Karbon Uzayda Nasıl Oluşur?

Dünya’daki yaşamın temelinde karbon vardır. İnsanların ve diğer canlıların yapısındaki organik moleküllerin iskeletini karbon atomları oluşturur.

Bugün fizikçiler arasındaki yaygın kanı, evrendeki karbonun büyük oranda yıldızların merkezinde meydana gelen çekirdek tepkimeleriyle oluştuğudur. Bu süreç özetle şu şekilde gerçekleşir: Her biri iki proton ve iki nötrondan oluşan üç alfa parçacığı (helyum atomu çekirdeği) bir araya gelerek kaynaşır ve ortaya altı proton ve altı nötrondan oluşan karbon atomu çekirdekleri çıkar. Bu süreç çok nadir gerçekleşir. Çünkü ilk olarak üç alfa parçacığının bir araya gelerek kaynaşması ihtimali düşüktür. İkincisi, üç alfa parçacığı kaynaşsa bile ortaya çıkan yüksek enerjili karbon çekirdekleri kararsızdır. Büyük çoğunluğu kısa süre içinde yeniden parçalanır, sadece gama ışıması yaparak enerji kaybeden çekirdekler kararlı karbon atomlarına dönüşmeyi başarır. Tahminlere göre üçlü alfa süreciyle oluşan her 10.000 karbon atomu çekirdeğinin sadece dördü kararlı karbon atomlarına dönüşür.

Alfa parçacıklarının kaynaması sonucunda önce karbon sonra da oksijen atomu oluşuyor. 

Evrende karbonun oluşumuyla ilgili öne sürülen bir hipotez, nötronların süreci daha verimli hâle getirdiğini söylüyor. İddiaya göre bu yüksüz parçacıklar kolaylıkla kaynaşmış alfa parçacıklarının içine giriyor ve fazla enerjinin bir kısmını ortamdan uzaklaştırarak kararlı karbon atomlarının oluşmasına katkıda bulunuyor. Kuramsal hesaplar da bu hipotezi destekliyor. Tahminlere göre nötronlar üçlü alfa sürecinin verimini en azından 100 katına çıkarabilir. Bugün bu hipotezin ne ölçüde doğru olduğu hâlâ bilinmiyor. Çünkü süreci laboratuvar ortamında gerçekleştirerek nötronların enerjisini ölçmek çok zor.

Deneyler sırasında incelenen süreç (solda) ve nötronlar yardımıyla gerçekleştiği düşünülen karbonun oluşum süreci (sağda)

Ohio Üniversitesinde çalışan bir grup araştırmacı, yakın zamanlarda karbonun oluşum sürecinde nötronların rolünü daha iyi anlamak için deneysel çalışmalara başladı. Araştırmacılar, ufak bir parçacık hızlandırıcıyla yaptıkları deneylerde karbonun oluşum sürecinin kendisini değil tersini gerçeğe dönüştürüyorlar. Önce karbondioksit gazı nötronlarla bombardımana tutuluyor. Daha sonra da ortaya çıkan alfa parçacıklarının enerjisi ve hareket yönleri belirleniyor. Böylece karbon atomlarının uyarılarak alfa parçacıklarına parçalanmasında nötronların ne ölçüde etkin olduğu belirlenmeye çalışılıyor. Elde edilen sonuçlar dolaylı olarak alfa parçacıklarından karbon atomlarının oluşumu hakkında da fikir veriyor.

İlk deneyler sırasında karbon atomları her saniye 5000 nötron parçacığıyla bombardımana tutulmuş ve her bir milyon nötrondan sadece birinin karbonların alfa parçacıklarına parçalanmasını tetiklediği görülmüş. Şu ana kadar toplanan veriler henüz nötronların evrende karbonun oluşum sürecinde ne derecede etkin olduğunu tespit edebilmek için yeterli değil. Ancak deneyler tamamlandığında hipotezin ne ölçüde doğru olduğu belirlenmiş olacak.

Eğer nötronların karbonun oluşum sürecini daha verimli hâle getirdiği doğruysa, bu durum sadece yıldızların merkezinde meydana gelen çekirdek tepkimeleri sonucunda değil, yıldız patlamaları ve çarpışmaları sırasında da önemli miktarda karbonun oluştuğu anlamına gelecektir. Çünkü yıldız patlamaları ve çarpışmaları gerçekleşirken ortamda bol miktarda nötron bulunur. Ancak bu durum yine de bugün evrende bulunan karbonun önemli bir kısmının yıldız patlamaları ya da çarpışmaları sırasında üretildiği anlamına gelmeyebilir. Çünkü yıldız patlamaları ve çarpışmaları sırasında ortaya çıkan karbon, büyük olasılıkla, daha ağır elementlerin sentezlenmesi sırasında harcanacaktır.

Kaynak:

• Xin, Ling, “Carbon Conundurum: Experiment Aims to Re-create Synthesis of Key Element”, Scientific American, 19 Mart 2020.