İlki Bing Bang'den Hemen Sonra Gerçekleşen, Yıldızların Yeni Atom Çekirdekleri Üretme İşlemi: Nükleosentez
carl sagan la, orjinal dili ile başlayayım : "the nitrogen in our dna, the calcium in our teeth, the iron in our blood, the carbon in our apple pies were made in the interiors of collapsing stars. we are made of star stuff." ...
yani diyor ki yediğiniz hurmadaki hidrojenden içtiğiniz sudaki oksijene kadar, taşak terinizde bulunan nitrojenden inşaatlardaki demirinize kadar, size yuropa yunivörsalis oynamayı nasibeden yüceler yücesi silikona kadar herşey, yıldızların ölümü ile var oldu. hepimiz yıldız mamülatıyız.
efendim nükleosentez için, aklınızın alamayacağı basınç ve sıcaklık ortamlarında, yıldızların yeni atom çekirdekleri yaratma prosesidir diyebiliriz kısaca.
bunu, eldeki mevcut nükleonları (çekirdek ül atom) kullanarak yaparlar. ilk atom çekirdeği, big bang den 3 dakika sonra meydana geldi. sonra, hidrojen ve helyum kardeşler yırtık dondan çıkar gibi piyasaya çıkıp ilk yıldızların içeriklerini oluşturdular. işte bu yüzden kozmozumuzda hidrojen ve helyum oranı çok çok yüksek miktarlardadır.
güneş sistemimizde hangi elementten ne kadar var görmek mi istiyorsunuz?
şu bolluk grafiğine bakarak fikir edinebilirsiniz o halde. orada hidrojenin anormal yüksek miktarına tanık olacaksınız. aklınıza gelecek herşeyi hidrojen ve helyum'a borçluyuz babaerenler bu konuda hiç tartışmayacağım sizlerle şu dostlar dergahında. helyum ise kendini hidrojene borçlu.
neyse efenim sonracıma, yıldızlar oluşuyor. ilk yıldızlar kütleçekim marifeti ile küre şeklini alarak oluşmaya başlıyor ve ortalık yıldızlarla bezeniyor.
işte o vakit stellar nükleosentez sayesinde hidrojen ve helyum ikilisinden daha ağır elementler ortaya çıkmaya başlıyor. hala da devam eder bugün bile. çok uzaklara bakmaya gerek yok. na şurada 150 milyon kilometre ötede neredeyse kusursuz küre güneşimiz, bunu yapıyor zaten. güneşimiz her saniye 500 milyon ton hidrojeni, heyluma çeviriyor canlar. fakat şimdilik helyumdan ötesine gücü yetmiyor. daha ileri gidebilmek için beklemesi, büyümesi gerekecek.
kısaca bir özet geçeyim bunun daha rahat anlaşılabilmesi için.
önce şunu bilmek lazım. çevrenizde gördüğünüz her cisim, etrafındaki başka her cisme çekim kuvveti uygular. evrensel çekim sabitine (bkz: in newton we trust), kendisinin ve hedef cismin kütlesine doğru orantılı, ağırlık merkezleri arasındaki mesafeye ters orantılıdır bu kuvvet. heryerde vardır ve evrenin 4 ana kuvvetinden en zayıf olanıdır. atomlararası kuvvetler ve elektromanyetik kuvvetler genelde bundan daha güçlü. nereden mi biliyoruz? çünkü aksi olsaydı etrafınızdaki herşey bir anda yahut zamanla "küre" şekline bürünmeye başlardı da ondan biliyoruz. her cisim küre şekline gelip o içerideki gerilmeleri sürtüşmeleri falan bırakayım ister. küre, yüzeyindeki her atomun tek tek küre merkezine olan uzaklıklarının eşit olduğu, dolayısı ile kütleçekiminin de eşit olabileceği ve yine dolayısı ile denge kurabileceği tek kusursuz şekildir. rahattır küre. iç gerilimlerden sıyrılmıştır kafası rahattır kürenin. her atom merkeze doğru koşturmacada ve harikulade bir kuvvet simetrisi vardır onda. fakat merkeze doğru olan çekim kuvveti toplam kütle miktarına bağlı dedik değil mi? ee nasıl olacak o zaman. örneğin volkswagen golf marka arabanız neden o zaman küre şekline dönüşmüyor? epeyi ağırca çeker bir araç çünküsü.
