Yıldız evriminin sonunda kimi yıldızların elektronların Pauli basıncı ile kütleçekimine karşı duran beyaz cücelere dönüşerek kalıcı bir denge konumuna ulaştıklarını (Yıldız evrimi nedir? ve Beyaz cüce nedir?), kimi yıldızların da nötronların Pauli basıncıyla ve nötronlar arasında itici kuvvetli etkileşmelerle kütleçekimine karşı duran nötron yıldızları olarak kalıcı dengeye ulaştıklarını görmüştük (Nötron yıldızı nedir?).
Nötron yıldızları gözlenebilen en küçük yıldızlar. Yarı çapı 10 km civarında olan tipik bir nötron yıldızının bildiğimiz optik teleskoplarla, yıldızın yüzeyinden salınan bildiğimiz ışık alınarak gözlemlenecekse Güneşimizin neredeyse burnunun dibinde olması gerekir. Oysa Güneşe en yakın yıldız dört ışık yılı uzakta, Güneş gibi bir yıldız olan Alfa Centauri. Bu yüzden nötron yıldızı fikrinin geliştirildiği 1930’lu yıllarda bilim insanları nötron yıldızlarının gözlenemeyeceğini düşünmüşler.
Gizemli radyo sinyalleri ve Jocelyn Bell
1967’de Cambridge Üniversitesinde Anthony Hewish’in doktora öğrencisi olan Jocelyn Bell başka bir konuyu araştırırken atışlı radyo dalgaları salan bir kaynak keşfetti. Bulduğu kaynağın radyo sinyalleri çok hassas şekilde periyodikti. Önce bunların insan yapısı cihazlardan geldiği sanıldı. Ardından gökyüzünde bu dalgaları salan kaynağın yıldızlarla birlikte belli zamanlarda doğup battığı görüldü yani bir gökcismi olduğu anlaşıldı. O zamana kadar görülmemiş bu düzenli sinyallerin uzayda uzak bir uygarlıktan geldiği spekülasyonları bile yapıldı. Ardından gökyüzünde farklı yönlerden, değişik periyotlu radyo sinyalleri gönderen başka gökcisimleri de bulununca pulsarlar adı verilen bu cisimlerin sinyalleri doğal yollarla ürettiği sonucuna varıldı.
Bilim dünyasındaki yaygın kanıya göre ilk pulsarı bulan Dame Jocelyn Bell Burnell’in hocası Sir Anthony Hewish ve Sir Martin Ryle ile Nobel Ödülünü paylaşmış olması gerekirdi. Başka birçok ödül kazanan Burnell, kraliçe tarafından Dame unvanı ile de onurlandırılmıştır.
Bilim Akademisi’nin onursal üyesi olan Dame Jocelyn Bell’in pulsarlar üzerine verdiği 2016 Bilim Akademisi Yılın Konferansı’nın kaydını buradan izleyebilirsiniz:
Kısa zaman içinde pulsarların hızla dönen ve kuvvetli mıknatıs alanlarına sahip olan nötron yıldızları oldukları anlaşıldı. En küçük ve en yoğun yıldızlar olan nötron yıldızları aynı zamanda en hızlı dönen yıldızlar.
Pulsarlar neden bu kadar hızlı dönüyor?
Newton’un hareket kanunlarına göre birçok durumda açısal momentum denilen dönme özelliği sabittir, zamanla değişmez. Açısal momentum cismin kütlesinin, yarıçapının (ya da genişliğinin) karesi ve kendi ekseni etrafında dönme hızı ile çarpımına orantılıdır.
Böylece kütlesi sabit bir cismin genişliği azalırsa cisim hızlanır. Bu özellik dansçılar patenciler ve tramplenden atlayan yüzücüler tarafından kullanılır. Dönüş sırasında kollarını ve bacaklarını toplayarak dönme hızlarını arttırırlar.
Yıldız evriminde de yıldız çökerken dönme hızı artacaktır. Yıldız ne kadar küçülürse o kadar hızlanır. Bu yüzden Güneş’in kendi etrafında bir dönüşü 25 günken beyaz cücelerin dönme periyotları saat ve dakika mertebesinde; nötron yıldızları ise kendi etraflarında bir dönüşü saniyeden kısa hatta en hızlıları milisaniyelik zamanlarda tamamlıyorlar.
Pulsarlar neden bu kadar güçlü manyetik alana sahipler?
