11 Aralık 2009

Kozmik Işınlar Nereden Geliyor?

m82

M82 ya da diğer adıyla Puro Gökadası. Bizden 12 milyon ışık yılı uzaklıkta yer alan gökada başka bir gökada ile birleştiği için böylesine bir yapısı olduğu düşünülüyor. (Hubble)

Atmosferimiz uzaydan gelen parçacıklar tarafından sürekli bombardıman edilir. Bu gizemli parçacıklar henüz 100 yıl kadar tespit edildi. Ancak teknolojinin gelişmesiyle birlikte gelişen ve 10 yıllık bir geçmişe sahip yeni nesil teleskoplarla bu kozmik ışınların yapısı, nasıl oluştukları gibi sorulara yanıt aranmaya başlandı. Bu parçacıklar  süpernovalar sayesinde hızlandığı ortaya çıkmıştır ancak tüm sorular yanıt bulmamıştır.

Atmosferi izlemekle görevli Cherenkov teleskopları uzun zamandır kozmik ışınları izlemekte ve bu ışınlar hakkında gerekli bilgiyi toplamaktadır. Geçtiğimiz birkaç yıl içinde Samanyolu içinde oluşan süpernova kalıntılarının gözlemi yoluyla bu ışınları bu türden süpernovaların hızlandırdığı tezi güçlenmiştir.

Fakat bir grup fizikçi VERITAS’ı kullanarak (Yüksek Enerjili Işınımları Görüntüleyen Çoklu Teleskop Sistemi) birçok süpernova gözlemi yaptılar. Gökadaların merkezlerindeki yüksek süpernova oranı ile kozmik ışınların hızlanması arasında doğrudan bir destek buldular. Böylece kurama ilişkin sağlam bir kanıt elde edilmiş oldu.

Kozmik Işımanın Keşfi

Kozmik ışınım günümüzden yaklaşık 100 yıl önce çoğu bilimcinin ısrarlı arayışlarıyla keşfedildi. Viyanalı fizikçi Victor Hess, ışımayı ölçebilecek bir araç arıyordu. Bunun için altın yapraklı elektroskobu denedi. Bu türden yaptığı bir elektroskop radyasyon kaynağının yakınına geldiğinde deşarj oluyordu. Ne türden bir etki havayı iyonlaştırıp elektroskobun boşalmasına neden olabilirdi ki?

Işımanın (radyasyon) nereden geldiğini anlamak için Hess 1911 ve 1912 yıllarında elektroskobu bir balona yerleştirdi. Balon yükseklere tırmandıkça elektroskobun daha yavaş boşalacağını düşünüyordu. Ancak tam tersi durum ortaya çıktı: balon yükseldikçe elektroskop daha hızlı boşalıyordu.

Hess bu deneyin sonucunda ışınımın uzaydan geldiğini düşünerek ve bu ışımaya  kozmik ışıma adını verdi. Buluşu kendisine 1936 yılında Nobel ödülünü kazandırdı.

Neden Bu Kadar Uzun Sürdü

Amerikalı fizikçi Robert Millikan, Hess’in öne sürdüğü kozmik ışın teriminin yanlış bir isimlendirme olduğunu ortaya koydu. Çekirdekleri olan ve bu çekirdeklerinde hidrojen veya protonun yer aldığı bu ışınlara ışık denilemezdi. Hatta bu ışımanın çekirdeklerinde helyum gibi daha ağır çekirdeklerde bulunabilirdi.

Bu problem nedeniyle uzayda manyetik alanların olduğu ve parçacıkların bu manyetik alanlar tarafından saptırılabileceği görüşü öne sürüldü. Böylesine parçacıklar sanki dünya’ya her yönden ve eşit sayıda geliyor gibi görünüyordu.

Bu türden ışınların geldiği kaynağı bulmak için Gökbilimciler farklı yollar izlerler. Gaz ve tozun atom çekirdekleriyle çarpışan kozmik ışınlar daha yüksek enerjili olan gama ışınlarına dönüşür. Gama ışınları elektromanyetik tayfında enerji en yüksek olan ışınlardır. Gama ışınları saçan nesneler özel teleskoplarla gözlenebiliyor (Örneğin Chandra, Fermi gibi).

Gama ışınlarını ancak uzaydan gözleyebiliriz. Çünkü bu ışınlar atmosferi geçemez.

Birçok yüksek enerjili gama ışını atmosferin üst tabakasında atomlarla etkileşime bir elektron ve elektronun antiparçacığı olan pozitrona dönüşür. Böylece çarpışmalardan oluşan milyarlarca parçacık geniş bir bölgeyi etkilemektedir. Bu da atmosferin üst tabakasında yüksek hızda jet dalgası oluşturmaktadır. Bu dalga adına Chernekov ışıması denilen koni şeklinde mavimsi bir alanın oluşmasına neden olur. Aynı işlem aslında yeryüzünde de oluşur: Bir nükleer santral reaktöründeki soğutma suyu da aynı renkte görünür.

Hızlandırıcılar uzayda

Bilim insanları kozmik ışınımın çok özel astrofiziksel kaynaklardan geldiğini başından beri biliyorlardı aslında. Özel yapıların bu türden ışıma yaptıkları biliniyordu çünkü hiçbir yıldız bu denli yüksek sıcaklıkta ışıma yapmaz. Daha doğru bir ifadeyle yıldızların merkezlerinde bile bu türden bir ışıma gerçekleşmez.

