Soğuk Bozon Yıldızları Nerede Gizleniyor?

Yıldız dediğin sıcak olur. Ancak, Amerikalı fizikçiler aksiyon denilen karanlık madde parçacıklarından oluşan egzotik bozon yıldızlarını arıyor. Üstelik bu yıldızlar kuantum dolanıklık yüzünden dev bir atom gibi davranıyor. Peki görünmez karanlık madde nedir ve neredeyse mutlak sıfıra yaklaşan en soğuk karanlık madde yıldızları nerede gizleniyor?

Bozon yıldızları

Astrofizikçiler çekirdeğinde nükleer füzyon reaksiyonları meydana gelen ve bu sayede ısı ile ışık üreten cisimleri yıldız olarak adlandırıyor. Kısacası bir cismin sıcak olması yıldız olması için yeterli değil.

Örneğin, protoyıldızlar (bir yıldızın doğmadan önceki süper sıcak kahverengi cüce hali), gaz devlerinin çekirdeklerinden daha sıcak olmakla birlikte yıldız olmayı bir türlü başaramayan kahverengi cüceler, ölü yıldız artıkları olan nötron yıldızları ile beyaz cüceler teknik olarak yıldız sınıfına girmiyor.

Teorik astrofizikte geçen bozon yıldızları ise neredeyse mutlak sıfır kadar soğuk olan görünmez karanlık madde yıldızları olarak evrendeki en garip gökcisimleri arasında yer alıyor.

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

 

Peki karanlık madde nedir?

Karanlık maddenin ne olduğunu ve steril nötrino ile karanlık foton gibi farklı karanlık madde adaylarını önceki yazılarda anlattım.

Ancak, özetle galaksilerin yerçekimi alanının içindeki yıldızları bir arada tutacak kadar güçlü olmadığını, Samanyolu merkezinde bulunan Sagittarius A* adlı süper kütleli kara deliğin bile yeterince yerçekimi sağlamadığını belirtmeliyim.

İşte evrende normal maddeden yaklaşık 5 kat fazla olan görünmez karanlık madde de galaksileri bir arada tutan ek yerçekimini sağlıyor. Görünmez (karanlık) olmasının sebebi ise standart teoride karanlık madde parçacıklarının ışıkla (elektromanyetik kuvvetle) etkileşime girmemesi.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Öyleyse karanlık yıldız olur mu?

Karanlık madde şimdiden gördüğünüz gibi kendi başına acayip bir madde türü. Ancak, bugüne dek karanlık maddenin ne olduğu ve hangi parçacıklardan oluştuğunu bulamadık. Dünyada karanlık madde bulmak için kurduğumuz detektörler bir şey saptayamadı.

Bunu açıklamak için de birçok farklı karanlık madde teorisi ortaya atıldı ve her biri için farklı karanlık madde parçacıkları tasarlandı. Dolayısıyla zaten acayip olan karanlık madde tasarımları içinde daha da egzotik olan karanlık madde türleri var:

Aksiyonlar

Bunlardan biri de aksiyon parçacıkları. Aksiyonlar süper hafif teorik parçacıklar. Öyle ki bazı türleri protondan 10³¹ kat, yani 10 milyon trilyon trilyon kez daha hafif. Aksiyonlardan oluşan yıldız benzeri gökcisimlerine ise bozon yıldızı diyoruz ve bunlar -270 dereceden daha soğuk oluyor.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Biraz teorik fizik görelim

Evrendeki parçacıklar iki temel gruba ayrılıyor. Bozonlar (örneğin ışığı oluşturan fotonlar) ve fermiyonlar (proton ve elektronlar).

Şimdi kuantum fiziğinde her parçacığın belirli bir enerjisi bulunuyor. Parçacıkların sahip olabileceği minimum enerji aslında o parçacığı tanımlıyor: proton ve elektronun kütlesinin (enerjisinin) farklı olması gibi.

Öte yandan, bozonlarda birden fazla parçacık aynı anda aynı enerji düzeyinde olabiliyor. Fermiyonlarda böyle bir şey yok: Örneğin, yarım spinli elektronlar (spin elektronun kendi çevresinde dönüş yönüne karşılık gelen bir kuantum durumudur) atomun çevresinde farklı enerjilere karşılık gelen farklı yörüngelerde dönerler.

