Demir Yıldızlar: Siyah Cüce Süpernovası Nedir?

Evrendeki son kara delik 10¹⁰⁰ yıl sonra buharlaşınca geriye sadece demir yıldızlar kalacak. Siyah cücelerin kalıntısı olan demir yıldızlar 10³²⁰⁰⁰ yıl gibi akıl almaz bir süre sonra süpernova olarak patlayacak. Bugün yayınlanan yeni Starbasekozan videosunda İkizlerevi’nin gelecekte Tip II süpernova olarak nasıl patlayacağını gördük. Bu yazıda ise siyah cüce süpernovalarını göreceğiz. Peki siyah cüceler nedir ve nasıl oluşur? Siyah cüce süpernovaları neden evrenin son gününde patlayacak?

Demir yıldızlar ve süpernovalar

Size iyi bir haberim var: Evren donarak değil patlayarak yok olacak. Evren Büyük Yırtılma senaryosunda olduğu gibi bir bütün halinde patlamayacak ama son kara delik 10¹⁰⁰ yıl içinde buharlaştıktan sonra geriye kalan siyah cüceler süpernova halinde patlayarak evreni son kez aydınlatacak. Demir yıldızlar siyah cücelerden türüyor. Peki siyah cüceler nasıl oluşuyor? Size bir de ipucu vereyim: Siyah cüceler henüz oluşmadı ama onlara dönüşecek olan yıldız kalıntıları çoktan oluştu ve kararmayı bekliyor. 😮

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Evren nasıl yok olacak?

Klasik senaryoya göre evren sonsuza kadar genişleyecek. Tüm yıldızlar söndükten sonra nötron yıldızları rastgele kuantum salınımlarıyla kara deliklere dönüşecek ve evrendeki tüm kara delikler 10¹⁰⁰ yıl sonra Hawking radyasyonuyla buharlaşarak yok olacak. Kara delik kaynaklı gama ışınları evrendeki son ışık olacak. O saatten sonra evren aşırı seyrek gaz ve toz bulutları, tek tük atomlar ve foton parçacıkları içeren çok soğuk, karanlık bir yer olacak. Buna ısıl ölüm diyoruz.

Yeni kıyamet senaryosunda ise durum farklı: 10³²⁰⁰⁰ yıl sonra son demir yıldızların patlamasına ramak kalacak. Hiper yoğun kuantum kristallerinden oluşan demir yıldızlar o ana dek demir atomlarını saran elektronların birbirini itmesi sayesinde daha fazla çökerek kara deliğe dönüşmekten kurtulmuştu; çünkü elektromanyetik kuvvette eş yükler birbirini iter. Elektronlar da negatif yüklüdür ve birbirini iter.

Oysa demir yıldızların elektronları 10³²⁰⁰⁰ yıldır azalıyor ve artık sona yaklaşıyoruz. Elektronların yok olmasıyla birlikte atom çekirdeklerini daha fazla sıkışmaktan alıkoyan etki ortadan kalkıyor. Demir yıldızlar süpernova halinde patlıyor ve uzaya demir atomlarıyla patlama sırasında oluşan ağır metalleri saçıyor. Geriye kalan demir çekirdek ise çökerek nötron yıldızı ya da kara deliğe dönüşüyor.

Demir yıldızlar ve kara delikler

Kısacası günümüzden 10³²⁰⁰⁰ yıl sonra bazı demir yıldızlar nötron yıldızı veya kara delik olacak. Bunlar da 10⁶⁰ yılda buharlaşarak yok olacak ama süper kütleli kara deliğe dönüşerek ömrünü maksimum 10¹⁰⁰ yıla uzatamayacak; çünkü uzay o sırada kara deliklerin birleşemeyeceği kadar genişlemiş olacak. Ayrıca evrendeki ilk kara deliklerin (ve bugünkü kara deliklerin) 10³¹⁹⁰⁰ yıl önce yok olmuş olacağını da unutmayalım fakat asıl sürpriz şu: Güneş de bir gün demir yıldız olacak! Nasıl mı?

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Güneş ve demir yıldızlar

Güneşimiz yüzde 75 hidrojen, yüzde 20 helyum ve 7000 Dünya kütlesi kadar metal içeriyor ki Güneş kütlesine göre bu eser miktarda metal içerdiği anlamına geliyor. Öyleyse Güneş nasıl demir yıldıza, dev bir demir topuna dönüşebilir? Güneş elementleri altına dönüştüren efsanevi felsefe taşı değildir ama nükleer fizik bunu sağlayabilir.

Güneş 5 milyar yıl sonra nükleer yakıtını tüketerek sönmeye başlayacak ve kırmızı dev halinde büzülürken bu kez helyum yakmaya başlayacak (Güneş şu anda hidrojeni nükleer füzyon yoluyla kaynaştırarak helyuma dönüştürüyor). Helyum füzyonu ise karbon ve oksijen sentezleyecek. Kırmızı dev haline gelen Güneş 75 bin yıl içinde bir-iki kez büzülüp genişledikten sonra dış gaz katmanlarını uzaya üfleyerek sönecek.

