Nötron Yıldızının Merkezine Yolculuk
Nötron yıldızları evrendeki en ilginç cisimlerden biri olarak 2,5 Güneş kütlesini sadece 10 km çapındaki bir topa sığdırır. Nötron yıldızları Güneş’ten çok daha büyük ve kütleli dev yıldızların kendi ağırlığıyla içe çöken demir çekirdeklerinin aşırı ölçüde sıkışmasıyla oluşur. Öyle ki bir çay kaşığı nötron yıldızı maddesi 1 milyar ton ağırlığındadır! 😮
Peki demirden oluşuyorsa neden bunlara nötron yıldızı diyoruz? Bunun nedeni nötron yıldızı çekirdeğindeki muazzam basınçta sıkışan atomların ezilmesidir. Atom yörüngesindeki elektronlar atom çekirdeklerindeki protonların üzerine itilir ve bunlarla birleşerek nötronlara dönüşür. Peki nötron yıldızlarının içinde ne var? Sadece nötronlar mı? Yoksa kuark-gluon plazması mı? Nükleer fiziğin sınırlarını nötron yıldızının kalbine seyahat ederek görelim.
Nötron yıldızının oluşumu
Nötron yıldızları 8 ila 20 Güneş kütlesindeki yıldızların ömrünün sonunda süpernova halinde patlamasıyla oluşuyor. Nükleer yakıtını tüketen yıldızın çekirdeği nükleer füzyonla enerji üretmeyen, bunun yerine ortamdan ısı çeken demire dönüşüyor. Yıldızın sönmesiyle birlikte çekirdek çökme süpernovası tetikleniyor. Yıldız içerdiği gazları patlayarak uzaya savururken demir çekirdek kendi ağırlığıyla ezilip içe çöküyor.
Atomlar ezilip parçalanırken aslında ölü yıldız kalıntısı olan nötron yıldızının içinde büyük miktarda nötron oluşuyor. Oysa bu daha başlangıç: Nötron yıldızlarının süper ince atmosferi ve müthiş yerçekimi yıldız yüzeyini neredeyse kusursuz bir küreye çevirdiği için milimetre yüksekliğinde dağları var. Oysa yıldızın derinliklerine indikçe kuantum fiziğinin etkisiyle garip şeyler oluyor. Atmosferin altı ve yıldız kabuğunun üstünde sıvı plazma okyanusları bulunuyor. Fizikçiler yıldız çekirdeğinde ise nötron süper sıvısı olduğunu tahmin ediyor.
Nötron yıldızı çekirdeğinin çapı kütlesine göre değişir. Çapı ne kadar küçükse kütlesi o kadar büyük demektir. Bu bağlamda nötron yıldızları 10 km çapa 2,5-2,6 Güneş kütlesi sıkıştırabilir. Bundan daha ağır olanlar ise daha kendisini doğuran yıldız patlarken hızla çöküp kara deliğe dönüşecektir. Bizi ilgilendiren kısmı ise nötron yıldızının yoğunluğudur:
Çok büyük kütleyi çok küçük hacme sıkıştıran nötron yıldızlarının yoğunluğu metreküpte 100 trilyon tonla çok yüksektir. Bu nedenle bir çay kaşığı nötron yıldızı maddesi 1 milyar ton çeker. 1) Nötron yıldızından kaçış hızı ışık hızının yüzde 50’si olduğu ve 2) aşırı yoğun yıldız çelikten 10 milyar kat sert olduğu için bu maddeyi kesip çıkaramazsanız ama başarsanız bile elinizde patlardı. Sonuçta basınç kalkınca kaşıktaki madde anında plazmaya dönüşerek termonükleer bomba halinde patlardı.
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Nötron yıldızının nükleer maddesi
Bazen nötron yıldızının çekirdeğindeki maddeye nötronyum denir ama yeni araştırmalar bu yıldızların katı bir çekirdeği olamayacağını gösteriyor. Çekirdek basıncı o kadar yüksek ve ortam o kadar sıcak ki maddenin katı halde kalması imkansız. Daha yüksek basınç yıldızın patlayarak bu kez kara delik halinde çökmesine yol açardı. Dahası çekirdekteki teorik nötronyuma gelene kadar üst katmanları görmemiz gerekiyor. O yüzden nötron yıldızı maddesine nükleer madde demek yerinde olur.
Karşılaştıracak olursak nötron yıldızı yoğunluğu metreküpte 100 trilyon ton iken Dünya’nın katı iç çekirdeğinin yoğunluğu metreküpte yalnızca 5 tondur! Hatta Güneş’in ömrünün sonunda dönüşeceği beyaz cüce yıldız kalıntılarının yoğunluğu bile nötron yıldızından milyon kat azdır. Dolayısıyla nötron yıldızındaki maddeye çok garip şeyler olur. Mesela Nötron yıldızı yüzeyinde sıvı plazmadan oluşan bir okyanus vardır:
Madde ışık hızının en az yüzde 20’si ile nötron yıldızına çarpıyor, atomlar ve çekirdekleri parçalanıyor. Yıldızın yüzeyine muazzam yerçekiminde hemen ezilen bir elektron, proton, nötron yağmuru yağıyor. Normalde plazma elektrik yükü olan sıcak iyonize gazdır ama nötron yıldızında sıvıya dönüşüyor; çünkü gaz olmak için atomların arasında mesafe olması gerekir. Oysa nötron yıldızı yüzeyi 1 milyon derece sıcaklıkta olmasına karşın yerçekimi çok güçlüdür. Bu da süper sıcak plazmanın 1 milyon dereceye rağmen sıvılaşmasını sağlar.