Nitekim Pauli dışarlama ilkesinin de gösterdiği gibi, aynı yörüngede dönen iki elektron aynı kuantum durumunda olamaz. Biri sağa dönerken diğeri sola dönmek zorundadır (spin yukarı ve aşağı durumları ki yarım spin derken bunu kast ediyoruz; çünkü ikisinin toplamı bir tam spin –tur– ediyor).

İlgili yazı: Herkes Nerede? Uzaylılar ve Fermi Paradoksu

 

Nötron yıldızları

Fermiyonların aynı anda aynı kuantum durumu ve enerji düzeyine sahip olamaması ilginç bir özellik; çünkü maddenin özelliklerini kaybetmeden aşırı derecede sıkışmasını önlüyor. Örneğin, bu sayede koltuğa oturunca buhara oturmuş gibi koltuğun içine göçmüyorsunuz:

Elektromanyetik kuvvette eş yükler birbirini ittiği için vücudunuzu oluşturan atomların elektronları ile koltuğun yüzeyini oluşturan atomların elektronları birbirini itiyor ve siz de rahatça oturabiliyorsunuz.

Oysa nötron yıldızlarının yerçekimi o kadar güçlü ki demir atomlarını saran elektronları yüksek basınçla ezip çekirdekteki atomlarla yapışmaya zorluyorlar. Pozitif proton ve negatif elektronlar da birleşerek nötronları oluşturuyor. Maddeyi inanılmaz ölçüde sıkıştıran nötron yıldızları adını ürettikleri nötronlardan alıyor.

Ancak bozon yıldızları farklı

Bir kere bozon parçacıkları aynı zamanda fizik kuvvetlerinin enerjisini taşıyan parçacıklardır. Örneğin, elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı fotonlar, atom çekirdeklerini oluşturan proton ve nötronları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvetin taşıyıcısı da gluonlardır. Özetle bozonlar aynı anda aynı enerji düzeyinde olabildikleri için fizik kuvvetlerini (fiziksel etkileşimleri) iletirler.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Aksiyonlar da bozon

Süper hafif ve soğuk karanlık madde sınıfına giren teorik aksiyon parçacıkları da birer bozon. Bu yüzden bunları da nötron yıldızı çekirdeği gibi aşırı sıkıştırabiliyorsunuz. Ancak bir farkla: Nötronlar da protonlar da kuarklardan oluşuyor ve kendilerini oluşturan kuarklar gibi fermiyon grubuna giriyor.

Kısacası nötron yıldızı çekirdeğindeki basınç o kadar yüksek ki nötronları bile ezip parçalayarak kuarklara ayırıyor. Oysa aksiyonlar hem bozon grubuna giriyor (yani nötronlardan daha fazla sıkışabiliyor) hem de çok hafifler (nötronlardan çok daha küçük oldukları için milyonlarca kat fazla sıkışabiliyorlar).

Atomun boşluğunu almak

Bazen vidayı sıkıştırmaya boşluğunu almak deriz ya, buraya kadar anlattıklarım da aynı mantık: Bozon yıldızları nötron yıldızından bile daha yoğun ve çok daha yüksek oranda sıkışmış olan aksiyon parçacıklarından meydana geliyor.

İlgili yazı: Renk Körlüğünü Düzelten Gözlük EnChroma

 

Bu yüzden daha soğuklar

Daha doğrusu -270 dereceden soğuk olmadıkları takdirde, aksiyon parçacıkları bir araya gelerek bozon yıldızı oluşturamıyorlar. Sonuçta bunlar protonlardan çok daha hafif ve bir o kadar hızlı parçacıklar. Ancak çok soğuyarak enerji kaybederse yoğuşabilirler. Buna benzer bir süreç atmosferde var: Bulutlardaki su buharı da soğuyup yoğuşunca damlalara dönüşüp yağmur halinde yağıyor.

Bose-Einstein yoğuşması

Bozon parçacıkları adını fizikçi Bose ve Einstein’dan alıyor. Atomlar soğuyup bir araya gelerek su damlaları gibi yoğuştukları zaman buna Bose-Einstein yoğuşması diyoruz ve bozon yıldızları da aksiyonların yoğuşmasıyla oluşuyor.