istemiyor mu sanıyorsunuz ah be canlar? deliler gibi istiyor fakat kör olasıca zayıf ve güçlü atomlararası kuvvetler ile elektromanyetik kuvvetler kütle çekim kuvvetine göre çok çok üstün. kütlesi yetersiz yani efendim. vw golf bile 1.600 kg lık kütlesiyle başaramaz bunu.
küre şeklini alacak kertede büyük kütlelere asteroidler dahi erişemiyor. onun için çap ve kütle kriterleri önemli. aşağıda astronomik cisimlerin kütle ve boyutları ile geometrik şekilleri arasında bağıntıyı net anlatan, doğa ananın kuralları gereği şeklin ne olması gerektiği ile ilgili bir makale bırakıyorum. afiyetle yersiniz.
daha çok gravitasyonel kuvvetler hasebiyle içeride oluşan gerilimleri inceleyen bir çalışma fakat ilk 3 sayfasında doğanın en önemli gerçeğine atıflarda bulunması açısından çok önemli. standart bir mühendislik fakültesi mezunu her babayiğit rahatlıkla anlayabilir makaleyi. ben daha fazla uzatmayacağım küre şeklini alma konusunu. flat earth society sniperları malum, heryerdeler. ama şurası bir gerçek; dünyamızın boyutları da, kütlesi de öyle değerlerde ki, fiziğin kanunları gereği küre şeklinde olmak zorunda. kusursuz küre olamaz ama çünkü kütlesi "o kadar da büyük değil". güneş örneğin kusursuza daha yakın bir küre. alfa centauri kusursuz küre..vs vs...ne bileyim bigün misal zeus fırlayıp gelse ve dünyayı bu boyutları ve kütlesi sabit kalmak kaydıyla tepsi şekline soksa bu düz dünyacı arkadaşların hatrına. dünya yine muzırlığını yapacak ve uzuuuuun uzun yıllar alacak olmasına rağmen tekrar küre şeklini alacaktır kendi kendine. kütleçekim yasası öyle flat earth society falan affetmez. sanayide x bir ürün üretirken dizayn sırasında mühendisler keskin hatlardan kaçınır. mümkün mertebe yuvarlatılmış hatlar tercih edilir. tam bu yüzden. elektronikte lehim (bkz: soldering) teknolojisi keskin uçlu kenarlı lehim havuzlarını affetmez. yuvarlak top gibi yarım küre gibi lehim havuzları tercih edilir.
güneşimiz her saniye 500.000.000 ton hidrojeni, helyuma çeviriyor dedik. güneşin kütlesi öylesine muazzam ki, merkeze doğru çekim kuvveti altında her atom, her molekül çılgıncasına eziliyor.
bu basınç arttıkça sıcaklık artıyor. ikisi arttıkça nükleer tepkimeyi daha da tetikliyor ve hızlandırıyor. o artınca sıcaklık tekrar artıyor ve dışarıya doğru püskürme eğilimine giriyor. içeri doğru kütleçekim, dışa doğru nükleer itiş arasında bir denge kuruluyor ve işte güneşimiz orada dünyaya can veriyor dostlar. bahsedilen sıcaklık 15 milyon derece celcius . aklını alır insanın. işte böylesi vahşi koşullar altında nükleer füzyon, ve üç hidrojen atomunun bir helyum atomunu oluşturması gibi bi mucize gerçekleşiyor... inanılacak gibi değil. bambaşka birşeyden, çok başka başka birşey oluşuveriyor. güneşin kütlesi devamını beceremiyor ancak, görece büyük kütleli yıldızlarda dahası var. kütleçekim artık öylesine muazzam boyutlarda ve hidrojeni öylesine yarın yokmuşcasına yakıyor ki artık o sıcaklıkarda ( 85 milyon derece selsiyüs) helyum da artık eeehyterbeaaa!!! diye isyan ediyor ve üç tanesi bir araya gelip hoooop; karbon! . altı atomlu karbonumuz. herşeyimiz. yuvamız, ocağımız, annemiz, kadınımız, asyamız...
bi sonraki aşamada , dört helyumdan oluşan bi ekip birleşip, 90 milyon santigrad derecelerde ve yine aklın hafsalanın almayacağı boyutlardaki basınçlarda hop; oksijen! . sekiz atomlu, bize şahdamarımızdan daha yakın olan zevcemiz. avradımız, içtiğimiz su, yediğimiz ekmek. sofradaki tuzumuz! kuru soğanımız!
daha da büyük yıldızlarda, ki bunlar artık güneşin 8 misli büyük gök cisimleridir, kütleçekimin yarattığı termonükleer reaksiyonlar 26 atomlu demiri meydana getirir. öyle böyle değil ama. oralarda işler artık saçmasapan bir hal alır.
