İki nötron yıldızının çarpışması ve birleşmesi – çökmüş yıldızların inanılmaz derecede yoğun kalıntıları – evrendeki en enerjik olaylardan bazılarıdır ve yeryüzünde gözlemlenebilecek çeşitli sinyaller üretir.
Penn State ve Tennessee Üniversitesi Knoxville’den bir ekip tarafından Nötron Yıldızı birleşmelerinin yeni simülasyonları, astronomik mesafeleri bozabilen nötrinos adı verilen küçük parçacıkların karıştırılmasının ve değiştirilmesinin, birleşmenin ve sonuçta ortaya çıkan emisyonların nasıl geliştiğini etkiler. Araştırmacılar, bulguların metallerin ve nadir toprak unsurlarının kökenleri ve aşırı ortamlardaki fiziği anlama konusunda uzun süredir devam eden soruların etkileri olduğunu söyledi.
Dergide yayınlanan makale Fiziksel İnceleme Mektuplarınötron yıldızı birleşmelerinde nötrino “lezzetler” dönüşümünü ilk simüle eden. Nötrinolar, diğer maddelerle zayıf bir şekilde etkileşime giren ve ilişkilendirdikleri diğer parçacıklar için adlandırılan üç lezzetle gelen temel parçacıklardır: elektron, muon ve tau. Bir nötron yıldızının içi de dahil olmak üzere belirli koşullar altında, nötrinolar teorik olarak lezzetleri değiştirebilir, bu da etkileşime girdikleri parçacık türlerini değiştirebilir.
Penn Eyalet Eberly Bilim Koleji’ndeki fizik alanında lisansüstü öğrencisi ve makalenin ilk yazarı Yi Qiu, “İkili nötron yıldız birleşmelerinin önceki simülasyonları nötrino lezzetinin dönüşümünü içermedi.” Dedi.
“Bunun nedeni kısmen bu sürecin bir nanosaniye zaman ölçeğinde gerçekleşmesi ve yakalanması çok zordur ve kısmen, yakın zamana kadar, standart fizik modelinin dışına çıkan bu dönüşümlerin altında yatan teorik fizik hakkında yeterince bilmedik.
“Yeni simülasyonlarımızda, nötrinoların karıştırılması ve dönüştürülmesinin kapsamının ve yerinin, birleşmeden, birleşmeden sonra kalanların – kalıntının – ve etrafındaki malzemeden çıkarılan konuyu etkilediğini bulduk.”
Araştırmacılar, yerçekimi, genel görelilik, hidrodinamik ve nötrino karışımı gibi çeşitli fiziksel süreçleri içeren bir nötron yıldızı birleşmesinin bilgisayar simülasyonunu inşa ettiler. Ayrıca, elektron aroması nötrinolarının muon lezzetine dönüşümünü açıkladılar, araştırmacıların bu ortamda en alakalı nötrino dönüşümü olduğunu söylediler. Çevrenin yoğunluğunun yanı sıra karıştırmanın zamanlamasını ve yerini değiştirerek çeşitli senaryoları modellediler.
Araştırmacılar, birleşme sırasında oluşturulan unsurların türü ve miktarları da dahil olmak üzere, birleşme kalıntısının bileşimini ve yapısını etkilediğini bulmuşlardır. Bir çarpışma sırasında, bir nötron yıldızındaki nötronlar, enkazdaki diğer atomlarda fırlatılabilir, bu da nötronları yakalayabilir ve nihayetinde altın ve platin gibi ağır metaller ve akıllı telefonlarda, elektrikli araç pilleri ve diğer cihazlarda Dünya’da kullanılan nadir toprak elemanları gibi daha ağır elementlere ayrılabilir.