Bu da bizi kuantum dolanıklığa getiriyor: Atomları mutlak sıfıra kadar soğuttuğunuz zaman bu atomlar birbiriyle dolanıklığa giriyor. Hepsi aynı enerji düzeyinde, yani mümkün olan en düşük enerji düzeyinde oluyor ve bir atomu etkilediğiniz zaman bütün atomlar aynı şekilde etkileniyor.

Bozon yıldızları da bu biçimde davranıyor. Ancak, atomlardan farklı olarak süper sıkışmış aksiyon parçacıklarından oluşuyor; çünkü fermiyonlardan oluşan atomları o kadar sıkıştıramazsınız. Bozon yıldızı parçacıkları da (aksiyonlar) mutlak sıfıra yakın sıcaklıkta dolanıklığa girerek koca bir yıldız çapında olan tek atom gibi davranıyor (tüm aksiyonlar en düşük enerji düzeyinde oluyor).

İlgili yazı: Kepler Dünya’ya En Çok Benzeyen Gezegeni Buldu

 

Peki var mı?

Evrende gerçekten bozon yıldızları var mı? Doğrusu bunun için önce aksiyon parçacıkları var mı diye sormamız gerek: Karanlık madde aksiyon parçacıkları mı? Bu birinci soru. İkinci soru ise aksiyon parçacıklarının kütlesi. Bunların enerjisi nedir; çünkü fizikçiler bu konuda anlaşamıyor. Ayrıca bozon yıldızları ancak en hafif aksiyonlardan meydana geldikleri taktirde daha hızlı oluşuyor.

Bozon yıldızları neden önemli?

Açıkçası karanlık maddenin birden fazla parçacıktan oluştuğunu söyleyen fizikçiler var. Nasıl ki atomlar proton, elektron, nötron ve özünde de kuarklardan oluşuyor; karanlık madde de farklı parçacıklardan oluşabilir.

Bugüne dek karanlık maddeyi bulamadığımız için bunun tek bir parçacıktan oluşup oluşmadığı da belirsiz kaldı. Oysa bunu bilmek evrendeki galaksilerin nasıl oluştuğunu anlamak için önemli. Dahası karanlık madde, bozon yıldızları gibi gökcisimleri oluşturuyorsa onu sadece tek bir parçacıkla açıklayabiliriz: aksiyonlarla.

Bu durumda bozon yıldızı oluşturmadan uzayda seyrek bir bulut gibi dolanan aksiyon türleri, karanlık maddenin sadece uzun mesafede etkili olan; ama toplu olarak galaksileri bir arada tutan ek yerçekimini açıklayabilir.

Kara delikler veya normal yıldızlar gibi lokal yerçekimi alanları oluşturan bozon yıldızları ise yerçekimi açısından bildiğimiz gökcisimleri gibi davranarak galaksilerin çekirdeği ve kolları gibi farklı yapıların nasıl oluştuğunu açıklayabilir. Böylece küçük galaksilerin nasıl büyüdüğünü anlayabiliriz.

İlgili yazı: Devrik Kara Delik Sagittarius A Görüntülendi

 

Eskiden hayaldi

Rus Bilimler Akademisi Nükleer Araştırma Enstitüsü’nden fizikçi Dmitry Levkov ve meslektaşları, eksiden aksiyonların çok daha hafif olacağını, dolayısıyla süper soğuk olsalar da sıkışıp bozon yıldızları oluşturamayacağını göstermişti. Mutlak sıfır bile çok hafif parçacıkları yeterince yavaşlatıp yerçekimi ile topaklanmasını sağlayamaz.

Ancak, aynı ekip yeni bilgisayar simülasyonunda bozon yıldızlarının olaşabileceğini gösterdi. Buna göre, ağır bir teorik aksiyon türü olan QCD aksiyonu varsa ve karanlık madde bunları içeriyorsa QCD aksiyonları 1 milyar yılda yoğuşarak bozon yıldızları oluşturabilir.

1 milyar yıl mı?