Astronom Lodewijk Woltjer 1964’te nötron yıldızlarının 1014 – 1016 Gauss mertebelerine kadar ulaşan çok şiddetli mıknatıs alanlarına, yani manyetik alanlara sahip olacaklarını öne sürmüştü. Bunun sebebi Faraday’ın elektrik ve manyetik alanlar üzerinde yaptığı deneylerle bulduğu temel bir doğa yasası, ‘indüksiyon yasası’:
Manyetik alanların zamanla değiştiği durumlarda yüksek elektrik alanları (indüklenmiş voltajlar) oluşur.
Faraday Yasası’nda bir eksi (-) işareti vardır. Bu eksi işareti şunu anlatır: Voltajların oluşturduğu akımlar manyetik alandaki değişmeyi durduracak şekilde, tersine (-) yönde ikincil manyetik alanlar oluştururlar.
Yıldızlarda madde yüksek elektrik iletkenliğine sahiptir. Oluşan voltaj iletken ortamda çok verimli, çabuk biçimde akım oluşturur, bu akımların sonucu olarak yıldızın manyetik alanında orada burada tesadüfen ortaya çıkabilecek değişiklikler hemen durdurulur. Böylece Faraday Yasası’na göre yıldızların içinden geçen toplam manyetik alan akısı sabit kalır. Manyetik alan akısı, manyetik alan şiddeti ile yıldızın kesit alanının çarpımıdır. Kesit alanı yani yıldızın boyutu küçüldükçe manyetik alan şiddeti de artar. Woltjer de en küçük yıldızlar olan nötron yıldızlarının en yüksek manyetik alanlara sahip olacaklarını öngörmüştü.
Dönen çok güçlü mıknatısların etrafında ne olur?
Yine Faraday’ın indüksiyon yasasına göre dönen bir mıknatıs etrafında elektrik alanları, voltajlar oluşur. Çok hızlı dönen ve kuvvetli mıknatıslığa sahip olan nötron yıldızlarının çevrelerinde de son derece yüksek voltaj oluşur. O kadar yüksek voltaj nötron yıldızının yüzeyinden elektron ve pozitif yüklü iyonları söküp alır. Ayrıca bu derece yüksek elektrik ve manyetik alanlarda eksi yüklü elektron – artı yüklü positron çiftleri oluşur. Kısacası yüksek voltajların olduğu yerde yüklü parçacıklar bulunur. Bunlar elektrik kuvvetleri altında ivmeli harekete geçer, yani zamanda değişen elektrik akımları yaratırlar. İvmelenen yükler ve değişken akımlar Faraday ve çağdaşlarının deneylerden bulduğu ve Maxwell’in tamamladığı temel doğa yasalarına uygun biçimde elektromanyetik dalgalar üretip uzaya yayarlar.
Oluşan elektromanyetik dalga huzmesi şekildeki gibi mıknatıs kutupları doğrultusunda yayılır. Yıldız, dönme ekseni etrafında döndükçe dalga huzmesi uzayda bir koni çizerek belli yönleri tarar. Dünya, bu koninin içindeyse, o nötron yıldızından gelen elektromanyetik dalgaları, tıpkı bir deniz fenerinin dönen ışıldağı gibi her dönüşte tekrar eden bir atış halinde görürüz. Bu tür kaynaklara atış (pulse) sözcüğünden türetilen pulsar ismi verilir. Türkçe’de pulsarlara ‘atarca’ da diyoruz.
Pulsarların etrafında oluşan elektromanyetik dalga huzmeleri genelde radyo dalgaları ve bu pulsarlar radyo pulsarı olarak biliniyor. Ama X ve gama ışınlarına kadar her dalgaboyu aralığında elektromanyetik dalga üreten pulsarlar var.
Enerji kaynağı dönen bir mıknatıs olduğuna göre pulsarlar tıpkı enerji santrallerinde olduğu gibi dönme enerjisini elektromanyetik enerjiye çeviren doğal dinamolar. Demek ki pulsarlar termodinamik dengede değil, uzaya enerji yayan açık sistemler. Enerji üretim güçleri yüzeylerinin sıcaklığa bağlı ışımasından çok çok daha yüksek. Bu sayede galaksimiz Samanyolu’nun çok uzak köşelerinde, hatta başka galaksilerde bulunan pulsarları gözleyebiliyoruz.
Süpernova kalıntıları ve nötron yıldızları
1967’de pulsarların keşfinden kısa bir süre önce, Franco Pacini dönen mıknatıslı bir nötron yıldızının hızlanan parçacıklar aracılığıyla elektromanyetik radyasyon yayacağını , hatta bu ışımanın gücünün nötron yıldızı etrafında bulunan Yengeç Bulutsusu gibi bir süpernova kalıntısını aydınlatmaya yeteceğini öngörmüştü.