Geriye artık büyük ölçüde karbon ve oksijen içeren sönmüş çekirdeği kalacak. Güneş kütlesinin yüzde 80’ini Dünya büyüklüğünde bir küreye sıkıştıran bu süper yoğun beyaz cüce yaklaşık 8 milyar yıl boyunca sönmüş kömürden geriye kalan kızgın korlar gibi ama beyaz ışıkta parlayacak. Öte yandan 10 milyar yaşına gelen beyaz cüceler soğuduğu için koyu kırmızı-siyah cücelere dönüşecek. İşte demir yıldızlar bunların soyundan geliyor ve bunun için beyaz cüceleri oluşturan süreci görmemiz gerekiyor:

1930’da fizikçi Subrahmanyan Chandrasekhar, SS Pilsna adlı yolcu gemisiyle İngiltere’ye gidiyordu. Cambridge Üniversitesi’ne doktora yapacak olan Chandrasekhar’ın yolda canı sıkılıyordu dersek yanılmış olmayız; çünkü seyahati sırasında nötron yıldızlarını keşfetmiştir. Sonuçta Cambridge’te tez danışmanı olacak Ralph Fowler, Güneş’in ömrünün sonunda beyaz cüceye dönüşeceğini göstermişti. Chandrasekhar da bazı beyaz cücelerin nötron yıldızına dönüşeceğini gösterecekti. Peki beyaz cüceler neden hemen çökerek kara delik olmaz?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

Demir yıldızlar ve beyaz cüce

Demir yıldızların 10³²⁰⁰⁰ yıl boyunca kara delik olmaya direnmesiyle aynı sebeple! Beyaz cücenin merkezindeki karbon ve oksijen atomlarını saran elektronlar birbirini iterek maddenin daha fazla küçülüp sıkışmasına engel olur. Bu da beyaz cücenin yerçekiminin artarak onu kara deliğe dönüştürmesini önler. Buna dejenere basınç ve beyaz cüce çekirdeğindeki maddeye de dejenere madde denir. Çekirdekteki atomlar elektronları birbirine değecek kadar yakın dizilmiştir.

Oysa Fowler’ın yaptığı bir hata vardı: Güneş’ten en az 8 kat kütleli yıldızlar beyaz cüceye değil süpernova patlamasıyla nötron yıldızına dönüşecekti. Evet, beyaz cücenin içindeki dejenere plazma sıkışmaya direnir ama beyaz cüce çekirdeğinde yerçekimi o kadar yüksektir ki Einstein’ın özel görelilik teorisi devreye gider. Bu aşırı şartlarda elektronların kütlesi artar ki bu da 1,44 Güneş kütlesinden daha kütleli çekirdeklerin çökerek nötron yıldızına dönüşmesine izin verir.

Dünya boyunda olup kütlesi 1,44 Güneş kütlesinden büyük olan beyaz cüceler küçülerek nötron yıldızına dönüşecektir. Bu sırada merkezdeki elektronlar sıkışarak ezilir ve atom çekirdeklerindeki protonlarla çarpışarak onları nötrona dönüştürür. Nötronlar yan yana gelene dek sıkışır ve beyaz cücenin 20 km çapındaki bir nötron yıldızına dönüşmesini sağlar. Nitekim 10 km çapındaki bir nötron yıldızına 2,5 Güneş kütlesi sıkışmış olabilir! Çekirdek daha ağırsa iyice sıkışarak kara deliğe dönüşecektir. Nötron yıldızının kara delik olması için gereken çapa Chandrasekhar limiti deriz.

Peki ya demir yıldızlar?

Beyaz cüce plazması 10 milyar yılda soğuyup katılaşarak tıpkı Dünya’nın aşırı basınç altındaki demir-nikel iç çekirdeği gibi kristalize olur. Çekirdek artık yan yana dizilmiş neredeyse kıpırtısız atomlar ve aralarında serbestçe yüzen elektronlardan oluşacaktır. Beyaz cüceler -270 derecelik uzay sıcaklığına erişene dek soğuyacak ama 10¹¹⁰⁰ yıl sonra uzay daha soğuk, neredeyse mutlak sıfır kadar soğuk olacaktır. Ardından belirsizlik ilkesinden kaynaklanan kuantum salınımları devreye girer. Aşırı sıkışık ve yakın olan oksijen ile karbon çekirdekleri rastgele yan yana ışınlanıp birleşerek daha ağır atomlar oluşturur. Buna piknonükleer füzyon denir ve bu yolla beyaz cücedeki bütün atomlar demire dönüşür:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Demir yıldızların doğumu ve ölümü

Bir beyaz cücenin ne sürede demir yıldıza dönüşeceği kütlesi ve kimyasal bileşimine bağlıdır ama Güneş’in dönüşeceği beyaz cücenin 10¹⁵⁰⁰ yılda demir yıldıza dönüşeceğini söyleyebiliriz. Oysa 10¹⁰⁰ yıl sonra tüm nötron yıldızları kara deliğe dönüşmüş ve tüm kara delikler buharlaşmış olacaktır. Dahası Dünya, diğer gezegenler, uydular, asteroit, cüce gezegen ve kuyrukluyıldızlar dağılıp toz olacaktır.