Evet, aksiyonların protondan hafif olduğu için normal bir gaz bulutu gibi hızla çöküp yıldız oluşturamayacağını; yıldız kütlesine denk bozon maddesinin topaklanması için 1 milyar yıl geçeceğini belirtelim. Neden QCD aksiyonlarını tasarladık derseniz onun da nükleer fizikle alakası var: QCD’ler güçlü nükleer kuvvetle ilgili çözemediğimiz bir sorunu açıklayabilir (başka yazıda anlatacağım).

İlgili yazı: Evren Bir Simülasyon mu?

 

Yumak karanlık madde

Öte yandan QCD aksiyonları ile bozon yıldızı oluşumu çok uzun sürüyor. Bu da evrendeki olası bozon yıldızı sayısını azaltıyor ve sonuçta galaksilerin karanlık madde ile nasıl oluştuğunu açıklamayı zorlaştırıyor.

Buna karşın yazının başında belirttiğim gibi protondan 10 milyon trilyon trilyon kez hafif olan özel bir aksiyon türü var. Enerji alanlarının etkileşimine bağlı olarak fizikçiler bu aksiyonların oluşturduğu karanlık madde yığınlarını kedilerin oynadığı yün yumağına benzeterek “bulanık karanlık madde” olarak adlandırıyorlar.

Özetle bulanık QCD aksiyonlarından 100 katrilyon daha hafif ve bu sebeple sadece 10 milyon yılda bozon yıldızı oluşturabilirler. Peki bu ne demek? Bu evrende sanılandan çok daha fazla sayıda bozon yıldızı olması demek. Karanlık maddeyi bozon yıldızlarıyla açıklayabiliriz demek.

İlgili yazı: Elektrikli Karanlık Madde ve Steril Nötrino

 

Neden daha kısa sürüyor?

Bunun sebebini Dünya çakıl taşlarından nasıl oluştu yazısında anlattım: Uzaydaki gaz ve toz bulutlarının soğuyarak hız kaybetmeye başlaması zaman alabilir. Ancak, bir kez çökmeye başlayınca merkezlerinde çok hızlı bir şekilde yoğuşarak yeni yıldızlar doğururlar.

Kısacası yeni yıldızların oluşması için çok daha büyük bir gaz bulutu ve dolayısıyla daha büyük miktarda madde gerekmesine rağmen; bunlar çakıl taşlarının topaklanmasıyla ortaya çıkan gezegenlerden çok daha hızlı oluşuyorlar.

Bu mantığı QCD aksiyonlarına uyarlarsak görüyoruz ki ağır karanlık madde, çakıl taşı gibi birikerek bozon yıldızı oluşturuyor. Bu süreç 1 milyar yıl alıyor ve evrendeki bozon yıldızı sayısını azaltıyor. Bulanık karanlık madde ise standart gaz ve toz bulutlarına benzer şekilde çökerek sadece 10 milyon yılda bozon yıldızı oluşturabiliyor ve bu da evrendeki bozon yıldızı sayısını artırıyor.

İlgili yazı: Evrende Morötesi Işık Saçan İlk Yıldızlar

 

Galaksi oluşumunu nasıl etkiliyor?

Standart karanlık madde modellerinde, galaksiler kendinden 4 kat büyük ve daha ağır bir karanlık madde bulutunun içinde oluşuyor. Seyrek yerçekimi olan bu bulut da galaksilerin daha gevşek oluşmasına neden oluyor. QCD aksiyonları işte bu modeli destekliyor.

En hafif aksiyonlardan oluşan bulanık karanlık madde modeli ise daha çok bozon yıldızı doğuruyor. Bu durumda, evrendeki karanlık maddenin kütlesinin büyük kısmı galaksilerdeki yıldızlara eşlik eden görünmez bozon yıldızlarında toplanıyor.

Bu sayede bizzat karanlık madde, gökcisimleri oluşturarak galaksi oluşumunu daha doğrudan ve yerel yerçekimi alanlarıyla etkiliyor. Bunu biraz da mikserde koyu kıvamlı hamuru yavaş karıştırmak ile sulu hamuru daha hızlı karıştırmak arasındaki farka benzetebilirsiniz.

