Nötron Yıldızı Nasıl Oluşur?

Nötron Yıldızı Nasıl Oluşur? Sorusuna cevap verebilmek için, önce yıldızların ne olduğunu ve nasıl oluştuklarını iyi bilmemiz gerekir. Bunun için (Yıldızlar Nasıl Oluşur?) başlıklı yazımızı okuyabilirsiniz. Gelin şimdi hep beraber yıldız türlerinden en ilginci olan nötron yıldızına biraz daha yakından bakalım.

Albert Einstein, 1926 yılının Aralık ayında, Niels Bohr’a yazdığı bir mektupta, daha sonraları pek de çok anlaşılmadan tartışmalara konu olan şu cümleyi yazar: “Her şeyi göz önünde bulundurduğumuzda, O’nun zar atmayacağına ikna olmuş durumdayım.” Tüm tartışmalar ve yorumlar bir kenara, eğer Tanrı tarafından bir zar atılacak olsaydı, bu zar bir süpernovanın merkezinde dövülür ve kararlı yapıya sahip bilinen en aşırı gök cismi olan nötron yıldızından yapılırdı.

Bir adım daha ileriye gidelim. Einstein ve Bohr arasındaki entelektüel tartışmaya konu olan bu hipotetik zarın, küp şeklindeki klasik tavla zarı boyutunda ve şeklinde olduğunu varsayalım. İşte nötron yıldızından bu zarların her her birinin ağırlığı Everest Dağı kadar olurdu.

Eğer daha önce ıslak bir havludaki suyu sıkmak için o havluyu evire çevire sıktıysanız, ve bunun için ne kadar enerji harcandığını biliyorsanız, şimdi bir gözlerinizi kapatın, Everest Dağı’nın bir tavla zarına sığabilmesi bir sindirin.  Bu bilgi bir otursun.

Nötron Yıldızı Oluşturmak İçin Gerekli Malzemeler

1. Gerekli malzemeler: Bir adet yıldız (kırmızı süper dev aşamasına 8 ila 25 güneş kütlesi arasına girebilecek olanlar tercih edilmelidir)
2. Hazırlama süresi: Malzememizin boyutuna göre değişir, ama genelde onlarca milyon yıl
3. Pişirme süresi: Birkaç saniye

Nötron yıldızı oluşturmak için en az 8 Güneş kütlesine sahip bir adet yıldıza ihtiyaç var. Kısaca yaklaşık 3.3 milyon adet dünya… Ancak bu yıldız, 30 güneş kütlesinden da az olması gerekiyor, aksi halde tam bir nötron yıldızı yaratacakken, kara delik yaratırız.

Bu yıldızı bulduk mu? O zaman başka hiçbir şey yapmaya gerek yok, arkanıza yaslanıp, yalnızca on milyonlarca yıl beklemeniz yeterli…

Kısaca nötron yıldızı nasıl oluşur? Bir yıldız ölürken, bir nötron yıldızı doğar. Her yıldız ölümü için bu geçerli değil, yukarıda bahsettiğimiz şartları sağlayanlar için. Yoksa yıldızlar beyaz cüce olarak hayatına devam edebilir, yoksa maazallah bir kara delik olabilirler.

Uzun lafın kısası, kırmızı süper dev yıldızı çekirdeğindeki silisyum füzyonunun da tamamlanmasından sonra, bu noktada artık emir, oldukça kararlı bir element olan demiri kesemez. Sizin anlayacağınız, bu yıldızların kefeni demirdendir… Bu aşamada nükleer füzyon ile yeni enerji üretilmediği için, ve dejenere elektron basıncı (electron degeneracy pressure) (elektronların eksi yüklerinden dolayı, belli bir mesafede durmaya oldukça gıcık olduğu için birbirlerini ittirdiği atom altı basınç kuvveti) da yıldızın çekirdeğini mevcut boyutta tutmaya yeterli olmadığı için kütle çekim kuvveti galip gelir. Yıldızın çekirdeği çöker. 

Kütle çekim kuvvetinin verdiği gazla, ışık hızının ¼’üne ulaşan bir hızda içine çökmekte olan bir yıldız çekirdeğinin çöküşünün durması için tek bir kuvvet kalmıştır: dejenere nötron basıncı (neutron degeneracy pressure).  Bahsettiğimiz boyutlarda objelerin (örneğin Jüpiter’in yörüngesini yutabilecek boyutta bir yıldızın) çekirdeğinin kara deliğe dönüşmemesi için tutunabileceği son halatın, nötron düzeyindeki bir kuvvet olması tam bir hayat dersidir.

Dejenere nötron basıncı ile kırmızı süper dev yıldızın çekirdeğinin çöküşü durdu, ancak hikaye bu kadar değil.  Yıldızın çekirdeği çöküşü aniden emniyet kemeri olan dejenere nötron basıncı ile durduğunda inanılmaz bir enerji açığa çıkar, ve nötron yıldızına dönmekte olan kırmızı süper devin ufalmış çekirdeği hariç tüm kütlesi evrene dağılır, ki bu da süpernova oluyor.

Yıldız Çökmesi Nedir?