şimdi sıkı durun, karbon , tam 600 milyon santigrad derece celcius sıcaklıklarda füzyonla neon elementine dönüşür. 1,5 milyar santigrad derece celciuskoşullarında oksijen silikon oluverir. silikon da durur mu, yapıştırır cevabı. görüyorum ve arttırıyorum diyerek amına kodumun yerinde 4 milyar santigrad derece celciusü gördüğü gibi hoooooopaaaa! işte karşınızda demir!
demir artık bu kozmik zincirde dönüm noktası. demire kadar gelinen adımlardaki füzyon reaksiyonlarında dışarıya çok afedersiniz bok gibi enerji yayılır. bu yüzden güneş gözlüğü piyasası diye bişey var, prada var, police var, var oğlusu var... lakin demir oluşumundan sonra, artık yeni atom çekirdeği oluşumları dışarıya enerji vermez. füzyon falan biter o noktada ve radyasyon *ışıma* marifeti ile enerji yayılımı başlar. ama yıldızlar gümüşü, altını, ya da öte yanda daha tehlikeli olanları, radonu, uranyumu yaratabilir hala. hatta telaffuzunda zorlandıklarımız var daha sırada : praseodymium ve ytterbium gibi gibi...
demirden daha ağır elementler için gereken koşulların ilki kırmızı devler.
ölüme yaklaşmış, bi gözü toprağa bakan yıldızlar yani. daha da yani, artık hidrojenini helyumunu yaka yaka nükleer reaksiyonlar öylesi kuvvetlenmiş ki kütleçekiminin hakkından gelmeye başlamış iyiden iyiye ve yıldız şişmeye başlamış. yıldız böyle durumlarda hidrojenini tüketince artık hepten kafayı yemeye, haydi haydi şizofrenik semptomlar göstermeye başlar. çekirdek enerji kaybeder ve büzüşür, sıcaklık artar ve yıldızın daha dış ve en dış yüzeyi enerji kazanır, genişler, soğur. bu yüzden kırmızılaşmaya başlar zaten. (spektrumda da öyledir. kırmızı renk en soğuk, maviye gittikçe sıcaklık artıyor demektir.) güneşimiz de böylesi genişleyecek milyar seneler sonra. en nihayetinde bunalacak ve yeter amk para mı saydım ciğerinize amk evlatları deyip bizim de içinde bulunduğumuz iç güneş sistemi gezegenlerini buharlaştırıp yok edecek. kırmızı devler, bu dönemlerini demirden daha ağır elementleri oluşturmaya yetecek kadar uzun yaşarlar. bu peryoda, çok yavaş ilerliyor olması hasebiyle s-prosesi adı verilir*. binlerce yıl içinde bu peryotta yıldız artık bizmuta kadar olan elementleri oluşturabilir. 83 atomlu bizmut yani. bir kütük gibi ağır. leş gibin, yerinden oynamaz bizmut. ardından o proses sonunda yıldızın yüzeyine doğru konveksiyon akımları hasebiyle bir çekilme başlar. madde, yüzeye doğru içeriden dışarıya doğru akar adeta. yüzey civarlarında kopmalar başlar. bağlar koptukça stellar rüzgarlarla birlikte artık maddeler uzaya saçınır. bunlar kütle atımları. işte sen, ben, cezmi amcan, hilmi dayın, hüseyin enişten, gözlerinin içine bakmaya kıyamadığın sevdiceğin falan hep bu konveksiyon akımlarıyla yıldızın yüzeyine kadar çıktık ve oradan rüzgarlarla kopup uzaya saçıldık.
bizmuta kadar geldik şaka maka he. ama şimdi kemerleri bağlayın, klimalarınızı açın soğuk bişeyler çıkarın dolaptan kola mola falan, çünkü ortalık daha da ısınacak artık. çünküler çünküsü, r-prosesi denen başka bir vahşet kasırgasına doğru yelken açıyoruz şimdi. bu proses öylesine hızlı (bkz: rapid process) ki saniyeler içinde akla hayale sığmaz büyüklükte ve kütlede bir astronomik cisim, yok olacak. r-prosesi sonunda nurtopu gibi bir süpernova patlamamız olacak. nurtopu derken çok ciddiyim*.