Kısacası soğuyan beyaz cücelerden türeyen siyah cücelerin demire dönüşmesiyle oluşan demir yıldızlar uzak gelecekte ısıl ölümü çoktan gerçekleşmiş olan evrende her şeye rağmen oluşan son gökcisimleri olacaktır. Peki demir yıldızların kaderi nedir? 10³²⁰⁰⁰ yıl sonra onlara ne olacak? İşte bunun cevabı fizikteki varsayımlarınıza bağlıdır:

Bugün düşünüldüğünün aksine protonlar bozunuyorsa siyah cüceler 10³² yıl sonra, yani demir yıldıza dönüşmeden çok önce atomaltı buhar halinde buharlaşarak yok olacaktır. Protonlar bozunmuyorsa durum farklıdır. Klasik ısıl ölüm senaryosuna göre bu kez siyah cüceler atom çekirdeklerindeki protonların rastgele kuantum tünelleme yoluyla yan yana gelmesiyle aşırı sıkışacak, yoğunluğu artan siyah cüceler çökerek kara delik olacaktır.

10^{10^75} yıl sonra bütün siyah cüceler kara deliğe dönüşecek, yıldız kütleli ikinci kuşak kara delikler de 10⁶⁰ yılda buharlaşarak yok olacaktır. İşte yeni evren yokoluş senaryosu burada devreye giriyor: Buna göre siyah cüceler demir yıldızlara dönüşecek ama bazı demir yıldızlar kara delik olmadan çok önce, kütlesine bağlı olarak 10¹⁰⁰⁰ ila 10³²⁰⁰⁰ yıl içinde süpernova halinde patlayarak yok olacaktır. Nasıl olacağını görelim:

İlgili yazı: Dünyada 12 Metrelik Eksen Kayması Oluştu

 

Zamanın sonundaki yıldızlar

Bildiğiniz gibi Chandrasekhar limiti bir siyah cücenin en çok 1,44 Güneş kütlesinde olacağını söyler ve evrendeki maddenin aşırı seyreleceği uzak gelecekte siyah cücelerin üstüne gaz çekerek veya yıldızlarla çarpışarak kütlesini artırması imkansızdır. Öte yandan siyah cüceler kuantum salınımları nedeniyle daha fazla çökmelerini engelleyen elektronlarını zamanla kaybedebilir.

Bunun için siyah cücelerin rastgele kuantum tünelleme ile demir yıldızlara nasıl dönüştüğünü görelim. Piknonükleer füzyon yoluyla iki silisyum çekirdeği birleşerek nikel oluşturur. Nikel çekirdeğindeki protonlardan biri pozitron yayarak nötrona dönüşür. Böylece nikel evrendeki en kararlı element olan demir 56’ya dönüşür. Öyle ki uzak gelecekte bütün atomlar demire dönüşecek.

Oysa pozitron antielektron, yani antimaddedir ve demir atomlarının elektronlarıyla çarpışarak yok olur. Böylece elektronlar zamanla tükenir. Bu atom çekirdeklerinin arada elektron plazması olmadığı için daha fazla sıkışmasına izin verecektir. Böylece demir yıldızın Chandrasekhar limiti 1,44 Güneş kütlesinden 1,2 Güneş kütlesine inecektir. Zaten sınırda olan (aslında 1,16 Güneş kütlesinden daha kütleli olan) demir yıldızlar da 10¹¹⁰⁰ ila 10³²⁰⁰⁰ yıl içinde siyah cüce süpernovası halinde patlayacaktır.

Bunlardan geriye kara delik veya nötron yıldızları kalacaktır. Nötron yıldızları da zamanla kara deliğe dönüşecek ve ikinci kuşak kara delikler 10⁶⁰ yılda buharlaşacaktır.

Evrenin akıbeti

Siyah cüce süpernovasıyla patlamayan demir yıldızlar ise rastgele kuantum tünelleme yoluyla 10^{10^75} yıl içinde kara deliğe dönüşecektir. Kara delikler gökcismi olmaktan ziyade aşırı bükülmüş kapalı uzay-zaman parçaları olduğu için demir yıldızlara evrende oluşacak son gökcisimleri diyebiliriz. Peki yıldızlar 1 trilyon yıl sonra sönmeye başladığında nasıl yaşayacağız? Onu da şimdi okuyabilir ve son yıldız söndükten sonra kara deliklerden nasıl enerji çekeceğimizi görüp başka evrenlere nasıl göç edebileceğimize bakabilirsiniz. Dinamik ve enerjik günler dilerim. 🙂

Siyah cüceler

¹Black Dwarf Supernova in the Far Future
²On the Spectral Evolution of Hot White Dwarf Stars