Beyaz Cücenin Ağırlığı

Einstein’ın Genel Görelilik Kuramı bilim insanlarının evrene bakış şeklini değiştirdi. Kütlenin varlığı, tıpkı bowling topunun çarşafı büktüğü gibi uzay zaman dokusunu bükerek ışığın uzay zaman içerisinde Yer’e ulaşırken eğilmesine sebep olmaktadır. 1919 yılında Sir Arthur Eddington tam Güneş tutulması sırasında arka plan yıldızlarının ışıklarının, Güneş tarafından saptırılmasını ölçerek bunu doğrulamıştır. Neredeyse bir yüzyıl sonra astronomlar Güneş Sistemimizin dışında bir yıldız tarafından oluşturulan aynı etkiyi Hubble Uzay Teleskobu’unu kullanarak ilk defa ölçtüler.

Bulgular Çok Önemli

Bu çığır açan sonuç, Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü’nden Kailash Sahu tarafından Amerikan Astronomi Topluluğu’nun 230’ncu toplantısında açıklandı. Sahu’nun ekibi, bir zamanlar Güneşimiz gibi olan yıldız kalıntısı beyaz cücenin, önünden geçerken büktüğü arka plan yıldızlarının ışıklarını ölçmek için Hubble Uzay Teleskobu’nu kullandı. Bükülme Eddington’un 1919’ta ölçtüğünden 1000 kat daha az olmasına rağmen Hubble’ın sağladığı doğruluktan dolayı astronomlar etkiyi rahat bir şekilde tespit edebildiler. Bükülmeden yararlanarak beyaz cüceler için var olan teorik kütle – yarıçap bağıntısından bağımsız olarak yeni bir yöntem ile Stein 2051B adlı beyaz cücenin kütlesini ölçtüler. Bu iyi haber, çünkü kozmolojide standart uzaklık belirteci olarak kullanılan bu nesnelerin kütle  – yarıçap ilişkisi astronomlar için temel niteliktedir. Çalışma bu ay Science dergisinde yayınlandı.

Sahu’nun ekibi bu görevi tamamlamak adına uygun bir yıldız çifti aramak için önce büyük öz hareketlere, veya başka bir deyişle Yer’den görülen hareketlere sahip 10,000 yıldızlık bir kataloğu derinlemesine araştırdı. Ekip, birbirlerine HST tarafından ölçülebilecek bir yıldız ışığı bükülmesi yaratabilecek kadar yakın geçen (uzaydaki somut haliyle değil, gökyüzündeki izdüşümü olarak) bir çift bulabilmek için, bu yıldızların hareketlerine dayanarak yıldızların konumlarını zamanda ileriye aldı.

Seçimleri Yer’e 17 ışık yılı mesafedeki Stein 2051B adındaki beyaz cüce oldu. Ekibin hesaplamalarına göre Stein 2051B 5000 ışık yılı uzaklıktaki bir yıldızın önünden geçecek ve ışığını 2 mili yay saniyesi kadar bükecekti. Daha anlaşılabilir bir ifadeyle böyle bir bükülmeyi görmek demek, bir çeyreklik bozuk paranın yüzünde yürüyen karıncayı 2500 km mesafeden izlemeye benzemektedir.

“Bir yıldız için en önemli tek şey kütlesidir. Kütlesini bilirsek onun yarıçapı ne olacak, ne kadar parlaklığa sahip olacak, ne kadar yaşayacak ve öldüğünde ne olacağını bilebiliyoruz. Her şey yıldızın kütlesine bağlı.”

Takım Hubble’a sekiz gözlem zamanı verdiler, olayın öncesini, olay anını ve sonrasını kapsayan gözlemler 2014 Mart ayında gerçekleşti. Ve gerçekten de beyaz cüce uzak arka plan yıldızlarının önünden geçerken bükülmeyi gözlemlediler.

Bu çalışma astronomi açısından iki adet ilki temsil ediyor. Birincisi, ilk defa Güneş haricinde başka bir yıldız ile genel görelilikten kaynaklanan bükülme gözlendi. Ve ikincisi, Sahu’nun basın konferansında da açıkladığı üzere, Stein 2051B’nin kütlesinin ölçülmesi, kütle – yarıçap bağıntısının ilk net testi oldu.