efendim büyük, çok büyük yıldızlar o kütlelerin bedelini hidrojenlerini yani yakıtlarını daha hızlı tüketerek ve haliyle çok daha çabuk ölerek öderler. güneşimiz milyarlarca yıl yaşıyor ve bunu tamamen nispeten küçük bir yıldız olmasına borçlu. ama büyük yıldızlar öyle değil. hızlı yaşarlar , hızlı ve genç ölürler. çünkü kütleniz ne kadar büyükse, o kadar büyük kütleçekimle bütün benliğinizi merkezinize doğru sıkıştırmaya çalışırsınız dedik. o basınç arttıkça sıcaklığı da arttırır ve hidrojeninizi kıtlıktan çıkmış gibi yersiniz. betelgeuse yıldızı güneşten 1 milyon kat daha büyük kütleye sahip ve bu yüzden birkaç yüz milyon yıl yaşayabilecek sadece. hidrojenini, ve sonra helyumunu çok hızlı tüketti. eh, hazıra dağ dayanmazmış. şu an gencecik yaşta kırmızı dev safhasına girdi ve her an, süpernova olarak patlamaya hazır.
bu tip kırmızı devler içlerindeki tüm hafif elementleri de füzyonla yaktıktan sonra, demirden bir çekirdekle zırzıbıldak ortada kalırlar, -çünkü o anda en ağır demir ve en içte o var tabii ki kütleçekim yasası gereği- ve artık hidrostatik dengelerini kaybederler. yani kütleçekim, atomlararası kuvvetler ve nükleer kuvvetler arası denge bozulur. enerji kalmadığı için kütleçekimi bir anda galip gelir ve yıldızın tüm atomları merkeze doğru allah allah ya allah ne verdiyse delicesine hücuma kalklarlar. yıldız öylesine sıkışır, öylesine yoğunlaşır ki dünyanın mevcut yoğunluğunun (bkz: 5,51 gram/santimetreküp) milyarlarca misline kadar ulaşır. o kadar akıl almaz büyüklükte kütlenin minicik bir hacme sıkıştığını ve ısrarla daha da sıkışmaya çalıştığını düşünün. o anda sıcaklık ve basınç için sonsuza yakınsar desek başımız ağrımaz. ve tam bir astronomik cehennem vuku bulur sonra. saliseler içinde yıldız artık masaya çıkarıp vurmak gerektiğine kani olur ve öyle şiddetli patlar ki, bu bir galaksinin tüm yıldızlarının parlaklığına eşit bir parlaklıkta vuku bulur. akıl sır erecek bişey değil. o anda açığa çıkan enerji, güneşimizin 10 milyar yıl boyunca ürettiği enerjiye enerjiye eşittir dostlar.
tam da o patlamada, saniyeler içinde protonlar nötronlarla çarpışarak bizmuttan uranyuma kadar ağır elementleri oluşturacak kadar ileri giderler. bütün bunlar uzaya saatteki hızı milyonlarca km olan hızlarla yayılırlar. sonra biryerlerde tekrar bir araya gelip, kütleçekim kuvvetleri ile birbirlerine tutuna tutuna başka yıldız tozlarıyla birlikte gezegenleri, başka başka yıldızları, seni, beni, hatice teyzeyi, volkswagen golf'ü falan oluştururlar. önce moleküller oluşur o toz deryası içinde. su mesela. sonra nispeten karmaşık moleküller, şeker glycoaldehid gibi örneğin (c2h4o2) .astronomlar bugün bunların varlıklarını, ve sonra da yoğunluklarını spektrometri analizlerine bakarak anlayabiliyorlar.
efendim peryodik cetveli bilmeyeniniz yoktur. işte o cetvelde gördüğünüz 118 elementten proton sayısı 90 adede kadar olan hepsi bu ve benzeri nükleer sentezlerle hidrojenden başlayan yolculuğun sonucu ortaya çıktılar.
ilk 90 adede kadar doğal, sonrası insan yapımı elementler. ağır elementler nadir elbette ve çok değerliler. plutonyum misal o kadar nadir (uranyum'un bozunumu ile ortaya çıkar) ki bütün dünyadaki doğal plutonyum rezervi 0,05 gram. misal dünyanın tüm saf altın rezervi olimpik bir yüzme havuzunu ancak doldurabilir. elementler ağırlaştıkça, nükleosentezleri için gerekli nükleer güçler daha da muazzamlaşıyor. daha ender kozmolojik olaylar gerekiyor. o zaman şuraya ne nerede oluşmuş gibilerinden bir cetvel koyayım da mistisizme gömülmüş şapşik ruhlarınız canlansın haydi bakalım.
