gokyuzu.org

Astronomi ve Fizik Alanında Yapılmış En Yaratıcı 5 Deney

Modern evren anlayışımız, yüzyıllar boyunca binlerce yaratıcı ve çalışkan bilim insanı tarafından tasarlanmış ve uygulanmış yüzlerce deney üzerine inşa edilmiştir. Bu deneylerden birkaçının çığır açıcı olmaları ve olayların işleyiş şekilleri hakkındaki görüşümüzü değiştirmeleri nedeniyle ön plana çıkması normal. Fakat hangilerinin evrenin bazı basit gerçeklerini zorla değil de ustalıkla ortaya çıkmasını sağladığını bulmak zor iş.

Ben de bu yazımda sizlere Space.com’un astronomi ve fizik alanında seçtiği en yaratıcı 5 deneyden bahsedeceğim.

İlk ötegezegen

1992 yılında Plüton’un keşfinden 60 yıldan fazla zaman geçmişken astronomlar bizim Güneş sistemimizde olmayan ve başka bir yıldız etrafında dolanan yeni bir gezegen bulmak için can atıyorlardı. Astronomlar, uzak bir yıldızdan gelen ışığı dikkatli bir şekilde inceleyerek herhangi bir gezegenin yörüngesi boyunca ileri ve geri yalpalamasından kaynaklanan, kırmızıya kayma ve maviye kayma adı verilen ışığın dalga boyundaki bariz değişimleri görebileceklerini biliyorlardı.

Ne yazık ki o zamanlar yıldız ışığı hakkında yeterince hassas gözlemlerimiz yoktu. Tek istisna süpernovalardan sonra bazı yıldızlardan arta kalan pulsarlardı. Bu cisimlerin hızla dönen bir nötron yıldızından çıkan radyasyon ışınlarından kaynaklanan ve neredeyse doğal olmayan bir biçimde ortaya çıkan hassas sinyalleri yörüngede dolaşan gezegenlerin kütleçekimsel etkisini tespit etmek için kullanılabilir. Kütle çekim kuvveti pulsar patlamalarının zamanlamasını bilim insanlarının ölçebileceği şekilde değiştirir.

Fakat bir pulsar bir gezegen sistemine nasıl ev sahipliği yapabilirdi? Şüphesiz ki bir yıldızın son günlerindeki şiddeti, çevresinde bulunan herhangi bir yörüngeyi kararsız hale getirecektir. Fakat görünen o ki doğa mantıksal konulara pek önem vermiyor. Örneğin tanımlanan ilk ötegezegen, bir pulsarın (PSR B1257+12) yörüngesi etrafında dönüyordu.

İşte buradaki zekice şey: saptaması zor olan bir şeyi ortaya çıkarmak için doğanın kendisi tarafından üretilen ve garip bir biçimde kesin olan yöntemi kullanmak.

Dünya’nın boyutu

Düşündüğünüzde Dünya’nın yuvarlak olduğunu fark etmek çok fazla zamanınızı almaz. Ayrıca buna kanıt olarak birçok örnek gösterebilirsiniz: denizde gemilerin önce alt taraflarından kaybolmaları, Ay tutulması sırasında Dünya’nın gölgesinin yuvarlak olması, Güney yarım küreden görülen yıldızların Kuzey yarım küreden görülememesi… Eski çağlardaki birçok insan (en azından bu problem hakkında düşünme lüksü olanlar ve buna Yunanlar da dahil) bu gerçeği kabul etmiş görünüyorlardı.

Fakat bu dev küre ne kadar büyüktü?

Bakalım bu konuda Eratosthenes ne diyor? Eratosthenes, MÖ 250 civarında İskenderiye’de yaşayan Yunan bir bilgin. Dünya’nın çevresini şehirden ayrılmasına gerek bile kalmadan çok zekice bir yöntemle hesapladı. Yaz gün dönümü boyunca İskenderiye’de gölge oluştuğunu fakat Mısır’ın güney kısmında yer alan Syene şehrinde (bugünkü Asvan’a yakın bir yerde) gölge oluşmadığını biliyordu.

