Amsterdam, Princeton ve Oxford üniversitelerinden bir araya gelen bir fizikçi ekibi, aksiyon olarak bilinen son derece hafif parçacıkların nötron yıldızlarının çevresinde büyük bulutlar halinde oluşabileceğini gösterdi. Bu aksiyonlar, kozmologların çözmekte zorlandığı karanlık maddeye dair bir açıklama sunabilir ve üstelik, gözlemlenmeleri de beklenenden daha kolay olabilir.
Yeni çalışma, 17 Ekim 2024’te Physical Review X dergisinde yayımlandı. Makale, aksiyonların ve nötron yıldızlarının incelenmesiyle ilgili, ancak tamamen yeni bir perspektiften önceki araştırmaların devamı niteliğinde. Araştırmacılar, önceki çalışmalarında nötron yıldızından kaçan aksiyonları incelemişken, bu kez yıldızın kütleçekimi tarafından yakalanan aksiyonlara odaklanıyorlar. Zamanla bu parçacıklar, nötron yıldızının çevresinde ince bir bulut oluşturuyor ve bu aksiyon bulutlarının teleskoplarımızla tespit edilebileceği öne sürülüyor.
Peki gökbilimciler ve fizikçiler, uzak yıldızların etrafındaki bu puslu bulutlarla neden bu kadar ilgileniyor?
Sabundan karanlık maddeye
Protonlar, nötronlar, elektronlar, fotonlar… Bu küçük parçacıklardan en az birkaçının adını çoğumuz duymuşuzdur. Ancak aksiyonlar, daha az bilinen bir parçacık türüdür ve bunun önemli bir nedeni vardır: Aksiyonlar, şu an için sadece varsayımsal parçacıklardır ve henüz kimse tarafından tespit edilememiştir. İlginç bir şekilde, ismini bir sabun markasından alan bu parçacığın varlığı ilk kez 1970’lerde, nötronun yapısıyla ilgili bir problemi çözmek için öne sürülmüştür. Eğer aksiyonlar gerçekten var olsaydı, son derece hafif olacaklarından dolayı deneylerde veya gözlemlerde tespit edilmeleri oldukça zor olurdu.
Günümüzde aksiyonlar, çağdaş fiziğin en büyük gizemlerinden biri olan karanlık maddeyi açıklamak için en güçlü adaylardan biri olarak görülmektedir. Çeşitli kanıtlar, evrendeki maddenin yaklaşık %85’inin “karanlık” olduğunu, yani bildiğimiz ve gözlemleyebildiğimiz madde türlerinden oluşmadığını göstermektedir. Karanlık maddenin varlığı, doğrudan değil, yalnızca görünür madde üzerindeki kütleçekimsel etkiler yoluyla anlaşılabilmektedir. Ancak, bu durum karanlık maddenin görünür maddeyle hiçbir şekilde etkileşime girmediği anlamına gelmez; böyle bir etkileşim varsa bile oldukça zayıf olmalıdır. İsminden de anlaşılacağı üzere, herhangi bir karanlık madde adayını doğrudan tespit etmek son derece zordur.
Fizikçiler, aksiyonun karanlık madde sorununu çözmek için ideal bir aday olabileceğini düşünmekteler. Henüz keşfedilmemiş olan bu parçacık, son derece hafif ve diğer parçacıklarla çok zayıf bir etkileşime sahip. Aksiyonlar, karanlık maddeyi açıklamanın bir yolunu sunabilir mi?
Büyüteç olarak nötron yıldızları
Aksiyonların karanlık madde parçacığı olarak önerilmesi etkileyici bir fikirdir, ancak fizikte bir fikir ancak gözlemlenebilir sonuçlar doğuruyorsa gerçekten değerlidir. Peki, aksiyonların varlığı ilk kez öne sürüldüğünden elli yıl sonra, onları gözlemlemenin bir yolu var mı?
Aksiyonların elektrik ve manyetik alanlara maruz kaldıklarında fotonlara (ışık parçacıkları) dönüşebileceği ve bunun tersinin de mümkün olabileceği düşünülmektedir. Işığı gözlemlemeyi biliyoruz, ancak bu etkileşimin gücünün çok zayıf olduğu ve dolayısıyla üretilen ışık miktarının da son derece az olacağı tahmin ediliyor. Bu, aksiyonların büyük miktarlarda olduğu ve çok güçlü elektromanyetik alanlara maruz kaldıkları ortamlarda bile geçerlidir.
Bu durum, araştırmacıları evrendeki en yoğun yıldızlardan biri olan nötron yıldızlarına yönlendirmiştir. Nötron yıldızları, Güneş’in kütlesine sahip ancak sadece 12 ila 15 kilometrelik bir alana sıkıştırılmış yıldızlardır. Böylesine yoğun nesneler, Dünya’da karşılaştığımızdan milyarlarca kat güçlü manyetik alanlarla aşırı koşullar yaratır. Son araştırmalar, eğer aksiyonlar mevcutsa, bu dev manyetik alanların nötron yıldızlarının yüzeyine yakın bölgelerde aksiyonları toplu halde üretebileceğini göstermiştir.