Nötron yıldızının egzotik gariplikleri
Dahası nötron yıldızı yüzeyinde durmak terimini kullanmanız bile zordur. Düşünün ki nötron yıldızından kaçış hızı ışık hızının yarısıdır, yani yerçekimi Dünya’dan 100 milyar kat güçlüdür. Kısacası karşıdan bakarsanız nötron yıldızının arka yüzünün yarısını da görürsünüz; çünkü nötron yıldızı arkadaki ışığı büküp kısmen öne getirecektir. Tabii yıldızın yerçekimi çapı küçüldükçe artar. Öyle ki çapı 3GM/c2’den küçükse bu kez protonların tamamı nötron yıldızı yüzeyinin hemen üstünde yörüngeye girer. Böylece karşıdan bakınca yıldızın tamamını görürsünüz. Hatta yarı çapı mesafede bükülen ışığı da görürsünüz!
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Pekala, nükleer maddeye gelelim
Plazma okyanusunun hemen altında asıl nükleer madde başlar. Yıldızın güçlü yerçekimi nedeniyle uzaydan gelip yıldıza düşen atomlar tek atom çekirdeği kalınlığında süper sert ve kristalize bir katman oluşturur. Aslında atomlar yok olur; çünkü elektronlar atomlardan kopar ve kristalize atom çekirdeği kafesinin arasında gidip gelirler (yıldız kabuğunun hemen üzerinde yörüngeyi girerler). Yıldız kabuğu elementlerin kendini koruyabildiği son derinliktir. Derine indikçe madde dejenere olmaya başlar.
Yıldız kabuğunda atom çekirdekleri doğal küresel şeklini korurken (bunlar proton ve nötron toplarıdır, serbest protonlar ise hidrojen çekirdekleridir) kabuğun altında gittikçe daha çok ezilir. Bir yandan nükleer madde kristalize yapısını korurken öte yandan atom çekirdekleri birbirine değecek kadar yaklaşır. Bunu yapmanın normalde ne kadar zor olduğunu düşünün! Atom çekirdeklerindeki eş yüklü pozitif protonlar birbirini itecektir. Oysa aşırı basınç altında çekirdekler birbirine o kadar yaklaşır ki çekirdeklerdeki protonlarla nötronları yapıştıran güçlü nükleer kuvvetin çekimi devreye girer.
Günlük hayatta nükleer kuvvet bizi pek ilgilendirmez. Ne de olsa menzili atom çekirdeklerinin çapıyla sınırlıdır. Oysa nötron yıldızında hızla baskın kuvvet olur. Biz de atomların elektromanyetik kuvvet ve yerçekimi yerine güçlü nükleer kuvvetle birbiriyle etkileşime girmesine nükleer madde oluşumu deriz. Özetle nükleer maddedeki atom çekirdekleri ezilerek yumurta şeklini alır. İşte bütün bunlar nötron yıldızının iç kabuğunda gerçekleşir ama biz derinlere inmeye devam edeceğiz.
İlgili yazı: Neden Yeryüzünde Adalar ve Anakaralar Var?
Güçlü nükleer kuvvet simetrik değildir
Hiçbir fizik kuvveti simetrik değildir. Örneğin yerçekimi yıldızlar ve gezegenleri birbirine bağlar. Peki gezegenler neden Güneş’in çevresinde döner? Aslında Güneş’in kütlesi gezegenin kendine bakan yüzünü daha kuvvetli çeker. Bu da cisimlerin birbiri çevresinde dönmesine neden olur. Fizik kuvvetleri ancak birbirinden yeterince uzaksa ve çevrede yeterince çok cisim varsa 360 derece (simetrik) etki eder. Aynı şey atom çekirdekleri için geçerlidir. Tamam, atomlar nötron yıldızının iç kabuğunda yan yana durur ama bunlar aynı zamanda çok küçüktür.