Nötron yıldızının oluştuğu ana, yani yukarıda bahsettiğimiz boyutta bir yıldızın çekirdeğinin çöküşüne dönersek: Türkçe’de yıldızın çekirdeğinin çöküşü, veya İngilizce’de core collapse, olarak açıklanan fenomen sırasında “çöker” kelimesi, bilimsel açıdan doğru olsa da, gerçekleşen olayı açıklamak için çok sınırlı bir kelime.

Zira günlük hayattaki bazı kelimeleri bilimsel anlamda kullandığımızda, bu kelimelerle ilişkili zihinsel imgeleri de bir şekilde bu bilimsel terimlere taşıyoruz. Mesela, ‘çöküş’ kelimesini duyunca, kontrollü veya kontrolsüz olarak yavaşça çöken binalar aklımıza gelir. Ancak bir yıldızın çekirdeğinin çökmesi tamamen farklı bir konsepttir. Nötron yıldızının doğumu ile sonuçlanacak bir yıldız çekirdeği çöküşünü hayal etmek için ise şöyle düşünelim: Yüksek kütleli bir yıldız var. Bu yıldızın boyutu Jüpiter’in güneş etrafındaki yörüngesi kadar. Gözünüzü kapatın, açın; yıldız yok.   Tuvaletten çıkarken hani elektriği kapatma düğmesine basıyorsunuz ve tuvalet karanlığa gömülüyor ya, işte o hızda…

Koskoca bir han kapısındaki küçücük bir anahtar deliği olan teleskoplarımızla gözlemlediğimiz kozmik sahnenin en etkileyici sihirbazlık numaralarından biri işte nötron yıldızının doğumu ile sonuçlanan bu çöküştür.

Bu çöküşün yarattığı muazzam kütle çekimi ile oluşan nötron yıldızında, dejenere elektron basıncı mağlup olmuş, elektronlar protonlarla birleşerek nötrleşmiş, ve nötronlardan oluşan bir obje meydana gelmiştir.  Temelde yıldızımız yeterli kütlede olmasaydı (yani yıldızımız çekirdeği Chandrasekhar limitinin altında, 1.44 Güneş kütlesinden az olsaydı), uygulanan kütle çekim, dejenere elektron basıncını mağlup edecek kadar kuvvetli olmayacak, süpernova yaşanmayacaktı. Bu durumda yıldız yine eski şaşalı günlerinden uzakta olsa da bir beyaz cüce olarak hayatına devam edebilecekti. Eğer süpernovanın yaşandığı yıldızın çekirdeği, 3 Güneş kütlesinden fazla olsaydı, dejenere elektron basıncı şöyle dursun, dejenere nötron basıncı da mağlup olacak ve bir kara delik meydana gelecekti. 

En Ünlü Nötron Yıldızı Adayı: Betelgeuse

En ünlü kırmızı süper dev yıldızı Betelgeuse ile karşılaştırdığımızda, güneş ekranlarımızda birkaç piksel. İşte o Betelgeuse görkemli bir süpernova ile patladığında, çekirdeği hariç tüm kütlesini evrene saçacak ve arta kalan nötron yıldızı sadece, ve sadece New York’un Manhattan adasının üzerini kapatabilecek kadar kalacak.

Mevcut tahminlerimize göre, evrende nötron yıldızı yaratmaktan daha verimli bir “zipleme” (sıkıştırma) yöntemi yok. Bir adım ötesinde (kara delikler) verilerin silinip silinmediği, hala meçhul…

Betelgeuse yıldızının, tip II süpernova ile nötron yıldızına nasıl dönüşüyor, onu inceleyelim.

Kısaca yukarıdaki iki sınırın ortasında, çöküş ile birlikte yaşanan süpernovadan sonra, elimizde koskoca güneşimizin kütlesinden daha büyük bir kütleye sahip olmakla birlikte (1.44 Güneş kütlesi), yalnızca 20 kilometre çapında bir gök cismi kalır. Bu objenin tamamı birbirine dirsek temas aralığı hizaya girmiş nötronlardan oluştuğu için, aslında nötron yıldızının tek bir atom olduğunu bile söylenebilir; söyleyenler var – şahidim.

Samanyolu’nda Kaç Tane Nötron Yıldızı Var?

Bir nötron yıldızının oluşumu için çok fazla şartın bir arada gerçekleşmesi (örneğin yıldızın çekirdeğinin 1.44 Güneş kütlesinden büyük olması (ki buna Chandrasekhar limiti denir) ancak 3 Güneş kütlesinden büyük olmaması gerekir) gerekse de, NASA’nın çeşitli yazılarında referans verilen astronomik tahminlere göre kendi kozmik mahallemiz diyebileceğimiz Samanyolu Galaksi’sinde yaklaşık 2.000 adet tespit edilmiş nötron yıldızı bulunuyor.  Bunlar yalnızca tespit edilenler. Astronomlar Samanyolu’nda bir milyarı aşkın nötron yıldızı olduğunu tahmin ediyor.

Kaynakça:

• http://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/notron-yildizi-nedir
• https://www.eso.org/sci/publications/messenger/archive/no.126-dec06/messenger-no126-27-31.pdf
• http://spaces.imperial.edu/russell.lavery/ASTR100/Lectures/topic26-fusions.html
• https://www.nasa.gov/mission_pages/GLAST/science/neutron_stars.html

Nötron Yıldızı Nasıl Oluşur? Galaksimizde Kaç Tane Var? yazısı ilk önce Bilim Gemisi üzerinde ortaya çıktı.