Geride kalanlar
Araştırmacılar, önceki çalışmalarında, üretildikten sonra yıldızdan kaçan aksiyonlara odaklanmışlardı. Bu çalışmalar, aksiyonların ne kadar üretileceğini, hangi yörüngeleri izleyeceklerini ve ışığa dönüşmelerinin zayıf ama gözlemlenebilir bir sinyale nasıl yol açabileceğini hesaplamıştı. Bu kez ise, nötron yıldızının devasa kütleçekimine kapılarak kaçamayan aksiyonları inceliyorlar.
Aksiyonlar zayıf etkileşimlere sahip olduklarından, bu parçacıklar yıldızın çevresinde kalır ve milyonlarca yıl süren zaman dilimlerinde birikerek, nötron yıldızlarının çevresinde yoğun aksiyon bulutları oluşturabilirler. Bu durum, aksiyonları araştırmak için yeni ve heyecan verici fırsatlar sunar. Araştırmacılar, bu aksiyon bulutlarının nasıl oluştuğunu, özelliklerini ve evrim süreçlerini inceleyerek, bu bulutların var olması gerektiğini ve pek çok durumda gerçekten var olduklarını öne sürüyorlar.
Araştırmacılar, eğer aksiyonlar gerçekten mevcutsa, bu bulutların yaygın olması gerektiğini (farklı aksiyon özellikleri için nötron yıldızlarının çoğunun, hatta tamamının çevresinde oluşmaları gerektiğini), genellikle çok yoğun olmaları gerektiğini (yerel karanlık madde yoğunluklarından yaklaşık yirmi kat daha yoğun olmaları gerektiğini) ve bu nedenle güçlü gözlemsel izler bırakmaları gerektiğini savunuyorlar.
Bu izler çeşitli şekillerde olabilir ve araştırmacılar makalede iki tanesine odaklanıyor: Nötron yıldızının ömrü boyunca yayılan sürekli bir sinyal ve nötron yıldızının yaşamının sonunda, elektromanyetik radyasyonun durduğu anda meydana gelen tek seferlik bir ışık patlaması. Her iki imza da gözlemlenebilir ve mevcut radyo teleskopları kullanılarak aksiyonlar ile fotonlar arasındaki etkileşimlerin mevcut sınırların ötesinde incelenmesi için kullanılabilir.
Sırada ne var?
Şu ana kadar hiçbir aksiyon bulutu gözlemlenmemiş olsa da, elde edilen yeni sonuçlar sayesinde neye odaklanmamız gerektiğini artık çok daha iyi biliyoruz. Bu da aksiyonların kapsamlı bir şekilde araştırılmasını çok daha uygulanabilir hale getiriyor. Bu nedenle, yapılacaklar listesindeki en önemli adım “aksiyon bulutlarını aramak” olsa da, bu çalışma aynı zamanda keşfedilmeyi bekleyen birkaç yeni teorik yol da sunuyor.
Örneğin, araştırmacılardan biri şimdiden aksiyon bulutlarının nötron yıldızlarının dinamiklerini nasıl etkileyebileceğini inceleyen bir takip çalışması üzerinde çalışıyor. Gelecekteki bir diğer önemli araştırma yönü ise aksiyon bulutlarının sayısal modellemesi olacaktır. Mevcut çalışma büyük keşif potansiyeli taşıyor, ancak daha kesin hedefler belirlemek için daha fazla sayısal modelleme yapılması gerekiyor. Son olarak, mevcut sonuçlar yalnızca tekil nötron yıldızları için geçerli, ancak nötron yıldızlarının çoğu çift sistemlerde yer alıyor (bazen başka bir nötron yıldızı, bazen de bir kara delikle birlikte). Bu tür çift sistemlerdeki aksiyon bulutlarının fiziğini ve olası gözlemsel izlerini anlamak da büyük önem taşıyacak.
Sonuç olarak, bu çalışma aksiyon bulutlarına yönelik araştırmalarda önemli bir adım teşkil ediyor. Aksiyon bulutlarını tam anlamıyla inceleyebilmek için parçacık astrofiziği, plazma fiziği ve gözlemsel radyo astronomisi gibi birçok bilim dalının işbirliğine ihtiyaç duyulacak. Bu çalışma, disiplinler arası pek çok fırsat sunan yeni ve heyecan verici bir araştırma alanını açıyor.
Kaynaklar ve İleri Okuma
- Universiteit van Amsterdam. Neutron stars may be shrouded in axions. (18 Ekim 2024). Alındığı Tarih: 19 Ekim 2024. Alındığı Yer: Science Daily | Arşiv Bağlantısı
- D. Noordhuis, et al. Axion Clouds around Neutron Stars. (17 Ekim 2024). Alındığı Tarih: 19 Ekim 2024. Alındığı Yer: Physical Review X | Arşiv Bağlantısı