Eğer Eratosthenes Syene’a olan mesafeyi bilseydi, Dünya tamamen küresel olsaydı, Güneş gerçekten gün dönümü sırasında direk olarak Syene üzerinde olsaydı ve İskenderiye ve Syene kuzey-güney hattı boyunca mükemmel bir şekilde uzansaydı, o zaman İskenderiye’deki gölgelerin uzunluğunu, gün dönümü sırasında iki şehir arasındaki açıyı ve geometri denen bu yeni tekniği kullanarak gezegenin çevresini ölçmek için kullanabilirdi.

Tüm bu koşullar Eratosthenes’in Dünya’nın çevresini yaklaşık 45.000 kilometre (28.000 mil) ölçmesini sağlamış olmalı ki bu değer gerçek değerinden sadece %10 farklı.

Einstein’ın düşünce deneyleri

Bütün deneyler laboratuvarda gerçekleşmez. Bazen de sadece kafanızda hayali bir senaryo kurarsınız, matematiğin sizi sonuca götürmesine izin verirsiniz ve evren hakkında bilgi edinirsiniz. Einstein da bu konuda doğuştan uzmandı.

Einstein’ın deyimiyle onun ilk “gedankenexperiment” (Almanca “düşünce deneyi”) çok genç yaşlarda aklına geldi. Bir ışık demetiyle ışık hızında giden bir bisiklet kullanarak yarışsaydı ne görecekti?

Işık elektromanyetik dalgalardan oluştuğu için, çok hızlı pedal çevirdiğinde bu dalgaları yanında duruyormuş gibi göreceğini düşündü. Fakat elektromanyetik dalgaları hiçbir zaman duruyor olarak göremeyiz. O zaman bunun yerine ışık hızında gitmek imkansızdı. Bu düşünceyi kullanarak ve bir takım matematiksel işlemlerden sonra daha önceden de bildiğiniz gibi özel görelilik kuramını geliştirdi.

Einstein sonraki hayatında da buna benzer bir numara kullandı. Penceresiz bir asansördeyseniz ve biri kabloyu kesip serbest düşüşe geçirdiğinde ne olur? Ölümüne mi düşersiniz yoksa basitçe yer çekimsiz ortamda etrafa tekme mi savurursunuz?

Einstein’ın cevabı şuydu: Aralarındaki farkı söylemek imkânsız. Eylemsiz kütle (bir cismin kendisine etki eden herhangi bir kuvvete verdiği cevap), yer çekimi kütlesiyle aynıdır (bir cismin yer çekimine verdiği tepkinin gücü). Bu basit kavramı ve önemli bir miktarda kütleyi alırsanız ortaya genel görelilik kuramı çıkar.

Millikan’ın yağ damlası deneyi

1909 yılında fizikçiler Robert Millikan ve Harvey Fletcher tarafından gerçekleştirilen bu deney, yaratıcı tasarımı ya da doğayı kendi oyununda alt etme çabaları nedeniyle değil de bunların yerine inşaatının basitliği ve ölçümde yapılan aşırı titizlik nedeniyle o kadar da akıllıca olmadı. Hakkında pek yazı yazılmadığı için de o da bu listede yer alıyor.

O zamanlarda bilim insanları elektrik yükünün var olduğunu biliyorlardı ama hakkında hiçbir şey bilmiyorlardı. Temel yük miktarları var mıydı? Ya da yük miktarı, kütle gibi bir şey miydi? Elektronun yükü neydi?