Yıldızların Enerji Kaynağı Nedir?

Yıldızların enerji kaynağı nedir? Kısaca yıldızların enerji kaynağı, nükleer füzyondur. Yıldızlar Nasıl Oluşur? başlıklı yazımızda da belirtmiştik: “ben yıldıza, yıldız demem; nükleer füzyon olmadıkça”… Bir önyıldızın (protostar), yıldız statüsünü kazanması için, çekirdekteki hidrojeni, helyuma dönüştürebilmeye başlaması gerekir.

Yıldızların ölümleri bile genellikle o, ya da bu şekilde, nükleer füzyonun sona ermesi dolayısıyla olur. Nükleer füzyon bir yıldızın kalp atışıdır; o kalp farklı sebeplerle durabilir, ancak kalp durduğunda iş, işten geçmiştir.

Peki, yıldızların (ve, bu sebeple güneşimizin) enerji kaynağı olan bu ‘nükleer füzyon’ nedir? Yıldızların enerji kaynağı olan ‘nükleer füzyonun’ ne olduğu sorusunu cevaplamak için, dünyamızda ve insanlığın enerji üretim süreçlerinde daha yaygın olan bir süreci açıklamak ile başlamak yararlı olabilir: nükleer fisyon.

Nükleer Fisyon Nedir?

Çernobil’i bilirsiniz, hatta belki dizisini bile izlediniz. 1986 yılının Nisan ayında dünyaya korku salan ve şu anda faal olmayan bu nükleer santral ile şu anda 30 farklı ülkede aktif şekilde faaliyet gösteren yaklaşık 450 adet nükleer santralde, nükleer fisyon (nuclear fission) reaksiyonu gerçekleşir. Peki bu Nükleer fisyon nedir?

 Nükleer fisyon temelde, atomun temel parçacıklarından biri olan bir nötronun, Uranyum-235 gibi oldukça ağır ve kararlı olmayan bir element atomunun çekirdeğine çarparak yutulması; bunun sonucunda ise zaten oldukça asabi ve kararlı olmayan bu atomun daha da kararsız hale gelerek daha küçük iki ayrı çekirdeğe bölünmesidir. Çekirdekte oluşan bir tepkime, bir reaksiyondur.  Bir nötron yutulması ile başlayan fisyon tepkimesi sonucunda, büyük miktarda enerji ile birlikte, birden fazla nötron ortaya çıkar. Zincirleme reaksiyon da burada gündeme gelir: serbestçe takılan bu yeni nötronlar, diğer ağır ve kararsız element atomlarına doğru yola çıkarlar, yutulurlar, bu atomların da çekirdekleri parçalanır. Bunu şu anda dünyayı etkisine alan Corona virüs salgınına benzetebiliriz: kontrol altına alınmayan bir nükleer fisyon reaksiyonu, eksponansiyel olarak artış gösterebilir. İşler çok hızlı bir şekilde, çok fena hale gelebilir. Çekirdek tepkimeleri sonucunda açığa çıkan enerjiler, kimyasal tepkimelere göre yaklaşık milyon kat düzeyinde daha fazladır.

Yukarıdaki şekilde, tepkimeye konu olan atomu Uranyum-235, fisyon ürünlerini ise Barium-141 ve Krypton-91 olarak düşünebiliriz.

Şimdi yıldızlara ve nükleer füzyona geri dönelim.

Nükleer Füzyon Nedir?

Nükleer füzyon nedir? Nükleer fisyon ile nükleer füzyonun farkı nedir? Yıldızlar yukarıda anlatılan sürecin tersini yapar: böğründe yarattığı ısı ve basınç ile hafif elementleri, bir tık daha ağır elementler haline getirir.

Evrenin çalışma prensipleri açısından baktığımızda, bu çok mantıklı bir harekettir. Evrendeki toplam atom sayısının yüzde 90’ının en hafif element olan hidrojen atomlarından, yüzde sekizinin ise ikinci en hafif element olan helyum atomlarından oluştuğunu düşünürsek, nükleer füzyonunun başlıca enerji üretim biçimi olması oldukça doğal.

Nükleer füzyon, yıldızların çekirdeklerinde gerçekleşir. Sevgili güneşimizi örnek alırsak, güneşin çekirdeği, güneş hacminin yüzde birinden bile az bir kısmını kaplarken, kütlesinin yaklaşık yüzde 34’ünü, enerji üretiminin ise yüzde 99’undan sorumludur. Trilyonlarca ton maddenin, yıldızların çekirdeklerine yaşattığı muazzam kütle çekimini ise, bu kütle çekimi sayesinde oluşan basınç ve ısı sayesinde çekirdekte yaşanan nükleer füzyon reaksiyonunda açığa çıkan enerji dengeler; ve yıldız kararlı (stable) bir şekilde hayatına devam edebilir.

Kütle çekiminin ve ısının da etkisiyle yıldızın çekirdeğinde yaşanan nükleer füzyon ile hidrojen atomları birleşerek, helyum atomuna dönüşür. Bu olmuyorsa, yani en azından helyum üretilmiyorsa zaten ona yıldız demiyoruz. Helyum da zaten (İngilizce: Helium) ismini Antik Yunan mitolojisinde güneşi sembolize eden tanrı olan Helios’dan ismini almaktadır.

