Evrensel Dil: Atomik Tayf

ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

İnsanlar binlerce yıldır evreni gözlemliyor ve yapısını anlamaya çalışıyor. Gökbilimle ilgilenen bilginler ilk başlarda gözlemlerini çıplak gözle yapıyordu. Daha sonraları teleskop gibi farklı cihazlar ve yöntemler kullanılmaya başlandı. Gökbilimciler tarafından gökcisimlerinin yapısını anlamak için yaygın olarak kullanılan yöntemlerden biri de tayfsal analiz tekniği.

Birçok gökcismi farklı dalga boylarında ışık yayar. Gökcisimlerinden gelen ışınlar frekanslarına ya da dalga boylarına göre analiz edilerek o gökcisminin tayfı elde edilir. Gökcisminin tayfı analiz edilerek sıcaklığı, hangi maddelerden oluştuğu, kütlesi, yoğunluğu gibi birçok özelliği hakkında bilgi sahibi olmak mümkün.

Bir gökcisminin tayfının elde edilmesi için tayfçeker adı verilen özel cihazlar kullanılıyor. Bu cihazlarda bulunan optik düzenekler sayesinde teleskoba ulaşan ışık demetleri frekanslarına göre ayrılıyor. Yani tayfçekerler teleskop yardımı ile toplanan ışığı bileşenlerine ayırıyor. Elde edilen farklı frekanslardaki ışık analiz edilerek gökcismi hakkında önemli bilgiler elde edilebiliyor. Bugün farklı türdeki yıldızların birçoğu bu yöntem ile keşfedildi.

Bir gökcisminin örneğin bir yıldızın tayfı kendisine ait parmak izi gibidir. Örneğin gökcisminden gelen ve tayf olarak kaydedilen ışık, çok uzaktan gelmesine rağmen, gökcisminin atmosferinde yer alan elementler hakkında bilgi verir.

Yıldızların merkezlerinin sıcaklığı çok yüksektir. Dünya'da laboratuvar ortamında ulaşılamayacak derecede yüksek sıcaklık ve basınç değerlerine sahip bu ortamlardaki elementler hakkında bilgi edinmek sadece astrofizikçiler için değil kimya, biyoloji, malzeme bilimi, mühendislik gibi başka birçok alanda çalışan araştırmacılar için de hayli önemlidir.

Tayflar, sadece gökcisimlerinin kimyasal yapısı hakkında bilgi vermez. Aynı zamanda içinde yaşadığımız Güneş Sistemi, gökadamız ve diğer tüm gökadaların oluştukları ilk dönemlerdeki kimyasal bileşimleri ve zamanla geçirmiş oldukları değişimler hakkında da önemli bilgiler sağlar. Bu anlamda tayf, evrenin yapısını anlama ve değerlendirme sürecinde yararlanılan evrensel bir dil gibidir. Bu fizik dili hem gökadaların kimyasal yapısını hem de evrenin nasıl oluştuğunu açıklamak üzere geliştirilmiş kuramların sınanmasında önemli bilgiler sağlar.

Güneş’in absorpsiyon tayfı

Örneğin evrenin ilk dönemlerinde oluştukları öngörülen parçacıkların varlığı yeryüzünde kurulu parçacık hızlandırıcılar kullanılarak sınanır. Ancak bu hızlandırıcılar elektromanyetik tayfın belirli enerji aralıklarında faaliyet gösterdiklerinden kısıtlı bilgi sağlayabiliyor. Bir yıldız tayfında ise elektromanyetik tayfın hemen her frekans bölgesine ait bir “iz” bulmak mümkün. Bu alanda çalışan astrofizikçiler (yıldız tayfbilimcileri olarak isimlendirilir) ise bu izleri mevcut fiziksel kuramlar ışığında değerlendirir. Yani taybilimcilerin, gözleyebildiğimiz evrenin farklı frekanslarda anlatmış olduğu hikâyeleri” anlamak için bu dili etkin bir şekilde kullanması gerekir.