Bu ışınımın ayrıntılarının keşfi için dünya üzerinde deneyler yapılabilir mi? Yani dünyada bu ışınım üretilebilir mi? Yüksek hızlandırıcı bir araç yapmak mümkün olabilir mi?  Burada da aynı sorun karşımıza çıkıyor: enerji. Kozmik ışınım çok yüksek enerjili ortamlarda oluşuyor. Dünya üzerinde bizim teknolojimiz ancak birkaç tetra elektron volt’luk enerji üretebiliyor. Bu enerji ise kozmik ışınların enerjisinin yanında adtea devede kulak kalmaktadır. (Ya da devede tüy) Kozmik ışınların enerjisi bu enerjinin 100 milyon katına kadar çıkabilmektedir.

Böylesine güçlü bir parçacık hızlandırıcısı yapmanın yolu ise büyük uzaklıklarda koşuşturan parçacıkları sürekli hızlandıracak bir elektromanyetik halkadan geçiyor. Yani kozmik ışınım için bize gerekli olan yüksek enerjide çarpışan parçacıklardır.

Bir  Süpernova Kalıntısı

Denizanası Bulutsusu içindeki IC 443 nötron yıldızı. Bulutsudan bir kare ile işaretlenerek sağ altta büyütülmüş hali gösteriliyor. Bu kısımda dikkati çeken olay mavi yeşil renkte bir gazın yönü ve uzaya dağılımı. (Chandra)

VERITAS ile İkizler (Gemini) takımyıldızındaki Denizanası Bulutsusu’ndaki (Jellyfish nebula) IC 443 süpernova kalıntısı gözlemi yapıldı.

IC 443 binlerce yıl önce patlayan bir yıldızın kalıntısı olduğu düşünülüyor. Büyük bir patlama ile yıldızın genişlemeye devam eden kabuğu uzaya atılmış ve geriye yıldızın çekirdeğinden oluşan bir nötron yıldızı kalmıştır. Nötron yıldızı bulutsunun güneydoğusunda yer almaktadır.

VERITAS yüksek enerjili gama ışınları yayan kalın moleküler bulutun sınırlarını buldu. Şok dalgası bir hızlandırıcı gibi davranarak parçacıkları itiyor ve protonlar yakındaki moleküler bulutuyla etkileşime giriyordu.

Evet bu yorum akla yatkın geliyordu. Kozmik ışınım bu yolla mı oluşuyordu?

Fizikçilerin bu yanıttan emin oldukları pek söylenemez.

Çünkü gama ışınları atom çekirdeklerinin yanı sıra enerjik elektronlar ile de üretilir. Elektronlar süpernovalar tarafından düşük enerjili fotonlar ile çarpışıp gama ışınlarının hızlanmasını sağlayabilir. Bu olaya ters Compton Olayı denir.

Arthur Compton, Washington Üniversitesi’ndeki çalışmaları nedeniyle 1927 yılında Nobel ödülünü almıştır. Compton olayı basitçe yüksek enerjili parçacıkların fotonlarla çarpışarak saçılmasıdır. Ters Compton olayı ise aynı üniversiteden Eugene Feenberg ve Henry Primakoff tarafından 1948 yılında açıklandı.

Aynı Anda Birçok Süpernova Gözlemi

Pek doğaldır ki böylesine önemli bir konuda VERITAS’da yalnız ICC 443 ile ilgilenmedi. 2007 yılından bu yana çok sayıda süpernova kalıntısı izlenmiştir. Tüm orman yerine ağaçları tek tek incelemek gerekiyordu.

Bu sefer hedefte M82 gökadası bulunuyordu. Bu gökada Samanyolu’ndan beş kez daha parlaktır. M82, puro gökadası olarak da bilinir. Çünkü gerçekten şekli bir puroyu andırır: kenarları dar, ortası geniş bir yapı. Bu gökadanın bir zamanlar başka bir gökada ile etkileşime girerek bu şekle kavuştuğu sanılıyor. Bu etkileşme ile gökada merkezinde Samanyolu’na göre 10 kat daha hızlı yıldız oluşumları gerçekleşmiştir. Aynı şekilde sık sık süpernova patlamaları görünmektedir. Elbette ki bu bölge kozmik ışınım yayıyor ve gama ışınları üretiyor olmalıydı.

Buıradaki gama ışınlarını görmek elbette IC 443’e göre kolay olmayacaktı. Çünkü M82 çok daha uzaktaydı. Buradaki süpernovaları görmek kolay değildir. Buna karşılık VERITAS ile iki yıl süren gözlemler yapıldı.

Alınan ilk verilere göre M82’deki kozmik ışınımın yoğunluğu Samanyolu’nun 500 katı kadardır. Buradan hareketle M82’deki süpernova sayısının Samanyolu’nun 30 katı olduğu sonucunda varıldı. Bu süpernovalar ile kozmik ışınım arasında kurulan bağı açıklayan kuramı desteklemektedir.

Sonuç?

Şimdi soru şu: Günümüzde fizikçiler bu ışınların nerden geldiğini ve nasıl üretildiğini biliyorlar mı?

Soruya yanıt Washington Üniversitesi’nden Fizikçi Prof. James H. Buckley’den geliyor:

“Tüm bu çalışmalar sonucunda ayrı kaynaklardan gelen bilgilerin ışığında kozmik ışınları oluşturduğu düşünülen iki olgu olduğu ortaya çıkıyor: süpernova  kalıntıları ve etkileşerek oluşmuş gökadalar (starbust galaxy).

Eğer biz bu kaynaklardan gelen nötrinoları görebilirsek işte o zaman bu ışınımın kaynağının elektronlar değil protonlar olduğunu söyleyebileceğiz.

Bunu görsek bile bu parçacıkları aslında neyin hızlandırdığını ise göremeyiz. Şok hızlandırıcı tanımı çok güzeldir ama burada da çeşitli problemler bulunmaktadır.”

Kaynak:  Science Daily


Düşünceniz

XHTML: Bu kodlardan yararlanabilirsiniz.: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

*