Yıldızın çekirdeğindeki nükleer füzyon sırasında hidrojen girdisine karşı, denklemde karşı tarafta helyum atomu ve bir de enerji bulunuyor.  Zira füzyon sırasında çok küçük oranda bir madde, E = mc² formülündeki prensip ile enerjiye dönüşür. Bu dönüşüm esnasında açığa çıkan enerji de, yıldızın çekirdeğine uygulanan kütle çekim kuvvetine karşı bir kuvvet yaratır.

Bir yıldızın hayatı, devasa kütle çekim kuvveti ile çöküş çabası ile, çekirdekteki nükleer füzyonun açığa çıkardığı enerjinin genişleme çabası arasındaki ince çizgide geçer. Olağanüstü bilimsel bir grafik ile, bu denge şöyle gösterilebilir:

Birçok yıldızın hayatı, bu aşamada sona erer.

Çeşitlilik canavarı: nükleer füzyon ile yeni element üretmek

Daha büyük bir atom olan helyumun füzyonu için, e pek tabii daha çok enerji gerekir. Ancak yıldız yeterli kütleye sahip değilse, yeterli kütle çekimi oluşmayacak, çekirdekte yeterli ısı ve basınç yaratılamayacak ve helyum füzyonu başlamayacaktır.

Ancak yeterli kütleye sahip yıldızlarda çekirdekteki hidrojen yakıtının tüketilmesi (daha doğrusu hidrojen füzyonu tamamlanması) durumunda bile nükleer füzyon devam eder. Bu sıradaki aşamada hidrojenlerin füzyonundan açığa çıkan helyum, nükleer füzyonun yeni yakıtı olarak kullanılır. Tekrar edelim: daha ağır olan helyum atomlarının reaksiyona uğraması için daha büyük bir enerji gerekmektedir, bu sebeple “daha yüksek kütleli” yıldızlarda bu reaksiyon görülebilir.

25 güneş kütlesine sahip bir yıldızın füzyon süreçleri aşağıdaki şekilde özetlenebilir. Daha ağır elementlerin füzyonu sırasında çekirdek sıcaklığının arttığına ve füzyon sürecinin üstel bir şekilde kısaldığına dikkat edelim:

Yukarıdaki tabloda bakarsak, yıldızların ‘normal hayatlarında’, yani nükleer füzyon ile, ancak 26 atom numarasına ve 55.845u atom kütlesine sahip demir (Fe) elementini üretebildiklerini görüyoruz.  E peki diğer elementler nasıl oluştu?

Nükleer füzyonun sınır ötesi!

Nükleer füzyonun sınır ötesini bir örnekle açıklayabiliriz: Şu anda sağ elimde bir yüzük var, bu yüzük demirden yapılmış basit, ‘dandik’ bir yüzük. Bu yüzüğü oluşturan atomlar, yıldızların ölüm döşeğinde geçirdiği son nükleer füzyon gününde dövülmüş olan atomlardan yapılmış olabilir.

Ancak sol elimdeki yüzük parmağımda ise, altın bir alyans var. Au sembollü altınına yukarıdaki periyodik cetvelde bakıyoruz ve numarası 79. Demirin atom numarası ise 26 idi. Kısaca sol elimde duran bu alyanstaki tüm altın atomları çeşitli süpernovalarda üretilmiş, uzayda milyonlarca yıl devasa mesafeler kat etmiş ve alelade bir galaksinin, pek de dikkat çekici olmayan bir kolunda, orta büyüklükte bir yıldızın çevresinde kümelenmiş bir gezegende kendini bulmuş.

Daha sonra bu minik gezegende, şaşırtıcı bir hızda hayat başlamış, akabinde milyarlarca yıl süren bir evrim süreci sonrasında bir grup insan tarafından uzay yolcusu, süpernova kütüklü altın madeni bir grup homo sapiens tarafından dünyadan çıkarılmış, başka bir grup insan tarafından yüzüğe çevrilmiş ve bu kişileri hiç tanımayan ben tarafından sonsuz bağlılığın sembolü olarak alınıp parmağıma takılmış.  Kimse kusura bakmasın ama bu fantastik hikayenin yanında, “tek yüzüğün” hikayesi oldukça normal geliyor.

Yıldızların Enerji Kaynağı: Nükleer Füzyon yazısı ilk önce Bilim Gemisi üzerinde ortaya çıktı.

Gezegenlerin Keşfi; Gezegenler nasıl,  ne zaman  keşfedildi? Bu bir yolculuk hikayesi, 500T ile duraklarımız ise Uranüs, Neptün, Merkür ve gariban Plüton. Başlayalım o zaman…

Uranüs Gezegeni Keşfi ve William Herschel

Uranüs Gezegeni Keşfi macerası 1781 yılının Mart ayının 13’üncü günü William Herschel’in Uranüs’ün aslında bir yıldız veya kuyruklu yıldız değil, güneş sisteminin yedinci gezegeni olduğunu keşfettiği gece bütün hikayemiz başladı.

