Kütle Aktarımı Yapan Pulsarlarda Torkun Gözlemsel Olarak Kısıtlanması

Abstract

X-ışını pulsarları ikili yıldız sisteminde yer alan ve eşlikçisinden kütle aktarımı yapmakta olan nötron yıldızlarıdır. Bu nesnelerin Güneş’in milyon katına ulaşan ışıma gücünün kaynağı nötron yıldızı üzerine düşen maddenin gravitasyonel potansiyel enerjisidir. Kompakt objeler üzerine diskten madde aktarımı astrofizikte çokça yer alan ve 1970’lerden beri üzerine çalışılan bir konudur. Eşlikçi yıldız büyük kütleli ise yıldız rüzgarları ile kaybettiği madde nötron yıldızı tarafından yakalanarak kütle aktarımı gerçekleşir. Eşlikçi yıldızın küçük kütleli olması durumunda ise rüzgar önemsizdir. Bu durumda kütle aktarımı Roche lob taşması ile gerçekleşir. Bu mekanizmada eşlikçi yıldız ya ¸şişerek ya da yıldız çiftinin birbirine yaklaşması sonucu kendi Roche lobunu doldurur. Taşan madde yıldız çiftinin birinci Lagrange noktasından nötron yıldızının lobuna aktarılır. Gelen madde açısal momentuma sahip olduğundan nötron yıldızı üzerine doğrudan düşemez; nötron yıldızı etrafında bir disk oluşturur. Madde aktarımı bu diskten nötron yıldızının manyetosferine oradan da manyetik kutuplarına maddenin kanallanması yoluyla gerçekleşir. X-ışını pulsarlarının 1971’de Giacconi ve arkadaşları tarafından keşfiyle beraber başlayan süreçte, bu nesnelerin periyot evrimleri yıllar boyunca gözlemlenmiştir. Bazı X-ışını pulsarlarının periyotlarının azalması aktarılan maddenin açısal momentumunu da yıldıza aktarmasının bir sonucu olarak anlaşılmıştır. Eğer nötron yıldızı çok hızlı dönüyor ise diskten gelen madde merkezkaç bariyeri nedeniyle nötron yıldızı üzerine düşemez, pervane mekanizması ile sistemden atılması söz konusu olabilir. Bu durumda disk-manyetosfer etkileşimi yıldıza yavaşlatıcı bir tork uygulayacaktır. Ancak pervane mekanizmasında yıldız üzerine madde aktarımı gerçekleşmediğinden X-ışını parlaklığı azdır. Nötron yıldızının manyetosferi ve etrafındaki disk arasındaki etkileşimini ele alan ilk görüşler diskin sıcak, iyonize bir gazdan oluştuğundan yola çıkarak bu maddenin elektriksel iletkenliğinin yüksek olacağını ve diyamanyetik özellikler göstereceğini, yani manyetik alanı dışlayacağını öne sürmüşlerdir. Elbette diskin manyetosferi tam olarak dışlaması durumunda madde manyetosfere tırmanıp nötron yıldızı üzerine de düşemeyeceğinden X-ışını pulsarı oluşamayacaktır. Bu nedenle bu görüşü ortaya koyanlar X-ışını pulsarlarının gözlenmekte oluşunu da açıklayabilmek için diskin en iç noktasında manyetik alanın diske nüfuz edebildiğini varsaymışlardır. Ancak bu modele göre nötron yıldızına yavaşlatıcı tork etkiyorsa sistem pervane aşamasına geçmiş olmalı, X-ışını parlaklığı keskin biçimde düşmelidir. Yavaşlamakta olan X-ışını pulsarlarının varlığını ve hızlanmadan yavaşlamaya geçerken X-ışını parlaklığında önemli bir değişiklik göstermeyen X-ışını pulsarlarının keşfedilmesini diyamagnetik disk modeli ile açıklamak imkansızdır. Bu gözlemleri açıklamak için Ghosh ve Lamb 1979’da “manyetik olarak nüfuz edilmiş disk” modelini öne sürdüler. Bu modele göre kimi akışkan kararsızlıkları ve diskin zaten türbülanslı oluşu manyetik alanın diske nüfuz etmesini olanaklı kılacaktır. Yıldız ve diski birbirine bağlayan manyetik alan çizgileri açısal momentumun iletimini sağlamaktadır. Bu modele göre disk içine giren manyetik alanı beraberinde çekmekte ve böylece disk içerisinde torodial bir manyetik alan oluşturmaktadır. Korotasyon yarıçapı ötesinde bulunan manyetik alan çizgileri yıldızı yavaşlatırken, bu yarıçapın içinde bulunan manyetik alan çizgileri ise yıldızı hızlandırmaktadır. X-ışını pulsarı üzerine etki eden net tork kütle aktarımının sonucu olan hızlandırıcı maddesel tork ile hızlandırıcı ve yavaşlatıcı bileşenlere sahip manyetik torkun toplamı olacaktır. Daha sonra yapılan kuramsal çalışmalar manyetik alanın çok geniş bir bölgede diske nüfuz etmesinin de mümkün olmayacağını ortaya koymuştur. Yıldıza göre oldukça yavaş dönmekte olan diskin dış kısımları, eğer alan bu bölgede diske nüfuz edebilseydi, öylesine büyük toroidal alanların üretilmesine yol açardı ki bu manyetik alanın basıncı o bölgede diskin dağılmasına yol açardı. Bu noktada ya alan çizgileri bu bölgelerde diske girmeyecek, girdiyse açılacak veya diskin alt ve üst düzlemindeki alanlar birbiriyle birleşerek yok olacaktır. Toroidal alanı kısıtlayan mekanizmanın hangisi olduğu anlaşılamamıştır. Ancak bu yıldız üzerine etkiyen torku belirleyen önemli bir parametredir. Yıldızın uzun süreli spin evriminin anlaşılabilmesi bakımından yıldız üzerine etkiyen torkun yıldızın dönme hızına nasıl bir bağımlılığı olduğu önemlidir. Bu tez çalışması, yıldız üzerine etkiyen tork ve yıldızın dönme hızı arasındaki ilişkinin madde aktarımı yapan bir X-ışını pulsarının gözlemsel verileri ile belirlenmesini konu almaktadır. Tezin ilk bölümünde, yıldızın manyetik alanı ve yıldızı çevreleyen disk arasındaki etkileşimin mekanizması MTD modeli bağlamında açıklanmış ve genel denklemler verilmiştir. İkinci bölümde, yıldız üzerine etkiyen torkun yıldızın dönme hızına bağımlılığını açıklamak amacıyla geliştirilen metot açıklanmıştır. Metot, madde aktarımı yapan yıldızın kütlesi ve uzaklığı gibi belirsizliklere sahip olan tüm parametreleri sadeleştirecek ¸şekilde geliştirilmiştir. Üçüncü bölümde, tork-dönme hızı ilişkisini belirlemek için kullanılan kaynağın verileri analiz edilmiş ve metodun uygulaması gerçekleştirilmiştir. Çoğu yaşlı sistemler olan küçük kütleli X-ışını çiftleri, spin değişiminin gözlenmesini güçleştiren düşük manyetik alanlara sahiptir. Öte yandan genç ve yüksek manyetik alanlı nötron yıldızı içeren büyük kütleli X-ışını çiftleri ölçülen luminositeyi ve torku etkileyen yıldız rüzgarlarına sahip olduğundan dönme hızı-tork etkileşimini göstermek için uygun kaynaklar değildir. Dolayısıyla, yüksek bir manyetik alana (yaklaşık 1012 G) sahip olan ve düşük kütleli eşlikçisinden kütle aktarımı yapan 4U 1626-67 pulsarı en uygun kaynak olarak belirlenmiştir. Bu kaynak, Haziran 1990 ve ¸Şubat 2008’de olmak üzere iki defa tork değişimi göstermiştir. 2008 tork değişimi civarında elde edilen periyot, periyot türevi ve akı verileri interpolarasyon ile çoğaltılarak açıklanan metot içinde kullanılmıştır. Tezin dördüncü bölümünde, elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Elde edilen sonuç Ghosh - Lamb modeli ve literatürde yer alan diğer modellerden birkaçıyla karşılaştırılarak grafiğe dökülmüştür. Gözlemsel verilere dayanan modelin literatürde yer alan diğer teorik modellerden oldukça farklı olduğu görülmüştür. Literatür modelleri tork dengesi civarında aşağı bükey bir davranış ön görmektedir. Gözlemsel verilere dayanarak oluşturduğumuz modelde ise, diskin yıldız üzerine uyguladığı tork, tork dengesi civarında dönme hızının küpü olarak belirlenmiştir ve bu model yukarı-bükey davranış göstermektedir. Ayrıca, denge noktasının ötesinde ise, tork-dönme hızı ilişkisinin düzensiz olduğu görülmüştür. Tezin son kısmında, sonuçların astrofiziksel önemi tartışılmıştır.