Millikan ve ortağı, bir haznenin içine elektrikle yüklenmiş yağ damlaları damlatan bir cihaz geliştirdi. Düşen damlalar çok çabucak terminal hızlarına (düşen cisimlerin yer çekiminden dolayı ulaşabilecekleri maksimum hızdır) ulaşırlar. Eğer havanın yoğunluğunu, yağın yoğunluğunu ve yer çekimi ivmesini bilirseniz terminal hızlarını ölçerek yağ damlalarının kütlesini bulabilirsiniz.

Millikan, elektrik alan uygulayarak elektriksel kuvvetle yer çekimi kuvvetinin dengelenmesiyle yağ damlalarını yavaşlatıp havada durdurabilirdi. Böylelikle de her bir damlanın yükünü ölçebilirdi.

Bu ölçümleri birkaç kez tekrarladıktan sonra şu iki sonuca vardı: Tek bir elektronun yükü -1.6×10-19 (bu temel yük) ve tüm yükler bu yük temel alınarak oluşturulmalı (kuarklar ve onların kesirli yükleri hariç ama konumuz bu değil). Bu da demek oluyor ki -1.9×10-19 ve -8.7×10-19 gibi yük değerleri bulamazsınız.

Foucault sarkacı

Nasıl eski çağlarda insanlar daha çok Dünya’nın küreselliği üzerine fikir yürüttüyse 1800’lerin ortalarında da bir şeyler düşünme lüksüne sahip olan insanlar Dünya’nın dönüşü üzerine fikir yürütmüştür. Ama ya bu konu hakkında gerçekten konuşulmamış ya da ne yaptığını bilmeyen insanlar bu konuyla ilgilenmiş.

Fizikçi Léon Foucault bunu değiştirmek istedi ve bunu da başarılı bir şekilde yaptı. Bir sarkaç sallanırken Dünya’nın dönmesine rağmen kendi düzlemini korur. Dünya’nın dönmesine bağlı olarak bizim perspektifimizden yer sabit kalır ve sarkaç gün boyunca yönelimini korur.

1851’de Foucault, Paris’teki Panthéon’da böyle bir sarkaç kurdu. Böylelikle sarkacın yönelimindeki saat yönüne yavaşça olan değişimi (saatte yaklaşık 11,3°) göstererek Dünya’nın döndüğünü ispatladı. Bu medyada büyük olay oldu. Sarkacın tanıtımı bir virüs gibi yayıldı (1800’lerde ne kadar yayılabildiyse o kadar). Çok geçmeden Foucault sarkacı dünya çapındaki bilim sergilerinin temeli oldu.

Heyecan verici! İnsanlar dünyanın dönüşü hakkında konuşuyordu! Ve işte buradaki zekice şey: bilimi erişilebilir hale getirmek ve hakkında konuşulmaya değecek bir şey yapmak.

Kaynakça:

https://www.space.com/36307-5-most-ingenious-experiments.html

Çeviri: Ahmet Arda Pektaş

Nötron Yıldızları ve Atarcalar

Gelin sizinle bu yazımızda yıldız evriminin son halkası olan nötron yıldızları ve onların dönen ikizleri olan atarcalara göz atalım.

Nötron Yıldızlarının Oluşumu:

Nötron yıldızları, Tip-II süpernovaların patlaması sonucu oluşur. Tip-II süpernova patlamaları ana yıldızı yok etse bile merkezinde küçük fakat aşırı yoğun bir kalıntı bırakır.

Tip-II süpernova patlamaları esnasında merkezde elektron ve protonlar yüksek bir hızda çarpışarak nötron ve nötrinoları oluşturur. Nötrinolar merkezi neredeyse ışık hızında terk ederek nötronlardan oluşan merkezi ivmelendirir ve merkezdeki  parçacıklar etkileşim haline geçene  kadar çarpışmayı devam ettirir. Bu noktadan sonra çekirdek büyük bir güçte patlayarak güçlü bir şok dalgası yayar uzaya. Bu şok dalgası tam olarak merkezde olmaz ve bundan dolayı merkezde yoğun bir çekirdek bırakarak yıldızın geri kalanını yok eder. Araştırmacılar merkezde kalan yoğun nötron çekirdeğe nötron yıldızı deseler dahi nükleer reaksiyonları durduğu için teknik olarak yıldız sayılmazlar.

