42 ışık yılı uzunluğundaki X-ışını kuyruğu, öksüz gama ışınlarının adresini buldu

Önce terimler: pulsar, pulsar rüzgârı, gama ışını

Pulsar, ömrünü tamamlayıp çöken büyük bir yıldızdan geriye kalan nötron yıldızıdır. Güneş'ten daha ağır bir kütle, bir şehir büyüklüğündeki küreye sıkışmıştır; bu küre saniyede birçok kez döner ve deniz feneri gibi dar bir ışın demeti savurur. Demet Dünya'ya her süpürdüğünde bir "tik" alırız.

Dönen bu mıknatıs, dönme enerjisini yavaş yavaş kaybeder. Kaybettiği enerji, yüklü parçacıklardan oluşan bir akıntı olarak dışarı savrulur: pulsar rüzgârı. Rüzgâr çevredeki yıldızlararası gazla çarpıştığında frenlenir ve orada parçacıklar ışık hızına çok yakın enerjilere çıkarılır. Bu parlayan kabarcığa pulsar rüzgârı bulutsusu denir; Yengeç Bulutsusu'nun içindeki parlak çekirdek en tanınmış örneğidir.

Pulsar doğduğu sırada aldığı tekmeyle uzayda hızla yol alıyorsa ve bu hız ortamdaki ses hızını aşıyorsa, rüzgâr önde sıkışır, arkada ise kuyruklu yıldıza benzer bir iz bırakır. Buna yay şoku pulsar rüzgârı bulutsusu adı veriliyor. Gitar Bulutsusu ve Fener Bulutsusu, bu sınıfın kitaplara girmiş örnekleri.

Gama ışını ise ışığın en yüksek enerjili biçimi. Görünür ışık bir fotonda birkaç elektronvolt taşırken, LHAASO'nun avladığı fotonlar trilyonlarca elektronvolt taşıyor. Bu fotonlar atmosfere girdiğinde bir parçacık sağanağı doğuruyor; gözlemevi, yerdeki dedektör tarlasıyla o sağanağı sayarak asıl fotonun enerjisini ve geldiği yönü geri hesaplıyor.

XMM-Newton'un gördüğü kuyruk kısaydı

Çalışmanın merkezindeki pulsar, PSR J1740+1000. Orta yaşlı sayılıyor: karakteristik yaşı yaklaşık 114 bin yıl. Saniyede 2,3×10³⁵ erg'lik dönme enerjisi kaybediyor ve Samanyolu'nun düzleminden epey yukarıda, galaktik enlem 19,8 derecede duruyor. Bu yükseklik bir şans: bakış hattında onu boğacak yıldız kalabalığı yok.

Avrupa Uzay Ajansı'nın XMM-Newton uydusu, yaklaşık 450 bin saniyelik derin pozlamayla bu pulsardan güneybatıya uzanan bir X-ışını kuyruğu göstermişti. Ama o kuyruk kısaydı: ince, iplik benzeri bir yapı halinde 8 açı dakikası kadar, yani 3,3 parsek. LHAASO'nun gama kaynağı ise bundan çok daha ötedeydi. Aradaki kayma, bağlantı kurmayı zorlaştırıyordu.

Einstein Probe'un avantajı: geniş göz, sessiz dedektör

Einstein Probe, Çin Bilimler Akademisi'nin uzay bilimi programı kapsamında, Avrupa Uzay Ajansı ve Almanya'daki Max Planck Dünya Dışı Fizik Enstitüsü'nün katkılarıyla yapılmış bir X-ışını uydusu. Üzerindeki Takip X-ışını Teleskobu (FXT), yaklaşık 1 derecelik geniş bir alanı aynı anda görüyor ve alet kaynaklı gürültüsü olağanüstü düşük. Sönük ve yayılmış ışımayı aramak için tam gereken iki özellik.

Ekip, bölgeye yaklaşık 71 bin saniyelik bir pozlama yaptı, görüntüdeki nokta kaynakları tek tek çıkardı, arka planı çıkardı ve kalanı yumuşattı. Geriye kalan şey şuydu: kuyruk, XMM-Newton'un durduğu yerde bitmiyordu. Pulsardan güneybatıya doğru 32 açı dakikası boyunca sürüyordu. 1,4 kiloparseklik uzaklıkta bu, yaklaşık 13 parsek — 42 ışık yılı. Yaklaşık 6 açı dakikası genişliğindeki bu şerit, galaktik boylam yönüne birkaç derece içinde hizalanmış durumda.

Ölçülebildiği kadarıyla bu, bugüne dek bilinen en uzun X-ışını pulsar kuyruğu; önceki rekortmen PSR J1509−5850'nin 7 parseklik kuyruğuydu.

İki resim üst üste oturdu

Asıl sonuç, güncellenmiş LHAASO verisiyle geldi. Gama ışını kaynağı, önceden sanıldığı gibi nokta biçiminde değildi; elips gibi uzamıştı. Uzun ekseni, yarı-büyük eksende 0,36 derece olacak şekilde ölçüldü ve yönelimi Einstein Probe'un bulduğu X-ışını kuyruğuyla örtüştü.

Ekip bununla yetinmedi. X-ışını parlaklığının pulsardan uzaklaştıkça nasıl azaldığını ölçtüler ve gama ışını parlaklığının da aynı eğriyi izlediğini gördüler: yüzey parlaklığı, uzaklığın yaklaşık 0,55 üssüyle ters orantılı sönüyordu. Parçacık dağılımının düzgün olduğu, yani kuyruk boyunca her yerde aynı yoğunlukta elektron bulunduğu senaryo 4,3 sigmayla elendi.