X-ray pulsars are neutron stars in binary systems accreting from a companion. The source of luminosity of these objects, reaching million solar luminosity, is the gravitational energy of the accreting matter. Accretion onto a compact object is a well known astrophysical process studied since early seventies. If the companion is massive the mass transfer occurs via the capture of the stellar wind by the neutron star. If the companion is of low mass the stellar wind is not significant. In this case mass transfer occurs by the Roche lobe overflow. In this case the companion star fills its Roche lobe either by swelling at an evolutionary stage or as a result of the shrinking binary separation as a consequence of energy loss from the system. The overflowing matter is transferred to the lobe of the neutron star through the first Lagrange point. The inflowing matter, as it carries angular momentum, can not directly hit onto the neutron star; instead it forms a disk. Mass transfer takes place by the matter loading onto the magnetosphere and then onto the polar caps of the neutron star. The interaction between the magnetosphere of a star with a surrounding accretion disk is a common theme in astrophysics. Disk accretion onto magnetic central objects occurs in a variety of astrophysical context involving accretion-powered X-ray pulsars. Numerous theoretical studies have been developed to understand the interaction between accretion disks and the magnetosphere of stars. One of them, proposed by Ghosh and Lamb in 1979 is the magnetically threaded disk (MTD) model which also forms the basis of this work. An important ingredient of the disk-magnetosphere interaction is the torque acting on the star depending on the rotation rate of the star. In this thesis, this relation is determined from observational data of an accreting X-ray pulsar, 4U 1626􀀀67. In the first chapter, disk magnetosphere interaction is summarized with general equations. The method that is used is explained in the second chapter. The method developed so as to eliminate all the parameters having uncertainty like mass of the accreting object and the distance. In the third chapter, observational data of 4U 1626􀀀67 is analyzed. This pulsar has a high magnetic field (approximately 1012 G) and is accreting from a low mass companion. As such it is identified as the most suitable source for determining the torque-rotation rate relation. This source underwent two torque reversals in June 1990 and February 2008. Also, application of the method is given in this chapter. Observational data belong to the 2008 reversal used in method. The results are summarized in the fourth chapter. It’s found that, the torque exerted on the star by the disk depends on the cube of the rotation rate near the torque equilibrium. Away from the equilibrium the torque-rotation rate relation is erratic. Also, a comparison of our model with the some of the existing models are given in this section. In the last part of the thesis, the astrophysical significance of the results are discussed.