Nötron Yıldızlarının Özellikleri:

Nötron yıldızları çok küçük fakat çok yoğunlardır. Ortalama 20 kilometrelik çaplarıyla küçük bir asteroid ya da bir şehir boyutunda olmalarına rağmen 1017-1018 kg/m3’e ulaşabilen yoğunluklarıyla evrendeki en yoğun maddeler olarak da adlandırılabilirler.

Nötron yıldızları soğuk denebilecek katı bir merkeze sahiptir. Hatta üzerinde durmayı bile hayal edebilirsiniz, tabi aşırı güçlü yerçekimini saymazsak. Çekim etkileri o kadar güçlüdür ki Dünya’da 70 kg gelen bir insan nötron yıldızında 10 trilyon kg gelir. Böyle bir yerçekimi sizi kağıttan bile ince bir hale getirir!

Yukarıdaki özelliklerin yanı sıra yeni oluşan nötron yıldızlarının eşsiz iki özelliği daha vardır. Bunlardan bir tanesi saniyelik periyodlarla çok hızlı bir şekilde dönmeleridir. Bu dönmeye sebep olan şey açısal momentumun korunumu yasasıdır- dönen cisimlerin yarıçapı küçüldükçe daha hızlı dönerler.

İkinci özellikleri ise yeni oluşmuş nötron yıldızlarının çok güçlü manyetik alana sahip olmalarıdır. Öncü yıldızın çökmesiyle çekirdekte sıkışan maddeler aynı zamanda manyetik alan çizgilerini birbirine yaklaştırarak yeni doğan nötron yıldızının Dünya’dan trilyon kat daha fazla manyetik alana sahip olmasına yol açar.

Zaman içinde nötron yıldızının uzaya enerji yaydıkça yavaşlaması ve manyetik alanının azalması beklenirken doğumundan milyonlarca yıl sonra, evrendeki en garip objeyi oluşturur; pulsarları yani atarcaları.

Atarcalar :

Samanyolu Galaksisi’nde  bilinen 1500 atarca vardır. Her atarca kendine özgü periyotta ve uzunlukta ışıma yapar. Bazı durumlarda bu periyodlar milyon yıl içinde bir-iki saniye değişebilir. Şu an yapılabilecek en basit ve en doğru atarca tanımı; Dünya’ya belirli periyodlarda ışıma yapan, dönen nötron yıldızlarıdır. Hatta o kadar hızlı dönerler ki bilinen en hızlı atarca saniyede tamı tamına 716 tur atar! Belirli yönlere anlık radyo dalgası ve X-ışını yayarlar. Bu nedenle gözlemlendikleri zaman tıpkı bir deniz feneri gibi görünürler. Deniz fenerinin ışığı ile yerini belli etmesi gibi bu cisimler de yaydıkları ışınlarla uzayda yerlerini belli ederler. Yani evrenden yayılan radyo dalgalarını dinleyerek bu cisimlerin yerlerini tespit etmek mümkündür.

Atarcalar dönerken merkezdeki parçacıklar ışık hızına yakın bir hızda manyetik kutuplar arasında geçiş yaparlar. Bu parçacıklar aynı zamanda çok güçlü ve parlak bir ışıma gerçekleştirirler. Tıpkı Dünya’da olduğu gibi atarcalarda da manyetik eksen ile dönüş ekseni aynı hizada değildir. Bundan dolayı atarcalar dönerken bu güçlü ışık ışınları, deniz feneri ışığının yaptığı gibi etrafa ışık yayar.