William Herschel’in hayat hikayesi oldukça ilginç ve ilham verici: ordu müzisyeni bir babanın, yine müzisyenlik yolunda ilerlemeye başlamış bir oğluyken, William Herschel müzik teorisi kitaplarının yanında “A Compleat System of Opticks” kitabını okuyarak gökyüzünü incelemeye başlamış ve birkaç kez epic fail denilebilecek başarısız deneyimler yaşamış, ama pes etmeyerek, kendisi ev yapımı bir teleskop inşa etmeyi başarmış. Burada bir parantez ile William Herschel’in yaptığı bu teleskopun, o tarihte Greenwich Gözlemevinde bulunan teleskoptan daha güçlü merceklere sahip olduğunu da eklemek gerekir. Bilim tarihi, Herschel gibi çok istekli ve meraklı birçok amatör bilim insanının keşif ve buluşlarını sayfalarında saklar.  Bunlardan bazılarını (örneğin süpernova avcısı Robert Evans) ayrıca tanıyacağız.

Uranüs’ün bir yıldız veya kuyruklu yıldız olmadığının gerçekliği ile yüzleşme anı, bu gezegenin cam gibi net bir şekilde görüntülenebilmesi ile değil, Uranüs’ün gökyüzündeki pozisyonunda birkaç gün arayla yapılan iki gözlem arasında değişiklik göstermesinden sonra başlayan şüphelerle bulunmuştur.

Doğal olarak, bu keşif William Herschel’in tabir-i caiz ise bir gecede ünlü olmasını sağlıyor. Bu keşfin önemini açıklamak gerekirse: Merkür, Venüs, Mars, Jüpiter ve Satürn zaten dünyadan çıplak gözle görünebilen gezegenler. E dünyanın zaten üzerinde duruyoruz (ki 2020 yılında hala dünyanın düz olduğunu iddia edenler mevcut). Bu sebeple, bu beşlinin resmi keşif tarihi bulunmuyor.

Kısaca William Herschel, tarihte “gezegen kaşifi” olarak anılabilecek ilk zat.  Bu buluşu takiben Herschel profesyonel bir astronom olarak çalışmalarına devam ediyor, müzik hayatını bir kenara koyar; demek pek de mümkün değil… Herschel bunu da yapar sevgili dostlar, hobi olarak yapar belki, ama yapar. (İlgilenenler için aşağıda yer alan kaynaklarda William Herschel’in Spotify’daki müziklerinin linki mevcut).

Uranüs’ün gökyüzünde tespit edilmesi, adının koyulması ve kozmik koordinatlarının belirlenmesi, buruk bir coşku yaratır. Zira bu keşif fizikçiler arasında bir de tartışmaya yol açar.  Yapılan gözlemler ve ölçümler ışığında fark edilir ki; mavi gaz devinin yörüngesi ve hareketleri, Isaac Newton’ın kütle çekim ve hareket yasaları uyarınca bulunması gereken pozisyonunda değildir!  “Abi ne olacak, biraz sapma olur o kadar” diyebilirsiniz. Genellikle Ikea mobilya parçalarını monte ederken bu şekilde ittirme, kaktırma mümkün olsa da, evrensel fizik kurallarında bu tarz zorlamalar olmaz, olamaz… O tarihte Isaac Newton’ın yasalarının iddiası evrensel yasalar olduğudur, bu sebeple evrensel şekilde uygulanmalıdır. “Hem bu yasalar mavi evimizin güneş etrafındaki yörüngesine, evimizin biricik uydusunun dünya çevresindeki yörüngesine “cuk” diye otururken, Uranüs neden durumu baltalıyor?” sorusu kafaları kurcalamaya başlar.

Pek tabii bilim insanları arasında bir hezeyan…

Uranüs’ün yaramaz yörüngesi ve hareketlerinin “mantıken” üç sebebi olabilir:

1. Hesaplamalara konu olan ve formüllerde girdi olarak eklenen verilerde (örneğin Uranüs’ün kütlesi) bir hata yapılmış olabilir,
2. Evrenin dört temel çekim kuvvetinden biri olan, kütlesel çekim kuvvetini evrensel uygulanabilir şekilde matematiksel formüllere döken Isaac Newton’ın evrensel kütle çekim ve hareket yasaları Uranüs için uygulanamaz olabilir, veya
3. Uranüs’e uygulanan kütle çekim gücünü etkileyen başka etkenler olabilir.

Sayın okuyucu, lütfen bu üç sebebi iyi hatırlayın, hikâyenin sonuna kadar her birine tek tek değineceğiz…

Birinci sebep, Plüton hakkında insanlığın yersiz ve prematüre coşkusunun çürütülmesinde karşımıza çıkacak; ikinci sebep güneş sisteminde kendini ateşe atan ilk gezegen olan Merkür’ün yörüngesel sapmalarda ortaya çıkacak, ve üçüncüsü ise Uranüs’ün yörüngesinde nedeni bulunamayan sapmaların tespiti hakkında doğru sebep olacak… Aynı sorun (dünyadan gözlemlenen bir gök objesinin, Newton’ın evrensel kütle çekim ve hareket yasalarına tam olarak uymaması), üç mantıklı açıklama, ve  üç bilimsel çözüm…

Neptün Gezegeni Keşfi:

Neptün Gezegeni keşfi, 1840’ların ortasında bilim insanları “Uranüs’ün yörüngesini oluşturan vektörleri etkileyebilecek başka bir gök cismi olabilir mi?” daha da sesli olarak sormasıyla başlar.