İlk pulsarın keşfinden hemen sonra Thomas Gold, Pacini’nin çalışmasından bağımsız olarak, dönen bir mıknatıslı nötron yıldızı modelini ele aldı ve Jocelyn Bell Burnell’in bulduğu pulsarın böyle çalıştığını öne sürdü.
İlk başlarda bulunan pulsarların birçoğunun etrafından nötron yıldızını oluşturan süpernovanın kalıntısı, yani hala hızla uzaya dağılmakta olan gaz bulutları görülüyordu. Bu genç pulsarlar en hızlısı 33 milisaniyelik dönme periyodu ile saniyede 30 kez dönen (30 Hertz dönme frekanslı) Yengeç pulsarı olmak üzere saniyenin epeyce altında periyodlarla, yani saniyede 5-10 kez dönüyorlardı. Pulsardan yayılan enerjinin bir kısmı etraflarındaki supernova kalıntısını aydınlatıyordu, bunun en belirgin örneği yine Yengeç pulsarıydı.
Pulsarların dönme periyotları çok şey anlatıyor
Pulsarlar uzaya enerji yaydıklarından dönme hızlarının yavaşlaması bekleniyor. Gerçekten de bir süre gözlenen pulsarların yavaşladığı yani dönme periyodlarının uzadığı ölçülüyor. Ölçülen yavaşlama hızı dinamonun enerji üretip yaymasından kaynaklandığı için buradan yüzeyindeki manyetik alan şiddeti elde edilebiliyor. Bu alan şiddetinin tüm pulsarlar için 1012 Gauss (dünyadaki ve güneş sistemindeki tipik alanların trilyon katı) mertebesinde olması, bir sınıf olarak pulsarların benzer fiziksel özelliklere sahip nötron yıldızları olduklarını ve dolayısıyla gerçekten de dönen mıknatıs (dinamo) mekanizmasıyla enerji üretip elektromanyetik dalgalarla uzaya yaydıklarını gösteriyor.
Yavaşlama hızlarından kestirilen yaşları ile etraflarındaki süpernovaların özeliklerinden belirlenen yaşlar kabaca uyumlu. Yengeç pulsarı bu konuda önemli bir örnek, çünkü içinde bulunduğu süpernovanın 1054 yılındaki patlaması Çin, Japon ve ortadoğu İslam uygarlığınca kaydedilmiş olduğu için yaşı kesinlikle bilinen bir pulsar. Bu yaş, süpernova artığı bulutsunun sürmekte olan yayılma hızından ve pulsarın yavaşlamasından yapılan kestirimlerle de uyumlu. Süpernova kalıntıları yüz binlerce yıl parladıktan sonra sönükleşip dağılıyorlar, artık etraflarında supernova kalıntısı bulutsu gözlenmeyen pulsarlar birkaç milyon yıl daha pulsar etkinliği göstererek yaşıyor ve saniye mertebelerinde dönme periyodlarına kadar yavaşlamış oluyorlar. Daha uzun periyodlu (daha yavaş dönen) pulsarlar gözlenmiyor. Bunun sebebi mıknatıslık aynı kalsa da dönem hızı yeterince düşünce üretilen dinamo voltajlarının artık radyo dalgaları yaratmaya yetmemesi.
Olağandan çok daha hızlı dönen milisaniyelik pulsarlar
1982’de Arecibo radyo teleskobu ile gözlem yapan astronomlar 1,5 milisaniye dönme periyodlu (yani saniyede tam 642 kez kendi etrafında dönen, 642 Hz dönme frekanslı) bir yeni pulsar keşfettiler. Bir nötron yıldızının bu müthiş dönme hızına nasıl ulaştığını bir ay içerisinde biri New York’ta Columbia Üniversitesi’nde, diğeri de Hindistan Bangalore’da Raman Araştırma Enstitüsü’nde bulunan iki ayrı ekip birbirinden bağımsız olarak açıkladılar.
Ben o zamanlar Columbia’daki ekipteydim. Bu kadar yüksek dönme hızına neden olan şeyin nötron yıldızına vaktiyle eşlik etmiş bir eş yıldızdan akan madde olabileceğini tahmin etmiştik. Birçok yıldız bir başka yıldızla çift olup yörüngede bulunur ve birinden diğerine madde akışı olabilir. Akan madde taşıdığı dönme (açısal momentum) yüzünden aktığı yıldızın dönmesine etki eder, yani açısal momentumunu değiştirir. Burada olan da buydu. Belli koşullarda bu akışın milisaniyelik periyotlara neden olacağını göstermiştik. Nötron yıldızının manyetik alanı trilyon Gauss değil de milyar Gauss mertebesinde olursa aktarılan dönme çok hızlı oluyor ve akışın olduğu nötron yıldızı milisaniyelik dönme periyotlarına ulaşabiliyordu.