Kullandığınız hamura göre pişireceğiniz çörek de farklı kıvamlarda farklı olacaktır. QCD yerine bulanık karanlık madde aksiyonları kullanırsak bunların etkisiyle oluşan galaksilerin şekli, içyapısı ve kıvamı da farklı olacaktır!

İlgili yazı: Evren’de Gezilecek En Garip 5 Yer

 

Karanlık maddeyi neden bulamıyoruz?

Bozon yıldızı teorisinin asıl amacı şu: Eğer karanlık madde sandığımızdan hafifse ve bulanık karanlık madde aksiyonlarından oluşuyorsa bunları Dünya’daki karanlık madde detektörleri ile görmemiz çok zor. Washington Üniversitesi, Seattle yerleşkesindeki Aksiyon Karanlık Madde Deneyi bile bunları göremez.

Bu da neden bugüne dek karanlık madde bulamadığımızı açıklayabilir: 1) Yanlış karanlık maddeyi arıyoruz (olmayan şeyleri). 2) Yanlış yerde arıyoruz (bozon yıldızlarını aramalıyız). Sonuçta karanlık madde, galaksilerin öyle özelliklerini açıklıyor ki sırf bulamadık diye yoktur diyemiyoruz. Bunun yerine neden bulamadığımızı anlayıp nihayet tespit etmemiz gerekiyor.

İlgili yazı: Yoksa Kara Delikler Yok mu? İşte Size 5 Çılgın Alternatif

 

Hızlı radyo patlamaları

Herkes nerede yazısında anlattığım gibi, galaksimizde 40 milyar Dünya benzeri gezegen ve evrende galaksimize benzeyen 300-400 milyar galaksi varken, Dünya dışı uygarlıklardan henüz mesaj almamış olmamız da ayrı bir gizem. Buna Fermi paradoksu diyoruz.

Nitekim bilim insanları, son yıllarda nötron yıldızı çarpışmaları ve diğer gök olaylarıyla açıklayamadıkları çok sayıda hızlı gama radyo patlaması (FRB) tespit ediyorlar. Bunlar tek seferlik ve tekrarlanmayan hızlı radyo dalgası parlamaları olarak kayıtlara geçiyor.

Bu tek seferlik patlamaların ne olduğunu bilemiyoruz ve özellikle de tekrarlanmadıkları için bunların uzaylı sinyalleri olduğunu düşünen araştırmacılar var (Hatta Harvard fizikçileri, FRB’lerin yıldız gemisi güneş yelkenlerini iten süper lazerler olup olmadığını araştırıyorlar).

Bozon yıldızları bunu açıklayabilir

Nasıl derseniz: Aksiyon denilen görünmez karanlık madde parçacıkları bozundukları zaman fotonlara dönüşüyor. Bozon yıldızları da büyük miktarda aksiyon içeriyor ve bu durumda aksiyonlar da bozunurken Dünya’dan görülen hızlı radyo patlamalarına yol açıyor olabilirler.

İlgili yazı: Nükleer Makarna Çelikten 10 Milyar Kat Sert

 

Olası cevap: çarpışan yıldızlar

Sonuçta bozon yıldızları, nötron yıldızlarıyla çarpıştıkları zaman bu tür radyo patlamalarına yol açıyorsa gökyüzündeki hızlı radyo patlamalarını uzaylı teorisine başvurmadan açıklayabiliriz.

İşin ilginci, tıpkı çarpışan nötron yıldızlarının yaptığı gibi nötron yıldızlarıyla çarpışan bozon yıldızları da kütleçekim dalgaları üretebilirler. Bu durumda LIGO gözlemevi ile kütleçekim dalgalarına bakarak bunların bozon yıldızlarından kaynaklanıp kaynaklanmadığını test edebiliriz.

Peki evrende karanlık madde yerine karanlık enerji yıldızları olabileceğini biliyor musunuz? Bunu da konuyla ilgili olan Karanlık madde kara delik mi ve Evrenin en büyük yıldızları başlıklarıyla birlikte hemen şimdi okuyabilirsiniz. Enerjik bir hafta olsun.

Bozon yıldızları

¹Gravitational Bose-Einstein Condensation in the Kinetic Regime