Çarpışan Nötron Yıldızı Çiftinden Gelen Yeni Bilgiler

Yakın zamanlarda Avrupa Güney Gözlemevi’nde (ESO) kurulu Çok Büyük Teleskop’ta (VLT) bulunan X-shooter tayfçekeri yardımıyla elde edilen tayfları analiz eden araştırmacılar, yeni oluşmuş ağır bir elementi ilk kez gözlemsel olarak tespit etti. Bu element, atom numarası 38 olan ve periyodik tabloda toprak alkali metaller gurubunda yer alan stronsiyum (Sr). Ağır elementlerin nötron yıldızı çarpışması sonucu oluşabildiğini gösteren bu gözlem, evrende kimyasal elementlerin nasıl oluştuğu bulmacasının kayıp parçalarından biriydi.

Stronsiyum yeryüzünde kayaçların yapısında doğal olarak bulunur. Aynı zamanda havai fişeklerdeki parlak kırmızı rengi verir. Stronsiyum ile genç ve yaşlı yıldızların tayflarında da sıklıkla karşılaşılır.

Demirden daha hafif elementler yıldızların çekirdeğinde oluşur. Demirden daha ağır elementlerin oluşması için atom çekirdeklerinin yeterince hızlı bir şekilde nötron yakalaması gerekir. Bu süreç hızlı nötron yakalama olarak adlandırılır. Hızlı nötron yakalama sürecinin gerçekleşmesi için çok sayıda nötron içeren çok sıcak ortamlara ihtiyaç vardır. Neredeyse tamamen nötronlardan oluşan nötron yıldızları, hızlı nötron yakalama sürecinin gerçekleşme olasılığı yüksek olan ortamlardan biridir. Demirden daha ağır olan yani kütle numarası demirden büyük olan stronsiyumun oluşması için hızlı nötron yakalama sürecinin gerçekleşmesi gerekir.

17 Ağustos 2017’de ABD’deki LIGO ve İtalya’daki Virgo dedektörleri kütleçekimsel dalga sinyalleri tespit etmişti. Gözlemler kütleçekimsel dalgaların kaynağının, iki nötron yıldızının çarpışması olduğunu gösterdi. Bu nötron yıldızı çarpışması olayı GW170817 olarak isimlendirildi.

Ortak kütle merkezi etrafında dolanan iki gökcisminin çevrelerinde oluşturdukları kütleçekimsel dalgaların temsilî gösterimi. Nötron yıldızı çarpışması, kütleçekimsel dalgaların yayılabileceği önemli kaynaklardan biridir.

Evrendeki demirden daha ağır elementlerin nötron yıldızı çarpışması sonucu oluşabildiği düşünüldüğünde bilim insanları bu ağır elementlere ait izlere, nötron yıldızı çarpışması sonrasında rastlayabileceklerini düşündü ve nötron yıldızı çarpışmasından sonra oluşan ve kilonova olarak isimlendirilen patlamaları tespit etmeye çalıştılar.

Kilonova patlamasından sonra farklı dalga boylarında ışınlar yayılıyor. X-shooter tayfçekeri morötesinden yakın kızılötesi bölgeye görece geniş bir dalga boyu aralığında tayf alınmasına imkân sağlıyor. Çarpışma sonrası gerçekleşen kilonova patlamasının ardından X-shooter tayfçekeri yardımıyla alınan tayf analizinde stronsiyum elementi tespit edildi.

Özetle, tayfın evrende anlatacağı hikâyelerin sayısı her geçen gün artıyor.

Kaynaklar:

• Watson, D. ve ark., “Identification of strontium in the merger of two neutron stars.” Nature, Cilt 574, s. 497–500, 2019.
• https://www.eso.org/public/news/eso1917/?lang
• https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817
• https://imagine.gsfc.nasa.gov/features/yba/M31_velocity/spectrum/spectra_info.html