Dolayısıyla güçlü nükleer kuvvet atomları belirli bir yönde daha güçlü birbirine çeker. Böylece nükleer madde nükleer makarna dediğimiz spagetti şeklinde yapılar oluşturur. Bunun tek nedeni güçlü nükleer kuvvet değildir. Atom çekirdeklerinin ezilerek yumurta şeklini alması da spagetti dönüşümünü kolaylaştırır. İç kabuğun hemen altındaysa iç içe geçmiş çubuklardan oluşan ızgara şekilli ve kristalize nükleer spagetti ezilerek lazanyaya dönüşür. Yoğunluk artarken lazanya yufkaları da üst üste binerek içinde spagetti şekilli tüpler olan bir kütleye dönüşür. Anti spagettti… 😉
Madem makarna benzetmeleriyle başladık öyle devam edelim. İtalyan Lisesi mezunu olarak en sevdiğim şeylerden biri kilo kontrolü yüzünden pek yiyemesem de makarna zaten… Artık nötron yıldızının ince kabuğundan çıktık ve dış çekirdeğe dalıyoruz. Nötron yıldızının Dünya’daki gibi bir manto tabakasına sahip olduğundan söz edemeyiz. Katmanlaşamayacak kadar sıcak ve enerjik bir cisim bu. Bunun yerine dışı içinden çok farklı olan ama farkın azar azar belirginleştiği dev bir çekirdeği var.
Bu çekirdek neye benziyor?
Nükleer madde artık iyice sıkışıyor. Lazanyadan türeme anti spagettinin içindeki tüpler de parça parça eziliyor ve daha yoğun madde içinde nispeten hafif kabarcıklar oluşturuyor. Kısacası delikli İsviçre peynirine benzeyen bir yapı ortaya çıkıyor. Yine de nötron yıldızının yalnızca yüzde 1’i nükleer makarna dediğimiz nükleer maddeden oluşur. Oysa yıldızın yüzde 89’u dediğim gibi dev çekirdeğidir. Çekirdeğin üst katmanlarında proton ve nötronlardan oluşan süper sıvı vardır. Bütün elektronlar protonlarla birleşip nötron olmuş ve bundan artan protonlarla birlikte yüzmektedir. Peki süper sıvı nedir?
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Nötron yıldızının süper sıvısı
Madde yüksek basınç ve mutlak sıfıra yakın soğuklarda süper sıvı halini alır. Bu durumda atomlar dolanıklığa girer ve kuantum fiziği etkili olur. Nötron yıldızı çekirdeğindeki proton ve nötronlar için de benzer bir süreç işler. Onlar da süper sıvıya dönüşür. Süper sıvılar sürtünme olmadan akar ve Dünya’da değil ama nötron yıldızı gibi aşırı ortamlarda hem sürtünmesiz hem de süperiletken olabilir. Bu alan fizikte iyi bilmediğimiz bir konu ama çekirdekte nötronlarla protonların birlikte yüzdüğünü unutmayın. Bu durumda hem süper sıvı hem de süperiletken bir madde ortaya çıkıyor.
Protonlar süperiletken olurken nötronlar (nötr olduklarından) sürtünmesiz süper sıvı olarak akıyor. Doğrusu bunun manyetarlar gibi aşırı manyetik nötron yıldızlarında dinamo etkisini nasıl pekiştirdiğini çok merak ediyoruz. Peki ya nötron yıldızının tam merkezinde ne var? Bunu bilmiyoruz; çünkü bize kuantum kütleçekim kuramı gerekiyor ama bir yanlış anlamayı giderelim. Nötron yıldızları tümüyle nötronlardan oluşmaz. Zaten düşünün: Bunun için bütün protonların elektronlarla birleşip nötrona dönüşmesi gerekir. İyi de nötron yıldızının içinde bunlar neden eşit sayıda olsun?
Yalnız nötronlar protonlardan az ağırdır. Bu yüzden çekirdeğe indikçe nötron sayısının biraz artmasını bekleriz. Tabii bir de kuark-gluon plazması var. Çekirdekteki muazzam basınç ve sıcaklıkta protonlarla nötronlar parçalanıp bileşenleri olan kuarklarla gluonlara ayrılabilir. Kuarklar neredeyse ışık hızında ve gluonlar ışık hızında gider. Bu nedenle nötron yıldızı çekirdeğinin katı olduğunu sanmıyoruz. Nötron ve protonları parçalayacak kadar yüksek basınç asla katılaşmayacak kuark-gluon plazması oluşturacaktır.
Nötron yıldızının kara deliğe dönüşmesi
Çarpışan nötron yıldızları kütlesinin üçte birini patlayarak kaybeder ama geriye kalan birleşik kütle 2,5 Güneş kütlesini aşıyorsa bunlar kara deliğe dönüşecektir. Keza komşu yıldızlardan gaz çeken nötron yıldızları da kara deliğe dönüşebilir. Siz de kara deliklerin nasıl oluştuğunu Penrose Tekillikleri’nde okuyabilir, yoksa nötron yıldızı yerine bozon yıldızları ve kara delikler yerine yerçekimi vakum yıldızları mı var diye sorabilirsiniz. Evrenin en büyük yıldızı UY Scuti mi diye merak ederek Kırmızı Dev Betelgeuse’nin nasıl patlayacağını aşağıdaki Starbekozan videosunda görebilirsiniz. Hızınızı alamayarak evrendeki en tekinsiz cisim olan garip yıldızlara da bakabilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın. 😊
İkizlerevi patlayacak mı?
1On the initial progenitor masses of stellar mass black holes and neutron stars
2Structure of Matter below Nuclear Saturation Density
3A highly resistive layer within the crust of X-ray pulsars limits their spin periods
4Nuclear “pasta” formation
