Evrendeki Karbonun Kaynağı Nedir?

Karbon yaşayan organizmaların kimyası için hayli önemli bir element ve yeryüzünde bolca bulunmasa da diğer elementlerle oluşturduğu bileşikler doğanın her alanına yayılmış durumda. Örneğin su çıkarıldıktan sonra insan vücudunun yaklaşık % 60’ını karbon-12 oluşturuyor.

Sahip oldukları hidrojenin çoğunun helyuma dönüşmesi sonucu ömürlerinin sonuna gelen yıldızların merkezleri içe doğru çökerken sıcaklıkları ve yoğunlukları artmaya başlar. Yıldızların merkezindeki sıcaklık 15 milyon kelvini aştığında, iki helyum çekirdeği (⁴He²⁺ yani α parçacığı) içerdikleri pozitif yüklü protonlar nedeniyle oluşan elektriksel itme kuvvetini yenmelerine yetecek enerjiye ulaşır. Bu helyum çekirdekleri uygun bir enerji ile çarpıştıklarında birleşerek berilyum çekirdeği (⁸Be) oluşturur. Ancak son derece kararsız olan berilyum çekirdeğinin yarı ömrü 10^-17 saniyedir ve bozunduğunda tekrar iki helyum çekirdeğine dönüşür. Var oldukları bu kısa sürede berilyum çekirdekleri başka bir helyum çekirdeğiyle çarpıştığında, uyarılmış bir karbon-12 atomu oluşabilir. Üçlü alfa süreci adı verilen bu tepkime, yıldızın merkezinin sıcaklığı 100 milyon kelvini aştığında gerçekleşmeye başlar.

Karbon-12’nin yıldızlardaki oluşum sürecini açıklamak amacıyla üç helyum çekirdeğinin eşzamanlı olarak birbirleriyle çarpışıp yıldızın merkezinde doğrudan oluştuğunu öne süren bazı kuramlar ortaya atılmış olsa da, bu mekanizmalar evrendeki karbon miktarını açıklamak için yeterli değil. 1952’de ABD’li araştırmacılar Öpik ve Salpeter, karbon-12’nin oluşumunu açıklayan iki basamaklı bir mekanizma öne sürdü. Bu mekanizmanın birinci basamağında iki helyum çekirdeği berilyum çekirdeğini oluşturmak üzere çarpışıyor, ikinci basamağında ise berilyum çekirdeği başka bir helyum çekirdeği ile çarpışarak karbon çekirdeğini oluşturuyor. Ancak berilyum-helyum çarpışmasında maksimum etkileşme, karbon-12’nin temel haline karşılık gelen enerji seviyesinde gerçekleşmiyor. Bu nedenle evrende gözlenen karbon-12 miktarını açıklamak için farklı bir mekanizma önerilmesi gerekiyordu.

İngiliz astronom Fred Hoyle berilyum-helyum çekirdeklerinin birbirlerini en fazla karbon-12’nin uyarılmış bir haline karşılık gelen enerjide “gördüğünü” öneren bir kuram ortaya attı. Helyum-berilyum çarpışmasında etkileşme ihtimalleri enerjiye bağlı. Karbon-12’nin uyarılmış halinin enerjisinde,  berilyum-helyum çarpışması ihtimali maksimum oluyor. Tabii bunu belirleyen de temel kuvvetler. Burada ilginç olan nokta şu: Bu çarpışma ihtimali başka bir enerjide maksimum değer alsaydı karbon-12 oluşamazdı. Çarpışma ihtimalinin maksimum olduğu karbon-12’nin yüksek enerjili bu haline “Hoyle durumu” adı verilir. Hoyle durumundaki karbon-12 çekirdeği kararsızdır ve gama ışıması yaparak kararlı bir çekirdek olan temel haldeki karbon-12 çekirdeğine dönüşür. Evgeny Epelbaum ve arkadaşları Physical Review Letters dergisinde yayımlanan çalışmalarında Hoyle durumunun varlığını kuramsal olarak ispatladı.