Chandrasekhar Limiti

Beyaz cüceler için kütle – yarıçap ilişkisi Chandrasekhar denen bir limiti göstermektedir. Eğer bir beyaz cüce (çift bileşeninden çalarak) üzerinde bu limiti aşacak kadar kütle biriktirirse süpernova olarak patlar, ki bu çok uzak mesafelerden gözlenebilir ve astronomlar tarafından çok uzak mesafelerin doğru şekilde ölçülebilmesine olanak sağlar. Fakat eğer bu bağıntı mevcut anlayışımızdan farklı olsaydı, beyaz cüce süpernovalarına dayanan uzaklık ölçümlerimizi etkileyecekti.

Başka üç beyaz cücenin kütlesi de astronomlar tarafından ölçüldü. Sayı az gelebilir ve gerçekten de az. Dahası, kuzey yarım kürenin en parlak yıldızının yoldaşı olan Sirius B de dahil olmak üzere bu beyaz cücelerin kütlelerinin ölçümü, çift yıldız sistemleri içerisinde oldukları gerçeği ile gerçekleştirilmiştir. İki yıldız birbiri etrafında dolandığında astronomlar yıldızların hareket verilerini kullanabilirler ve beyaz cüce olmayan bileşenin tahmini kütlesinden beyaz cüce bileşenin kütlesini hesaplayabilirler. Ancak bu yöntem yıldızlar arasındaki kütle aktarımı denen olaydan etkilenebilir ki bu da ölçülen kütle – yarıçap ilişkisini bozabilir.

Stein 2051B’nin bir yoldaş bileşeni olmasına rağmen aralarındaki mesafe oldukça uzak olduğundan (55 AB yani yaklaşık 8 milyar km) herhangi bir kütle aktarımı söz konusu değil.

Ulaşılan Şey Ne?

Nihai sonuç? Kütle – yarıçap ilişkisi grafiğinde aralarındaki bağıntıyı gösteren siyah çizgi, Sahu’nun açıklaması, “Sonucu bu kütle – yarıçap ilişkisinde yerine yerleştirdik… bu siyah eğrinin üzerine denk gelmesi gerekiyordu ve tam da üzerine denk geldi. Ve tam olarak olması gerektiği yerde olduğunu gördüğümde neredeyse sandalyemden düşüyordum.”

Stein 2051B Güneşimizin yaklaşık %68 kütlesine sahip ve yaklaşık 2.7 milyar yıl yaşında. Tam da bilim insanlarının Güneş benzeri bir yıldız kalıntısı çekirdeğinden beklediği gibi helyum ve karbondan oluşmakta. Stein 2051B’nin kütle – yarıçap ilişkisinden gelen çıkarımlara mükemmel bir şekilde uyması beyaz cüceler hakkındaki mevcut teorilerimizi doğruluyor ve bu cisimleri meydana getiren maddenin fiziğini doğru anladığımızı gösteriyor. Sahu, “Bu uzun süredir kullandığımız varsayımların gerçekten bir doğrulaması,” diyor.

Ve Stein 2051B’nin başarısı sadece bir başlangıç. Sahu’nun ekibi bundan sonra Proxima Centauri’yi kullanarak bu ölçümü yapmaya çalışacaklar ancak Sahu bu yöntemin beyaz cüceler, kara delikler ve yalıtılmış dev yıldızların kütlelerinin ölçülmesinde de işe yarayabileceğinin altını çiziyor.

“Bir yıldız için tek ve en önemli şey onun kütlesidir. Kütlesini bilirsek onun yarıçapı ne olacak, ne kadar parlaklığa sahip olacak, ne kadar yaşayacak ve öldüğünde ne olacağını bilebiliyoruz. Her şey yıldızın kütlesine bağlı,” diyor. “Ancak modelden bağımsız bir şekilde kütle belirlemede çok iyi olduğumuz söylenemez… Yani bu bize en azında modelden tamamen bağımsız bir şekilde yıldız kütlesinin hesaplanması için alternatif bir yol sağlıyor.

Artık bu yöntem kullanılarak diğer cisimlerin kütleleri daha kolay ölçülebilir, astronomlar parmaklarının ucunda, daha önceden yıldızdan gelen ışığın şeklinin ölçülmesi veya çift sisteminin öz hareketinin ölçülmesi gibi dolaylı yollardan elde edilmiş verilerin detaylarını çıkarabilecekleri yeni ve güçlü bir araca sahipler. Kütlenin elde edilmesindeki bu yeni, “temiz” yol, özellikle James Webb Uzay Teleskobu’nun önümüzdeki yıl göreve başlamasıyla astronomların birçok alanda ölçüm yapabilme kabiliyetlerini artıracak.