Bazı atarcalar X-ışını yayar. Aslında bu ışık sürekli olarak yayılsa da manyetik kutuplardan çıkan ışınım bizim görüş açımıza girdiği sürece biz atarcaları gözlemleyebiliriz. Yani ışınımın sürekli olmasına rağmen Dünya’dan belirli sürelerde gözlenebildiği için bize periyodik ışınım yapan bir kaynak olarak görünür. Bu da atarcaların deniz feneri gibi ışınım yaptığını düşünmemize yol açar.

Yengeç Nebulası’nda bulunan bir atarca

Atarcaların Keşfi:

İlk atarca keşfi  1967 yılında Cambridge Üniversitesi öğrencisi Jocelyn Bell tarafından gerçekleştirilmiştir. Bell, hızlı ve belirli zaman aralıklarında tekrarlanan ve astrofizikçilere bir o kadar da garip gelen radyo sinyalleri almıştı. Bu düzenli sinyaller o kadar alışılmamıştı ki bir uygarlığa ait olabileceği düşünülmüştü. Bu aralıklar o kadar kesindi ki Dünya’daki tüm atom saatlerinden daha doğru, doğal bir saat gibiydi adeta. Daha sonra yapılan incelemeler sonucunda  bu sinyallerin kaynağının nötron yıldızları olduğu ortaya çıktı.

Tüm atarcalar birer nötron yıldızıdır fakat tersini söylemek bir  nedenden ötürü mümkün değildir; atarcanın iki önemli özelliği-hızlı dönüşü ve güçlü manyetik alanı- nötron yıldızlarında zamanla azalır. Yani dönüş hızı azalırken manyetik alanı da zayıflar. Atarcalar birkaç yolla ışıma yapabilir. Bunlar;

1-X-ışını atarcaları bir nötron yıldızının başka bir gök cismiyle ikili sistem oluşturmasıyla ortaya çıkar. Bu atarcanın çifti, başka bir yıldız, bir gezegen, beyaz cüce hatta başka bir atarca olabilir. Çiftlerden birisi ömrünün sonuna yaklaştığında dış kabuk şişmeye ve bu eşten nötron yıldızına madde akmaya başlar. Madde akışıyla beraber nötron yıldızı kendi etrafında çok hızlı dönmeye başlayarak X-ışını atarcasını oluşturur. Bütün madde atarcaya geçip bittiği zaman atarcanın dönme periyodu artmaya başlar. Enerjisini tüketen atarcanın tamamen durması yani ölmesi milyarlarca yıl sürebilir.

2-Yörüngesel atarcaların ışıma kaynağı ise adından anlaşılacağı üzere kendi etrafında dönerken sağladığı enerjidir. Bu tür atarcalar dönme enerjileri bittiğinde ölürler.

3-Magnetar olarak da adlandırılan diğer bir atarca ise ışınım kaynağı çok güçlü olan atarcalardır. Bir magnetar normal bir nötron yıldızından bin kat güçlü manyetik alana sahiptir. Bu güçlü manyetik alan atarcaya bir direnç oluşturur ve zamanla yavaşlamasına sebep olur. Hızındaki azalmayla beraber manyetik alanı da zayıflar. Manyetik alanın belirli bir seviye altına düşmesiyle ölürler.

Sonuç olarak büyük kütleli yıldızların süpernova patlamaları sonucunda nötron yıldızları oluşur. Nötron yıldızlarının manyetik alan kuvveti ve dönüş hızlarını korumasıyla atarcalar ortaya çıkar. Her atarcanın kendine özgü periyodu bulunur. Işınım kaynakları farklı olsa da genelde x-ışını ve radyo dalgaları yayarlar. Çok hızlı döndükleri için yaydıkları ışın bize periyodik olarak yansır, bu da atarcaların ışınlarını deniz feneri ışığı gibi görmemize yol açar.

Merak edenler için atarca seslerini burada dinlemek mümkün.

Kaynakça:

1-https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/pulsars2.html

2-Astronomy Today, Sixth Edition

Yazan: Deniz Gamze Sanal