernovası çifti,
  • refakatçi ile birleşme, nispeten nadir görülen ara kütle nesneleri oluşturma veya
  • Yeterince masif yıldızlar, tüm yıldızın bir karadeliğe düştüğü bir felaket yaşayabilir; böyle bir fenomen ilk defa doğrudan birkaç yıl önce gözlendi.

Nötron yıldızları yaratan süpernova patlaması, kara delikler oluşturanlardan temelde farklı olabilir. Eğer öyleyse, sadece ortak nötron yıldızlarından daha büyük kütleli nesneler, ortak kara deliklerden daha düşük kütleli nesneler olabilir. Tamamen iki nötron yıldızının birleşmesinden ortaya çıkan tek “kütle boşluğu” nesnesi mümkün.

Hubble’dan görünen / IR’ye yakın fotoğraflar, Güneş’in kütlesinin yaklaşık 25 katı olan, süpernova veya başka bir açıklama olmadan, gözünü kırpmayan, büyük bir yıldız gösterir. 
Doğrudan çöküş, tek makul aday açıklamadır ve süpernova veya nötron yıldız birleşmelerine ek olarak, ilk defa kara delik oluşturmak için bilinen bir yoldur.
 NASA / ESA / C SAYILABİLİR. 
KOCHANEK (OSU)

Öyleyse, kütle açığı gerçek mi? Yoksa bu kitle aralığında bugün çok seyrek görünen bir sürü nötron yıldızı ve / veya kara delik var mı?

Cevabı açıklayabilecek bir olasılık, galaksideki serbest kayan kitlelerin varlığını kaynaklardan bağımsız bir şekilde incelemektir. Bu, yerçekimsel mikro-bürme bilimini uygulayarak başarılabilir : Bir kitlenin görüş hattımız ile uzak bir ışık kaynağı arasında geçtiği yerlerde, arka plan kaynağının sadece araya giren kütlenin kütlesine bağlı bir şekilde geçici olarak parlamasına ve karartılmasına neden olur.

En son kullanılan mikro sıkma çalışmaları, ESA’nın Gaia misyonundan elde edilen verilerden faydalanıyor ve söz konusu kitle açığı için hiçbir kanıt bulamıyor. Bunun yerine, tam olarak bu sözde boşluğu doldurmanız gereken kitlelerin bulunduğu bir dizi ilginç mikro-adayı ortaya çıkardılar .

Görüş alanımız ile uzak, aydınlık bir kaynağımız arasında büyük bir nesne geçtiğinde, sadece araya giren (mercekleme) nesnenin geometrisine ve kütlesine bağlı olarak ortaya çıkacak bir aydınlanma ve karartma olur. 
Bu mekanizma sayesinde, galaksimizdeki kitle popülasyonunu tahmin edebildik ve kitle boşluğu için hiçbir kanıt bulamadık, ancak bu kitle aralığında bir dizi ilginç aday gördük. 
Bu nesnelerin doğasını veya kökenini, sadece kütlelerini bilmiyoruz.
 NASA’NIN EXOPLANET BİLİM ENSTİTÜSÜ / JPL-CALTECH / IPAC

Ancak şu ana kadar bahsettiğimiz çalışmalar – bunun gibi dolaylı çalışmalar – neredeyse kesin değil. İstediğiniz şey, eşzamanlı olarak nötron yıldızları, kara delikler veya daha egzotik bir şey olup olmadıklarını belirleyebilmenin aynı zamanda, doğalarından bağımsız nesnelerin kütlelerini doğrudan ölçmenin / çıkarmanın bir yoludur. On yılın başında, bu sadece bir rüyaydı; Teknik yeteneklerimizin çok ötesinde bir amaç.

Ancak, son başarılar ve LIGO ve Başak gibi yerçekimi dalgası dedektörlerine yapılan yükseltmelerle, bugün inanılmaz bir konumdayız: birincisi, gelecek ayların ve yılların kütle boşluğunun devam edip etmediğini, sadece yerçekimsel dalgalar içindeki Evrene bakarsak ortaya çıkarması gereken bir yer. . Evrendeki yıldız kalıntı kütlelerinin yumuşak, kırılmamış bir dağılımı varsa, LIGO’nun duyarlılık aralığı sonunda bu düşük kütleli nesneleri dahil etmeye başladığından, kitle boşluğunu derhal dolduran bu nesneleri bulmaya başlayacağımızı tamamen bekleriz.