Fransız astronom Urbain Le Verrier ile İngiliz astronom John Couch Adams, birbirlerinden bağımsız ve habersiz olarak, kâğıt kalemi alıp, Uranüs’ün yörünge sapmasını yukarıdaki üçüncü olasılık ile açıklamanın peşinden gider… Aslında bu iki astronom da “bir gök cismi, nerede olsaydı da Uranüs’ün yörüngesinde bu denli bir etkiye yol açardı” sorusunun matematiksel cevabını kovalamaktadır.

Ancak La Verrier bir adım öndedir: 1846 yılının Ağustos ayında kendisine inanmakta güçlük geçen Fransız gözlemcileri ikna edemeyen La Verrier’in olası bir gezegenin koordinatlarını gözlemcilere ispiyonlayan ‘muhbir’ mektubu, 23 Eylül 1846 tarihinde Berlin Gözlemevine ulaşır. Mektubun bir ekinoksta gözlemevine ulaşması tamamen bir tesadüf olsa da, astronomi bilimi açısından tebessüm ettiren bir tesadüftür.

Bu mektupta, Berlin Gözlemevi’nin teleskobunu hangi kozmik pozisyona çevirmesi halinde, yeni bir gezegen ile burun buruna gelebileceği yazıyordur. Bu bilginin dayanağı ise La Verrier’in Uranüs’ün yörüngesindeki sapmadan yola çıkarak, elle yaptığı hesaplamalardır.  Ters problem (inverse problem) günümüzde bilgisayarlar aracılığı ile oldukça kolay çözümlenebiliyor, ancak o tarihte bu problemlerin çözümü için çok ciddi mesai, konsantrasyon ve sabır gerekmekteydi.

23 Eylül 1846 gecesine dönersek: tarihçiler Berlin Gözlemevi’nin direktörü Johann Franz Encke’nin mektubu aldığı gibi bir anda içinin coşkuyla dolmadığını teyit ediyor. Eğer heyecanlansaydı, kendisi için o gece tertip edilen doğum günü partisine gitmez, ve “masa başında” keşfedilen güneş sistemindeki tek gezegenin ilk gözlemini kendisi yapardı. Ancak Encke böyle yapmadı. Doğum gününü kutlamak için düzenlenen partiye gitti ve bu tarihi gözlemi yapmak için asistanı Johann Gottfried Galle’yi görevlendirdi.  Encke bu buluşu öğrendiği zaman, altılıyı tutturup, sayısal loto kuponunu gişeye götürmeye üşenen ve bunu da sonradan fark eden bir insanın yaşayabileceği tepkileri vermiş olmalı…

Berlin Gözlemevi’nde gözlem teleskopu ayarlandıktan ve gözlemin başlamasından takiben yaklaşık bir saat (evet, yalnızca bir saat!) içinde, La Verrier’in belirttiği koordinatlardan yalnızca bir derecelik  ufak bir sapma ile Neptün gezegeni, gece yarısını az geçe tespit edilmiştir.  Şunu tekrar hatırlatmakta fayda var: Neptün, güneş sisteminde yapılan gözlemlerden ari olarak matematiksel hesaplamalar ile tespit edilen ilk ve tek gezegendir.  Bu arada birbirlerinden habersiz olduğunu söylediğimiz Adams da bir tahminde bulunur, ancak onun tahmini 12 derece sapmıştır. Ki, yine de harika…

“E ne var bunda” diyebilirsiniz. Burada bir dakika durup güneş sisteminin boyutlarını, insanoğlunun beyninin rahatça anlayabileceği şekilde, bir karşılaştırma ile canlandıralım ki bu keşfin ne kadar harikulade bir bilimsel zafer olduğu netleşsin. 12 yaşında bir çocuk, ortalama 150 santimetre boyundadır. Bu çapta bir küreyi, Taksim Meydanındaki anıta yerleştirelim. Artık bu küre, bizim güneşimiz. Eski Atatürk Kültür Merkezi’nin girişine de mavi bir bilye koyalım – bu arada yaklaşık 170 – 180 metrelik bir mesafe var. Bu mavi bilye ise evimiz, yuvamız; dünyamız. Şimdi Taksim’deki zafer anıtından kuş uçuşu yaklaşık 5.6 kilometre ötede olan Kadıköy vapur iskelesine bir tenis topu koyalım. Bu Neptün… Dilerseniz bu tenis topunu, Arnavutköy’de sahilde torununu izleyerek çayını yudumlayan bir dedeye hediye edebilirsiniz. Bu da doğru bir ölçüm olur. Atatürk Kültür Merkezi’nin üzerindeki bir bilyedesiniz, Kadıköy’de veya Arnavutköy’de yer alan bir tenis topunu keşfetmek istiyorsunuz. Bu tenis topu kendi başına bir ışık yaratmıyor, yaymıyor. Yalnızca Taksim’de duran 1.5 metrelik bir kürenin ışığını belli belirsiz bir şekilde yansıtıyor. Bir sorun daha var: size bahsettiğim bu model kozmik ölçülerde iki boyutlu bir düzlem olarak düşünülebilir. Ancak güneş sistemi, üç boyutlu bir düzlemdedir. İşte La Verrier’in yarattığı matematiksel mucizenin boyutu budur!

Sonuç olarak Isaac Newton’ın kemikleri sızlamıyor. Hatta kütle çekim ve hareket yasalarının getirdiği formüller çok ama çok zorlu bir sınavı geçiyor. Newton’ın yasalarının güvenilirliği, evrensel uygulanabilirliği bir kez daha onaylanıyor. Bayraklar asılıyor, yola devam ediliyor.