Kütle aktarımı durunca nötron yıldızı milisaniyelik bir radio pulsar olacaktı. Bu arada çiftyıldız sistemi bozulmuşsa milisaniyelik pulsar tek başına olacak, bozulmamışsa hala düşük kütleli yaşlı bir eşyıldızla birlikte yörüngede kalacaktı.
Kısa zaman içinde başka milisaniyelik pulsarlar arandı bulundu. Bunların bir kısmı evet hala bir çiftyıldız sistemi içindeydiler. Bir süre sonra bu milisaniyelik pulsarların yavaşlama hızları ölçüldü, buradan elde edilen manyetik alanları da beklediğimiz gibi 1 milyar Gauss mertebesinde idi.
Meslek hayatımın en heyecanlı zamanlarıydı. 1983’te milisaniyelik pulsarlar üzerine yapılan ilk bilimsel toplantıya gittiğimde sadece 2 tane milisaniyelik pulsar biliniyordu. Toplantıda dağıtılan tişörtlerin üzerinde sol anahtarlı portede 642 Hz frekanslı ince mi-bemol notası, fa anahtarlı alt portede ise keşfedilen 6.2 milisaniye periyodlu ikinci milisaniyelik pulsarın 164 Hz frekansına yakın, ilkinden iki oktav aşağıdaki pes mi notası işaretliydi. Şimdiye kadar bulunan en hızlı milisaniyelik pulsar ise Terzan 5 küresel kümesindeki PSR J1748−2446ad. Bu pulsarın 1,4 milisaniyelik dönme periyodu yani 716 Hz dönme frekansı ince fa-diyez demek.
Pulsarların şarkısı
Milisaniyelik pulsarların dönme frekansları insan kulağının duyduğu ses frekansları yani odyo-frekanslar aralığında. Radyo teleskobun milisaniyelik bir pulsardan aldığı sinyaller doğrudan bir hoparlöre bağlanırsa hoparlörün ürettiği aynı frekanstaki ses dalgalarını bizim kulağımız o frekans hangi notaysa ona göre bir ses olarak duyuyor. Yüksek frekanslar daha tiz (soprano) düşük frekanslar ise daha pes (bas) sesler olarak duyuluyor. Oysa genç pulsarların Yengeç gibi saniyede 30 kere veya daha da seyrek tekrar eden atışlı sinyalleri beynimiz tek tek atışlar halinde ayırt ediyor.
Bu sinyalleri ses dalgasına çevirmek için hoparlör kulağımızın duyacağı herhangi bir taşıyıcı odyo frekansa atışlı sinyali yüklüyor. Biz de pulsar saniyede kaç kez dönüyorsa o kadar kez atış duyuyoruz. Pulsarların sesleri buradan dinleyebilirsiniz [1].
Burada Yengeç gibi genç pulsarların atışlarını , milisaniyelik pulsarların dönme frekanslarını yansıtan tiz veya pes sinyalleri duyabilirsiniz. İçinde bir sürü milisaniyelik pulsar barındıran 47 Tuc adlı büyük bir küresel yıldız kümesinden gelen milisaniyelik pulsarlar orkestrasını da şurada dinleyebilirsiniz– bazen teker teker sonra hep beraber duyacaksınız seslerini:
Yazıyı bitirirken Arecibo’yu da analım. Pulsarlarla ilgili birçok önemli buluşun yapıldığı büyük Arecibo radyo teleskobu geçenlerde çöktü. Arecibo Yengeç pulsarının dönme hızını ölçmüş, ilk milisaniyelik pulsar, ilk ötegezegen (ki bu da bir milisaniyelik pulsarın etrafında), çiftyıldızda bulunan ilk pulsar ve üçlü sistemde yaşayan bir milisaniyelik pulsar da Arecibo ile keşfedilmişti. Arecibo’nun hikâyesini buradan okuyabilirsiniz.
Ali Alpar
Bilim Akademisi üyesi
Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi
[1] Pulsar sounds http://hosting.astro.cornell.edu/~deneva/psr_sounds/pulsars_sounds.htm
Bu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır. İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.