İki bandın tayfı da tek bir açıklamaya uydu: aynı elektron topluluğu, manyetik alanda kıvrılırken X-ışınlarını (sinkrotron ışıması), yoldaki düşük enerjili fotonlara çarpıp onları yukarı tekmelerken de gama ışınlarını (ters Compton saçılması) üretiyor. Bu uyum, modelden manyetik alanın gücünü de söktü: yaklaşık 3,0 mikrogauss, yani tipik yıldızlararası manyetik alanla aynı mertebede.

Neden önemli: parçacıklar çıkar çıkmaz dağılmıyor

Ders kitabı resmi şöyledir: yüksek enerjili parçacıklar hızlandırıcıdan çıkar çıkmaz yıldızlararası ortama her yöne eşit biçimde yayılır, yani izotropik olarak dağılır. Bu çalışma tam tersini gösteriyor. 100 teraelektronvoltun üzerindeki elektron ve pozitronlar bulutsudan kaçıyor, ama sonra rastgele saçılmak yerine en az 10 parsek boyunca tercih ettikleri tek bir yönde ilerliyor.

Yazarlar bunun iki olası mekanizmasını sunuyor ve ikisini birbirinden ayıracak veriye henüz sahip olmadıklarını söylüyor:

• Anizotropik yayılma: Parçacıklar arka plandaki düzenli manyetik alan çizgileri boyunca kılavuzlanıyor. Bunun işlemesi için manyetik alan doğrultusundaki yayılma katsayısının çok büyük olması gerekiyor — yıldızlararası ortamda 100 TeV'lik parçacıklar için kabul edilen standart değerden yaklaşık iki büyüklük mertebesi düşük, ama pulsar halelerinde ölçülene yakın.
• Sürükleyici akış: Elektronlar, yay şokunun arkasındaki akıntıyla birlikte taşınıyor. Bu senaryoda akışın ortalama hızının saniyede 2.700 kilometre dolayında olması gerekiyor.

Dikkat çekici olan şu: ikinci sayı, pulsarın kendi uzaydaki hızından çok daha büyük. PSR J1740+1000'in öz hareketi saniyede 400 kilometreyi geçmiyor. Yani kuyruk, pulsarın arkasında bıraktığı basit bir iz değil; hızlandırıcının fırlattığı, yıldızın kendisinden çok daha hızlı bir akıntının ürünü.

Her iki senaryo da ortak bir noktada buluşuyor: manyetik alana dik yönde taşınma bastırılmış durumda. Bu da alanın kuyruk boyunca son derece düzenli olduğu anlamına geliyor.

"Öksüz" gama kaynakları için ne ifade ediyor

LHAASO ve benzeri gözlemevleri, yakınında makul bir kaynak görünmeyen çok yüksek enerjili gama ışını lekeleri bulduğunda ne yapılacağı tartışmalıydı. Bir seçenek, o lekenin yakındaki pulsarla ilgisinin olmadığını, eşleştirmenin yanlış olduğunu varsaymaktı.

Bu çalışma üçüncü bir ihtimali somutlaştırıyor: kayma gerçek olabilir, çünkü gördüğümüz şey hızlandırıcının kendisi değil, parçacıkların hızlandırıldıktan sonra izlediği yol. Yazarlar, LHAASO'nun daha önce bildirdiği ve "fıstık biçimli" diye anılan LHAASO J0216+4239 ile J0207+4300 çiftini de benzer bir durum olarak anıyor. Eğer kuralsa, gama ışını haritalarındaki kimliksiz lekelerin bir kısmı öksüz değil; yalnızca adreslerinden birkaç on ışık yılı uzaklaşmış olabilirler.

Sayılarla

Tablodaki değerler, LHAASO işbirliğinin Science China: Physics, Mechanics & Astronomy dergisinde kabul edilen makalesinden alınmıştır.

Sırada ne var

Yazarların kendi koyduğu sınır açık: iki taşıma mekanizmasını ayırt etmek için kuyruk boyunca hem parlaklık hem de tayf sertliğinin nasıl değiştiğini şimdikinden çok daha hassas ölçmek gerekiyor. Şu an her üç bölgede de foton indeksi 1 sigma içinde aynı çıkıyor; yani kuyruk boyunca tayfın sertleşip yumuşamasına dair ayırt edici bir işaret henüz yok. Parçacık yeniden hızlandırma ihtimali de zayıflatıldı, ama tamamen dışlanmış değil.

İtalya Ulusal Astrofizik Enstitüsü'nden Gabriele Ponti ve meslektaşları çalışmaya eşlik eden bir yorum kaleme aldı. Makalenin teşekkür bölümünde ekip, Ponti ile X-ışını gökyüzü arka planı üzerine yaptıkları tartışmaya ayrıca atıf yapıyor — yani bu sonucun en hassas noktası, sönük yayılmış ışımayı gerçekten arka plandan ayırabilmiş olmak.

Asıl merak edilen soru ise şu: 42 ışık yılı bir üst sınır mı, yoksa sadece bugünkü aletlerin görebildiği kadarı mı? Kuyruk, Einstein Probe'un onu ayırt edebildiği yerde bitiyor; daha ötesinde ışıma arka plandan ayrılamıyor. Yani parçacıkların yolculuğunun nerede bittiğini henüz kimse bilmiyor.

Fotoğraf: NASA/ESA Hubble ACS; Shami Chatterjee et al., Roger Romani et al. & Melina Thévenot, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons