Evrende, yıldızların iç kısımlarını doğrudan gözleyebilmekten daha zor bir iş yoktur. Fakat astrosismoloji (ya da yıldız sismolojisi) yardımıyla, zonklayan yıldızların salınımlarını kullanarak onların iç yapılarını incelemek mümkün olmaktadır. Birçok kişi için bir yıldızın zonklaması kavramı tuhaf gelebilir, fakat bu son derece doğal bir durumdur.
Gerçekte, astrosismoloji için kullanılan temel ilkeler, yeryüzünde sismologlar (deprem bilimciler) tarafından geliştirilenlere çok benzerdir. Yıldızların iç yapılarının salınımlarına bakılarak belirlenebilmesi, farklı salınım modlarının yıldızın içinde farklı derinliklerle ilgili olmasıyla alakalıdır. Bir zonklayan yıldızda gözlenen salınımlar ayrıntılı olarak incelenir ve bu yolla yıldızın içi hakkında bilgi elde edilir.
Yapılan gözlemlerle bir nabıza benzetilebilecek farklı modlarda atmalar ayırt edilebilir. Temel olarak depremlerde olduğu gibi, akustik modları (p) ve çekim modları (g) gözlenir. Yüksek frekanslı olan akustik modlarda basınç baskındır. Düşük frekanslı olan çekim modlarında ise kaldırma ya da yüzme baskın olur.
Yıldızların içini doğrudan gözlemleme şansımız ne yazık ki yoktur. Hatta bugünkü teknoloji ile örneğin, Güneş’in iç yapısını incelemek amacıyla bir uzay aracı göndersek bile, Güneş’in içine girdiğinde yüksek sıcaklık nedeniyle kısa sürede tümüyle bozulmaya uğrayarak yok olacaktır. Bu bir sorun olmasaydı bile, Güneş dışındaki yıldızlar daha önceki yazılarımızda da belirttiğimiz gibi o kadar uzakta bulunurlar ki bu yolla onları incelemeye çalışmak olanaksız olacaktır. Yıldızlarla ilgili neredeyse tüm bildiklerimiz, onlardan gelen ışığa dayanmaktadır. Astrosismoloji için de bu ışığı kullanmaktan başka seçeneğimiz bulunmamaktadır.
Zonklayan Yıldızların Mekanizması
Yıldızların zonklaması, temel olarak kappa mekanizması adıyla bilinen bir mekanizmayla açıklanmaktadır (bkz. Kappa mekanizması nedir). Normal koşullarda yıldızlar, merkezlerinde çekirdek birleşmesiyle ürettikleri yüksek miktardaki enerjiyi üst katmanlara iletirler ve bu enerji yüzeyden uzaya salınır. Bu yüksek miktardaki enerji akışı, yıldızın daha üst katmanlarını iter ve bu yıldızın hacmen genişlemesine neden olur. Bu enerjiye karşı koyan yalnızca yıldız maddesinin kendi çekimidir. Bir yandan yıldız şişmeye çabalarken (gaz basıncının da etkisiyle), diğer yandan çekim onu büzmeye çalışır. Bu iki kuvvet birbirini dengeler ve sonuçta yıldızlar normal koşullarda dengede olan, sabit enerji akışı gösteren ve yarıçapı da belli bir değerde olan gök cisimleri olarak uzun süre kararlı bir biçimde yaşamlarını sürdürürler (bkz. Hidrostatik denge).
Normal bir yıldızda atmosferdeki basınç artarsa sıcaklık ve basınç da artar. Böylece yıldız maddesi daha geçirgen hale gelir ve yıldız enerjisini çok daha kolay ve hızlı kaybeder. Böylece sıcaklık ve basınç dengesi kurulmuş olur. Geçirgenliğin azalması, opaklığın artması olarak tanımlanır. Eğer opaklık sıcaklıkla artarsa, atmosfer zonklamaya karşı kararsız hale gelir. Yıldız maddesi aşağıya doğru inerse, daha yoğun ve opak hale gelir. Bu yüzden de akmakta olan ısıyı tutar. Bu ısı tutulması basıncı arttırır ve madde yukarıya doğru hareket eder. Bu işlem böylece art arda yinelenir. Buna bağlı olarak yıldızın zonkladığını görürüz (bir şişer bir büzüşür). Zonklama ile ilgili ortamdaki fiziksel süreçler çok iyi bilindiğinden, bu durum bize yıldızın iç yapısı ile ilgili önemli bilgiler verir. Bu tür zonklama hareketi gösteren yıldızlara, zonklayan yıldızlar denilmektedir.
Yıldız fiziği ile ilgili bilgilerimizin önemli ölçüde belirsizlikleri olması yüzünden, buna bağlı olarak elde ettiğimiz sonuçlar da duyarlı değildir. Örneğin yaşlı yıldızların yaşlarının belirlenmesi ya da galaksilerin kimyasal evrimi, galaksi dışı ölçeklerdeki uzaklıkların doğru belirlenmesi gibi konular, doğrudan yıldız gözlemlerine dayanır.
Astrosismoloji üzerine yapılan çalışmalar, yıldız iç yapısı ile ilgili ayrıntılı bilgi sağlayarak bu belirsizlikleri önemli ölçüde azaltmaktadır. Örneğin, ESA’nın çok önemli misyonlarından biri olan Gaia, yıldızların konumları ve uzaydaki hızlarını bu güne dek ulaşamadığımız bir duyarlılıkla ölçebilmiştir. Yıldızların kütle ve yaşlarına ilişkin temel belirlemelerimiz, galaksiyi oluşturan farklı bölümlerin oluşum ve gelişimine ilişkin belirlemelerimizde yine de sınırlama getirecek. Oysa ki astrosismoloji, bu bilgileri çok duyarlı biçimde elde etmemizi sağlayarak bu sınırlamaları ortadan kaldırmaktadır. Ötegezegen çalışmalarıyla ilgili olarak astrosismoloji, Güneş’in değişimlerini inceleme yoluyla yıldız döngülerini izlemek ve gezegenlerin yaşanabilirliği ile ilgili önemli bilgiler verebilmektedir.
Astrosismoloji – Uydu Gözlemleri
NASA’nın Kepler ve Fransa’nın liderliğindeki CoRoT uydusu ile çok duyarlı gözlemler elde edilebilmiş, özellikle Güneş benzeri salınımlar gösteren yıldızlarla ilgili büyük atılımlar yapılmıştır. Bu uydularla gece ve gündüz ayrımı olmaksızın, kesintisiz ve uzun süreli gözlemlerle, zonklayan binlerce yıldızın çok kullanışlı astrosismik veri setleri elde edilerek çözümlenmiştir. Bunların bazıları ise çift yıldızların üyesi olan zonklayan yıldızlara ilişkindir. Bu verilerin çözümlenmesiyle, astrosismoloji yardımıyla, yıldızlara ilişkin çok daha duyarlı ve önemli sonuçlar elde edilebilmiştir. Bu tür yıldızlarla ilgili yer tabanlı, daha küçük teleskoplarla da birçok gözlemevinde çalışmalar yapılmaktadır.
Güneş türü ve kırmızı dev yıldızlar, Güneş benzeri salınım ve atmalarla ilgili zengin bir tayf vermektedir. Bu salınım ve atmalar, bu yıldızların konvektif dış katmanlarında ortaya çıkan dalgalanmalar tarafından yönetilmektedir. Konvektif dış katman, çaydanlıkta kaynayan suya benzetilebilir. Bir çaydanlıkta ocak tarafından alttan ısıtılan su hafifleyerek üste çıkmakta, buna bağlı olarak üstte soğumuş ve ağırlaşmış su ise tabana çökmektedir. Böylece çaydanlıktaki su, aşağıdan yukarı ve yukarıdan aşağıya doğru bir döngü göstermektedir. Bu tip yıldızların dış katmanlarında bu döngü, çok daha büyük ölçekli olarak gerçekleşir. Güneş benzeri yıldızlarda salınımlar baskın olarak akustiktir. Evrimin sonraki aşaması olan alt dev ya da kırmızı dev evresindeki yıldızlarda ise çekim modları daha baskındır ve buna bağlı olarak iç katmanlarla ilgili bilgi elde edilir.
Kepler uydusu ile elde edilmiş olan çok uzun zaman aralığına sahip kesintisiz veri sayesinde, bu tür yıldızların iç yapıları çok daha duyarlı biçimde çözümlenebildiği için, özellikle evrimleri ve yaşları ile ilgili çok duyarlı hesaplamalar yapılabilmektedir. Kepler’le gezegene sahip olduğu düşünülen ve Güneş benzeri salınım gösteren 1000’den fazla yıldız gözlenmiştir. Bu bilgiler, özellikle gezegenler ve onların çekimle bağlı olduğu yıldızlar hakkında önemli bilgiler vermektedir. Birkaç yüz Güneş benzeri yıldız ve 10.000’den fazla kırmızı yıldızın gözlemleri ise bu tür yıldızların karakteristik bilgilerinin çok daha iyileştirilmesine ve onların daha iyi anlaşılmasına ışık tutmuştur.
Standart yıldız modelleri pek çok kaba varsayıma dayandırılarak ortaya konmuştur. Enerjinin yıldız içinde yayılımı, konvektif madde fırlatmaları, dönmenin etkileri gibi kavramlar genellikle çok iyi ele alınamamaktadır. Bu parametreler duyarlı değilse, bunlardan elde edilecek sonuçlar da yeterince duyarlı olmayacaktır. Yıldızlardaki salınımlarla ilgili gözlemler, yıldız içlerinin ayrıntılı fiziksel çözümlemesine doğrudan katkı sağladığından, bu konuda duyarlılığın artmasını sağlama yönünde yararı olmaktadır.
Hazırlayan: Prof. Dr. Varol Keskin
Editör: Ögetay Kayalı
Referanslar
1. Spaceinn, “Asteroseismology”, <https://www.spaceinn.eu/project/science/asteroseismology/>
Bu yazı ilk olarak 3 Mart 2016 tarihinde yayınlanmıştır. Zamana dayalı bilgilerin güncelliğinin kontrol edilmesi önerilir.