Merkür Retrosunun Etkileri

Merkür retrosunun etkileri tartışıladursun, zaten insanlık tarihi boyunca keşfedilmiş olan bu gezegen sayesinde boş yere keşfedilmeye çalışılan bir gezegenin izine düşeceğiz. Şimdi teleskopları uzaktaki gaz devlerinden, güneş sisteminin merkezine en yakın gezegene, Merkür’e çeviriyoruz.

1850’lere geçerken güneş sistemine ilişkin çözülmesi gereken başka bir gizem daha gündeme gelir: Uranüs’ün yörüngesindeki sapmaları anlaşıldı, ancak şu Merkür’ün yörüngesindeki dandiklikler neden oluyor? Zira 1859 yılında yapılan gözlem ve ölçümlerle, Merkür’ün yörüngesinin, Newton’ın formülleri kullanılarak yapılan hesaplamalardan minik bir sapması olduğu fark ediliyor.

Kozmik Anafor’da yayımlanan Merkür’ün Açıklanamayan Yörüngesi isimli yazıda, bu sapma aşağıdaki şekilde hesaplanmıştır.

Bu faktörleri dikkate alarak yapılan hesaplamalar sonucunda yörüngesinde oluşan sapma yüzyılda yaklaşık 532 yay saniyesi (1 yay saniyesi = 1/3600 derece) olarak tespit ediliyor. Ancak bu durum gözlemlerle doğrulanmak istediğinde hesaplamaların ön gördüğü biçimde sonuçlanmıyor. Yapılan gözlemlerle elde edilen sonuç, gezegenin yörüngesinin yüzyılda yaklaşık olarak 574 yay saniyesi kadar saptığıdır. Hesaplamalarla gözlemler arasındaki fark [yüzyılda] yaklaşık 42 yay saniyesidir.

Bilim çevrelerinde o tarihlerde küresel bir üne kavuşan Urbain La Verrier’in cevabı hazırdır: Merkür’ün yörüngesini etkileyen ve güneşe daha yakın bir başka gezegen bulunuyor ve bu gezegen Merkür’ün yörüngesine etki ediyor. Kısaca, La Verrier, yaklaşık 10 sene önce Uranüs / Neptün için gerçekleştirdiği çözümün aynısını hayali bir gümüş tepside bilim dünyasına sunmaya çalışır. Bu hipotetik gök cisminin ismi bile koyulur: Vulcan gezegeni.

Ancak bilimsel metodoloji, bu iddianın objektif gözlemlerle desteklenmesini gerektirir.  Hatta bu da yetmez, objektif gözlemlerin tekrar edilmesi, hesaplamaların farklı kişiler tarafından test edilmesi ve bu testlerin neticesinde kabul edilebilir sapmalar içerisinde sonuçlar çıkması gerekir.

Buna rağmen 1900’lere gelindiğinde Vulcan’ı kesin olarak gözlemleyebilen kimse yoktur. Birçok sözde Vulcan tespiti yapılır, ancak hepsi prematüre açıklamalardır. Vulcan avcıları sadece amatör astronomlar değil, günün ünlü gözlemevlerinin astronomlarıdır. Hatta Thomas Edison bile bu yarışa katılır. Aradan 40 küsur yıl geçer, bilim insanlarının kendini kandıran yaklaşımları ve boş bir hayal peşinde Vulcan’ın arayışları devam eder.

Bu sırada kimsenin (en azından bilim insanlarının) pek de beklemediği bir şey olur: Albert Einstein.  Bu şahsın ne büyük adam olduğunu anlatmak veya anlamak, gerçekten çok güç.  Bunu ancak bilimsel okuryazarlığın geliştirilmesi ile başarabiliriz. Zira 1900’lu yılların başından itibaren gerçekleşen bilimsel keşifler artık “ortalama insanın” bilgisi ile çok rahat açıklanamıyor. Bu kapsamda, bilimsel gelişmeleri bir bina gibi düşünebiliriz: her bir kuram, kanıtlanan teori, objektif gerçeklik bu binaya bir kat çıkmaya benziyor. Kat kaçak çıkılırsa (yeterli bilimsel delil ve objektif verilerle test edilmezse), diğer bilim insanları bu katı yıkmak için zaten dozerle kapıda bekliyor. 1900’lere geldiğimizde, bu bina o kadar yüksek bir noktaya geldi ki, zeminden gözlem yapan bir insan binanın en üst katlarını rahat rahat göremiyordu. Stephan Hawking’i hepimiz sevdik, ancak Hawking radyasyonunu kaç kişi anlatabilir?

Burada çok detaya girmek, bu yazının haddini aşmak olur, ancak Einstein’ın 1905’de İsviçre’de henüz bir patent elemanı olarak çalışırken yazdığı makalelerden çıkan özel izafiyet teorisi,  tasarlanırken hiç ama hiç düşünülmeyen bir alanda kendine uygulama bulur: Vulcan’ın tarihin tozlu sayfalarına gömülmesi.