Penn Eyaleti Eberly Bilim Koleji’nde ve makalenin yazarı Knrer Erken Kariyer Fizik Profesörü ve Astronomi ve Astrofizik Doçenti Knrer Fizik Profesörü David Radice, “Bir Nötrino’nun lezzeti başka konularla nasıl etkileşime girdiğini değiştiriyor” dedi. “Elektron tipi nötrinolar bir atomun üç temel parçasından biri olan bir nötron alabilir ve diğer ikisine, bir proton ve elektrona dönüştürebilir. Ancak muon tipi nötrinolar bunu yapamaz.
“Bu nedenle, nötrino lezzetlerinin dönüşümü, sistemde kaç nötronun mevcut olduğunu değiştirebilir, bu da ağır metallerin ve nadir toprak elemanlarının yaratılmasını doğrudan etkileyebilir. Bu önemli unsurların kozmik kökeniyle ilgili hala birçok soru var ve nötrino karışımının muhasebeleştirilmesinin eleman üretimini 10. bir faktör kadar artırabileceğini bulduk.”
Birleşme sırasında nötrino karışımı, araştırmacıların Dünya’dan algılanabilen emisyonları değiştirebileceğini söylediği birleşmeden çıkarılan maddenin miktarını ve bileşimini de etkiledi. Bu emisyonlar tipik olarak yerçekimi dalgaları-uzay zamanındaki ripples-ve X-ışınları veya gama ışınları gibi elektromanyetik radyasyon içerir.
Radice, “Simülasyonlarımızda, nötrino karıştırma, nötron yıldız birleşmelerinden ve muhtemelen yerçekimi dalgalarından elde edilen elektromanyetik emisyonları etkiledi.” Dedi.
“LIGO, Başak ve Kagra gibi en yeni dedektörler ve 2030’larda operasyonlara başlayabilecek önerilen kozmik kaşif gözlemevi gibi yeni nesil meslektaşları ile gökbilimciler daha önce olduğundan daha sık yerçekimi dalgalarını tespit etmeye hazırdır. Bu emisyonların nötron yıldız mergerlerinden nasıl yaratıldığını anlamaya hazırdır.
Araştırmacılar, karıştırma süreçlerinin modellenmesinin bir sarkaçın tersine çevrilmesine benzer olduğunu söyledi. Başlangıçta, inanılmaz hızlı bir zaman ölçeğinde birçok değişiklik meydana geldi, ancak sonunda sarkaç istikrarlı bir dengeye yerleşiyor. Ama bunların çoğu, bir varsayım olduğunu söylediler.
Qiu, “Bu nötrino dönüşümlerinin teorik fiziği hakkında hala bilmediğimiz çok şey var.” Dedi. “Teorik parçacık fiziği ilerlemeye devam ettikçe, simülasyonlarımızı büyük ölçüde geliştirebiliriz. Belirsiz kalan şey, bu dönüşümlerin nötron yıldızı birleşmelerinde nerede ve nasıl gerçekleştiğidir. Mevcut anlayışımız çok muhtemel olduklarını gösteriyor ve simülasyonlarımız, gerçekleşirlerse önemli etkilere sahip olabileceğini, gelecek modellere ve analizlere dahil etmeleri önemli hale getirebileceğini gösteriyor.”
Artık bu karmaşık simülasyonlar için altyapı oluşturulduğuna göre, araştırmacılar diğer grupların teknolojiyi nötrino karıştırmanın etkilerini keşfetmeye devam etmek için kullanacağını beklediklerini söylediler.
Radice, “Nötron yıldızı birleşmeleri kozmik laboratuvarlar gibi işlevi, Dünya’da güvenli bir şekilde çoğaltamayacağımız aşırı fiziğe önemli bilgiler sağlıyor.” Dedi.
Qiu ve Radice’e ek olarak, araştırma ekibi Maitraya Bhattacharyya, Penn Eyaleti Yerçekimi ve Kozmos Enstitüsü’nde doktora sonrası bilim adamı ve Tennessee Üniversitesi, Knoxville’de Sherwood Richers’ı içeriyor.
