Yüksek Enerji AstrofiziğiTıkız Nesnelerin Astrofiziği

K. Yavuz Ekşi

Optik Astronomi

• Gözümüz elektromanyetik spektrumun dar bir aralığına duyarlıdır.

• Optik astronomi bu dar aralıktan evrene bakar.

• Neden binlerce yıl optik banda kısıtlandık ki?

• Güneş tarafından yayılan enerjinin spektral dağılımı 5800 K sıcaklığındaki bir karacisim ışımasına uyar.

• Küçük farklılığın tek sebebi fotosferin termal dengede olmamasıdır.

• Küçük dalgaboylarındaki “omuz”un nedeni çok yüksek sıcaklıktaki Güneş tacı (korona) tarafından yayımlanan X-ışınlarıdır.

• Yayılan enerjinin %80’i gözün görebildiği dalga boylarında.

• Doğal seçilim ile adaptasyonun bir örneği.

Optik Band’ın Ötesi

• 1950’lerden sonra radyo astronomisi (başlı başına bir hikaye)

• 1960’larda X-ışını astronomisi ortaya çıktı.

• Hiç beklenmeyen gelişmelere yol açtı.

• X-ışını pulsarları, radyo pulsarları, kuvazarlar, mikrokuvazarlar…

X-ışınları Atmosferi Geçemez• Atmosfer

elektromanyetik spektrumu süzer.

• Yalnızca optik ve radyo bandında yerden gözlem mümkün.

• X-ışını detektörleri atmosferin dışına yerleştirilmeli

• Chandra, XMM-Newton, Rosat, Uhuru, Integral vs gibi pek çok X-ışını astronomisi amaçlı uydu var.

Yıldızların Yaydığı X-Işınları

• Güneş gibi yıldızlar çok az X-ışını yayar.

• 1960’lardaki detektör teknolojisi ile Güneş dışındaki yıldızların X-ışınlarını ölçmek mümkün değildi.

Bize en yakın yıldız olan Proxima Centauri’nin X-ışını görüntüsü. (CHANDRA)

Riccardo Giacconi

• Gene de Giacconi ve grubu 1962’de roket yollayarak X-ışını astrofiziğini başlattı.

• Sco-X1: Güneş sistemi dışında ilk X-ışını kaynağı.

• 2002 Nobel ödülü

Sco X-1

• Yaydığı enerji Güneş’in yaydığı enerjinin milyon katı kadar.

• Optikte bakıldığında ise hiçbir ilginçlik yok!

• Sıradan bir yıldız olamaz.

In every square degree of the sky, there are about one hundred stars visually brighter than Sco X-1. But in X-rays, it dominates the sky. Most imaging X-ray instruments do not look at Sco X-1, as it degrades detectors due to its X-ray brightness.

Çift Yıldızlar

• Ortak bir kütle etrafında dönmekte olan iki yıldız.

• Tüm yıldızların yaklaşık yarısı bir çift yıldız sisteminin parçasıdır.

• Üçlü sistemler de vardır (çok nadir).

http://en.wikipedia.org/wiki/Binary_star

İkili Yıldız Sisteminde Eşpotansiyel Yüzeyler

Lagrange noktasında potansiyelin gradyeni sıfır. Yani o noktadaki bir parçacığa kuvvet etkimiyor. Yıldızlara göre hareketsiz.

http://en.wikipedia.org/wiki/Roche_lobe

Roche Potansiyeli

Lagrange Noktaları

• Lagrange noktasındaki bir parçacık yıldızlara göre hareketsiz olacaktır.

• İki kütlenin uyguladığı kuvvet onlarla birlikte dönmek için gerekli merkezcil kuvveti sağlar.

http://en.wikipedia.org/wiki/Lagrangian_point

Roche Lobe

• Roche lobe 8 biçimli eşpotansiyel yüzey.

• Bir yıldızın etrafındaki bir test parçacığının yıldıza bağlı kalacağı en geniş yörünge.

• Bir yıldız Roche Lobe’undan daha fazla genişlerse lobe dışında kalan madde diğer yıldız tarafında çekilecektir.

Roche Lobe Taşması

• Bir yıldız evrimi sırasında şişerek Roche Lobe’unu doldurursa taşma sözkonusu olur.

• Madde L1 Lagrange noktasından diğer yıldıza doğru gider.

• Diğer yıldız tıkız bir nesneyse onu tutturması zor.

• Açısal momentumu olduğundan nesnenin üzerine doğrudan düşmek yerine bir disk oluşturur.