1905 ila 1915 yılları arasında Einstein’ın yaptığı keşifler ile birlikte gelen uzay-zaman kavramı, özel izafiyet teorisi ile birlikte kütle çekim kuvvetine getirilen yepyeni bakış açısı ile, Merkür’ün tam olarak açıklanamayan yörüngesel sapmaları açıklanabilir hale geldi. Matematik “cuk” oturmasına rağmen, Einstein’in teorisinin çeşitli testlerden geçmesi gerekiyordu. Özellikle 1919 yılındaki güneş tutulmasında testi geçince artık rahat bir nefes alındı. Einstein hem Newton’ın kütle çekim yasasına farklı bir bakış getirmiş, hem de evrenin bu dört temel kuvvetinden birini uzay-zaman kavramı ile açıklamış ve kuantum fiziğinin önünü açmıştı.

Bilim insanları 40 küsur yıl boyunca, Neptün’ün keşfine ilişkin bulguyu, Merkür’e de uygulamaya çalıştı. O günün koşullarında oldukça “mantıklı” bir açıklamaydı bu. Ancak evrenin, insanoğluna mantık ifade etmesi gibi bir yükümlülüğü yoktur.  Bilim için insanoğlunun sezgileri, düşünceleri, varsayımları hiçbir zaman nihai yargıç olamaz. Bilim için tek ve nihai bir yargıç vardır, bu da doğanın kendisidir. Doğanın hayal gücü, insanoğlunun hayal gücünün kat kat üzerindedir. Bunu ben demiyorum, Richard Feynman diyor.

Şu anda kaç tane gezegen var? Plüton’un Keşfi

Şu anda kaç tane gezegen var, sorusunu cevaplamak için bilinmesi gereken en önemli şey, Plüton’un gezegen olup olmadığıdır. Böylece Plüton’un keşfi var bir de… İnsanlığın nedensizce en sevdiği gök objelerinden biri.

2015 yılında New Horizons’un Plüton geçişinde çektiği harika resimlerde, bu cüce gezegenin üzerinde bir de kalp şeklinde buzul görülmesi, insanoğlunun bu objeye sempatisini arttırdı da arttırdı. Bu sebeple Plüton, hikayemizi tamamlamak için en iyi nokta. İnsanoğlunun sezgilerinin ne kadar yanıltıcı olabileceğini oldukça iyi anlatıyor.

Merkür’ün yörüngesindeki anomalileri açıklamak için ortaya atılan Vulcan bulunamadı, ancak Neptün’ün yörüngesindeki anomalileri açıklamak için zoraki bir şekilde bir “gezegen” keşfedildi: Plüton.  Plüton, 1930 yılında Arizon’da keşfedildiğinde, Neptün’ün yörüngesindeki sapmaların çaresi olarak düşünüldü. Ancak bu hatalı varsayım ile birlikte Plüton’un olduğundan çok ama çok daha büyük bir gök cismi olduğu konusunda yanılgılar da beraberinde geldi.

Gerçekte Plüton, aydan bile ufaktır. Plüton’un yarıçapı tam olarak İstanbul ile Kars arasındaki mesafeye tekabül ediyor. Yukarıdaki benzetmeyi unutmamak lazım: Dünya bir bilye, Neptün ise tenis topu. 154 adet Plüton ise bir dünyaya sığabiliyor. Bu Plüton’un, Neptün’ün yörüngesini etkilemesi oldukça güç.

Şu anda yapılan matematiksel hesaplamalar ile, Neptün’ün yörüngesindeki sapmaları, dokuzuncu gezegen ile hesaplamak için, bu gezegenin (Planet X olarak adlandırılıyor), dünyanın tam 7 katı kütlesi olması gerekiyordu. Ancak şu anda biliyoruz ki, Plüton’un kütlesi, Dünya’nın 500’de biri. Bu sebeple, Plüton’un Planet X’in aranması esnasında zoraki olarak keşif edildiği, boyutunun ise yaklaşık 50 yıl boyunca olduğundan çok daha büyük varsayıldığı, ancak şu anda cüce gezegen olarak sınıflandığını söylemek mümkün.

Okuma Listesi ve Kaynaklar:

• Newton’ın Kütleçekim yasası ve yeni gezegenlerin keşfine ilişkin özet bir açıklama: http://www.pas.rochester.edu/~blackman/ast104/perturbations.html
• Güneş sisteminin boyutlarını canlandırabilmek için açık ara en başarılı video “To scale: The Solar System”. Pek tabii Plüton yok. https://www.youtube.com/watch?v=zR3Igc3Rhfg
• http://www.arvindguptatoys.com/arvindgupta/plutopix.pdf
• Neptün ve Plüton’un keşfine ilişkin başarılı bir yazı: http://mathshistory.st-andrews.ac.uk/HistTopics/Neptune_and_Pluto.html
• Rick & Morty’nin 1. Sezonunun 9’uncu Bölümü “Something Ricked This Was Comes”, bir kısmı Plüton’da geçiyor. Kendi yanlışlarının objektif doğruluğuna bu kadar inanıp, IQ seviyesi en düşük dizi karakterinin söylediğine sorgulamadan inanan bu Plüton’luların gözlerinin içine bir bakın… IMDB Linki: https://www.imdb.com/title/tt3333840/
• Merkür’ün Açıklanamayan Yörüngesi / Kozmik Anafor. https: //www .kozmikanafor.com/merkurun-aciklanamayan-yorungesi/

Gezegenlerin Keşfi; Nasıl, Ne Zaman Keşfedildiler? yazısı ilk önce Bilim Gemisi üzerinde ortaya çıktı.