İLGİNİZİ ÇEKEBİLİR  Yeni araştırma, gezegenlerin süper kütleli kara delikler etrafında oluşabileceğini gösteriyor
2015’ten 2017’ye kadar uzanan ilk iki veri çalışması sırasında LIGO ve Virgo tarafından sağlam bir şekilde tespit edilen 11 olay. 2015 (2017’den 2017’ye kadar) sinyal genliğinin ne kadar büyük olduğuna (sinyallerin daha kısa kitlelere karşılık geldiğine) dikkat edin (LIGO’nun frekans duyarlılık aralığı nedeniyle). 
İkili nötron yıldız birleşmeleri için en uzun süreli sinyal aynı zamanda en düşük genlikli sinyaldir. 
LIGO hem menzilini hem de hassasiyetini arttırdığından (ve gürültü tabanını düşürdüğü), söz konusu kitle açığının hem üstten hem de alttan ‘sıkılmasını’ bekliyoruz.
 LIGO İŞBİRLİĞİ

Nötron yıldızları ve yerçekimi dalgaları ile kara delikler gibi büyük cisimleri tespit etmek anıtsal bir başarıdır, ancak dedektörünüzün hassasiyeti ile sınırlıdır. Bununla birlikte, ikili sistemlerde var olduklarında ve birbirlerine sarmal olduklarında, yerçekimsel radyasyon yayarlar: yeterince hassas bir dedektörün ortaya çıkardığı bir sinyal. LIGO gibi bir yerçekimi dalgası dedektörü için dikkate alınması gereken dört şey vardır:

  1. İlham verici iki kitlenizin kütlesi ne kadar büyükse, sinyalinizin genliği o kadar büyük olur.
  2. Uzayda iki kütle birbirine ne kadar yakınsa, gelen sinyalin genliği o kadar büyük olur.
  3. Uzayda birleşme kütleleri size ne kadar yakınsa, gelen sinyalin genliği o kadar büyük olur.
  4. Kütle kütlesi ne kadar düşükse, bu iki kütle de LIGO tarafından tespit edilebilen frekans aralığında harcadıkları zaman miktarı o kadar fazladır.

Başka bir deyişle, bir takas var: daha büyük nesneler daha uzak mesafelerde (daha büyük bir mekansal hacmin üzerinde) tespit edilebilir, ancak daha az büyük nesneler LIGO’nun duyarlı olduğu frekans aralığında daha fazla zaman harcar.

5 güneş kütlesinin üstündeki iki nesne birleştiğinde, kara delik olduklarından emin olabiliriz. 
Yaklaşık 2.2 güneş kütlesinin altında, gördüğümüz nesnelerin nötron yıldızı olduğunu biliyoruz. 
Ama ne arasında? 
LIGO, yakın gelecekte bu “kitlesel açığı” kapatmayı umuyor ve sonra bunun kara delikler, nötron yıldızları tarafından doldurulup dolmadığını veya sonuçta cisimlerden (ve gerçek bir boşluktan) oluşup oluşmadığından emin olacağız.
 CHRİSTOPHER BERRY 

14 Ağustos 2019’da LIGO, bu “yasaklanmış” kitle menzili içinde kareye düşmüş görünen bir aday olayı duyurdu . Takip analizi büyük olasılıkla bunun “kütle boşluğu” rejiminde yer alan bir nesne yerine kara delikle birleşen bir nötron yıldızı olduğunu gösterse de, uzun zamandır LIGO’nun şu anda doldurma kabiliyetine sahip olduğunu anlamak muazzam bir başarı.

Sonuç olarak, LIGO bu daha düşük kütleli nesneleri almaya geliyor: “kütle boşluğu” aralığında olanları. En büyük nötron yıldızının nerede olduğunu ve en az büyük karadeliğin nerede olduğunu bilmiyoruz. İkili nötron yıldızlarının birleştirilmesinin birleştiğinde her zaman kara delikler üretip üretmediğini bilmiyoruz (2017’de gözlenen bir kilonova için meydana geldiğini düşünüyoruz) ve böyle birleşmelerin Evrenin kitle boşluğu bölgesini doldurmasının tek yolu olup olmadığını bilmiyoruz. . Ancak mevcut LIGO ve Başak döneminden elde edilen verilerden – ve hassasiyetin daha da arttığı gelecekteki denemelerden – astrofizikçiler kitlesel boşluk kavramını tamamen doğrulayabilir veya yok edebilirler.

Yorum Yap