Roche Lobe Taşması

Kütle Aktarım Diski

• Düşen madde tıkız nesneyi ıskalar ve disk oluşturmak üzere diffüze olur.

Neden X-ışını Çıkar

• Nötron yıldızı üzerine kütle düşüyor.• Düşen kütlenin gravitasyonel enerjisi

ışımaya dönüşüyor.

Nötron yıldızı için

Nükleer tepkimeler için verimlilik binde 7.

Durgun kütlenin %20 verimle ışımaya dönüşüyor!

X-ışını Çiftleri

• Eşlikçi yıldızın beyaz cüce, nötron yıldızı veya kara delik (tıkız nesne) olduğu ikili yıldız sistemleri.

• Eşlikçi yıldızdan tıkız nesne üzerine kütle aktarımı olursa X-ışınları üretilir.

• Kütle aktarımı yapan nesne beyaz cüce is sisteme kataklismik değişken adı verilir. Bu sistemler daha çok UV’de yayın yapar.

Cygnus X-1

GRS 1915+105

GRO J1655-40

Cen X-3

X-Ray Pulsar

Accretion Disk=Kütle Aktarım Diski

• Diskin kendi yaşamı var.• Kendi ışıma gücü var ve çok parlak.• Diskin luminositesi akışkanın iç

sürtünmesinden kanaklanıyor.• Gravitasyonel enerjiyi bu

sürtünmeler ışımaya dönüştürüyor.

Accretion Disk

2/1

3

r

GM=

Yıldız yapısı: Hidrostatik Denge

Her yarıçapta Pgrav=Pthermal

Üstteki kütle arttıkça sıcaklık artmalı ki basınç dengesi devam edebilsin.

Merkeze gittikçe sıcaklık artar.

• Nükleon başına bağlanma enerjisi (MeV) atomik kütle biriminin fonksiyon olarak.

Yıldızların yaşamı

Beyaz Cüceler

• Güneş sistemi civarındaki yıldızların kütlesel olarak %15’i beyaz cüce formundadır.

Beyaz Cüceler

• M4 yıldız kümesindeki beyaz cüceler.

• Güneş kütlesinde Dünya hacminde.

Dejenere Madde

• Beyaz cüceleri gravitasyonel çökmeye karşı elektron dejenerasyon basıncı korur.

Süpernova 87A

Crab Nebulası

Patlama 1054’te Çin’li astronomlarca kayda geçirildi.

Merkezinde bir radyo pulsarı var.

Radyo Pulsarları 1967’de keşfedildi

Nötron Yıldızları

Nötron yıldızı 10 km yarıçapında. Nötronların dejenerasyon basıncı ile gravitasyonel çökmeye karşı durur.

Süpernova• Süpernova patlamasında fırlatılan madde

yıldızlararası ortamdaki seyreltik gazı sıkıştırır. Bu sıkışma X-ışını yayımına yol açar.

• Yeni doğmuş nötron yıldızı da çok sıcaktır ve X-ışını yayar.

Cas A SNR

Cassiopeia A Supernova remnant as seen in X-rays. The low, medium, and higher X-ray energies of the Chandra data are shown as red, green, and blue(Image courtesy CHANDRA)

Cassiopeia A Supernova remnant as seen in visible light. (Image courtesy CHANDRA)

Crab SNR• Crab

Supernova remnant - three colour image with X-ray in blue, optical in green, and radio in red. (Image courtesy CHANDRA)

Crab Nebula

http://www.spacephysics.eu/html/Binary%20Pulsars.htm

Pulsar Çiftleri

Uzay-zamanın Titreşimleri: Gravitasyonel Dalgalar

Genel göreceliğin yörünge küçülmesi ile öngörüsününPSR 1913+16 çifti için gözlemlekarşılaştırılması.Hulse & Taylor 1974

1993 Nobel ödülü

Lattimer & Prakash

Lattimer & Prakash

Compact Object Observed Masses

BHC=BH candidates

Thermonuclear Burst

X-ray bursts from EXO 2030+375 as seen withEXOSAT.Interpretation: Thermonuclear explosions on NSsurface.

GRB distribution on the sky for bursts observed with BATSE

Schematic representations of the different stages in the evolution of a GRB.

Links

• http://www.oulu.fi/astronomy/astrophysics/pr/head.html• http://spiff.rit.edu/classes/phys240/lectures/future/future.html• http://cns.uni.edu/~morgan/astro/course/Notes/section2/xraybin.html• http://www.shokabo.co.jp/sp_e/optical/labo/opt_cont/opt_cont.htm• http://www-xray.ast.cam.ac.uk/xray_introduction/Blackholebinary.html