peryodik cetveldeki 24 element doğal değil dedik. bilimabilerimiz tarafından son 75 senede yaratıldılar. yanisi, onların uzayda biryerlerde doğa ana tarafından yaratılmış olmaları ile ilgili sadece spekülasyon yapabiliriz. bilmiyoruz çünkü. o elementlerin koskoca kozmoz içinde sadece dünyada olma olasılıkları da var hani. bu açıdan ilginç. aşağıda bu konuya tekrar döneceğiz çok basit bi mevzu değil bu.
neyse ama şimdi bu noktada element denen şeyi anlamak lazım.
biliyorsunuz bir adet çekirdek (bkz: nucleus) ve etrafında çepeçevre bir elektron bulutundan teşkildir. çekirdekte pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlar mevcut. lakin peryodik cetvelimizi biliriz, onun nötronlara elektronlara falan eyvallahı olmaz. yok, direkt olarak sıralamayı çekirdekteki protonlara bakarak yapar. yukarıda da yazdık. diyor ki; 6 protonlu yapı, elektronunu nötronunu siktirtmesin bana o karbon'dur arkadaşım diyor. böyle böyle küfür kıyamet sırayla 118 protonlu ununoctiuma kadar ulaşıyor mevzu. tablodaki elementlerin neredeyse yarısının süpernova gibi enerjik aksiyonlara ihtiyacı olduğunu açıklıyor bu da bize. o enerjinin büyüklüğü, atom çekirdeklerini nötron bombardımanına tutacak kadar nükleer reaksiyonu tetikliyor efendim. öyle ki çekirdek parçalanıyor artık bambaşka kombinasyonlar oluşturabilecek serbest "protonlar" dolanıyor etrafta aval aval. bundandır ki demir o kısa süreler içinde bir anda altına dönebiliyor. sonra altın kurşuna, oradan hepsi birlikte bahçıvana...falan filan işte. buraya kadar tamam da. o diğer ev yapımı 24 elementi ne yapacağız?
aslında o elementler de bilimannelerinin doğal ağır elementleri kullanarak yaptıkları elementler. örneğin nasıl hani lisede öğrendiğiniz haleler*, soygaziler*, işte sonra alkali metaller falan varsa mesela trans-uranium denen ve 95 ile 100 atom numaralı bi element grubu da var. uranyumu nötron bombardımanına tutarak elde ediyor bunları bilimhalaları.. sonra hamile kalan çekirdeğin (çünkü afedersiniz ağzını yüzünü sikiyolar çekirdeğin) radyoaktif hale geçmesini bekliyorlar. zaten illa ki birşekilde ekstra nötronunu protona çeviriyor çekirdekcağız. ardından belki elektrona, ve hatta neredeyse kütlesiz olan anti-nötrinoya. fakat efenim hal böyleyken, fermiyum (100 protonlu) sonrası elementlerde radyoaktive et ve bekle yöntemi sıçıyor. nötron bombardımanı yerine başka bi yöntem geliştiririz o zaman biz de amk diyorlar bilimenişteleri ve bu sefer iki atom çekirdeğini füzyon reaksiyonuna sokarak ortaya kocaman ,yeni, dev bir çekirdek meydana getiriyolar. ki bu da tamamen başka bir atom anlamına geliyor artık. sonrası kolay. minnoş helyum bombardımanlarını misal aynştanyum (99) üzerine uygulayıp hop! 101 protonlu mendelevium meydana geliyor. heheh. sonra mesela uranyumun (92) ağzına yüzüne neonla vurunca (10), ortaya 102'lik nobelium çıkıyor falan. bu böyle böyle gidiyor...
yav iyi hoş dersin de ockham oğlan, yıldızlarda dönen naneleri, sıcaklıkları, oluşan kuvvetleri öve öve bitiremedin amk geldin şimdi insanoğlunun yıldızların yapamadıklarını yaptığını iddia edersin. yıldızlara şirk mi koşarsın sen? ..derseniz haksız değilsiniz. haklısınız da diyemem. zira yukarıda da belirttim yine yazayım. henüz süpernovalarda dahi böylesi ağır elementlerin oluştuğuna dair bir gözlem/bulgu/hesap/simülasyon yok. aslında yıldızlar büyük olasılıkla da bu elementleri oluşturabilirler. hatta belki de bizim yarattığımız en ağır elementten daha ağırlarını da yaratabilirler. mesele güç, sıcaklık şartları falan değil. o konuda kadir-i mutlaktırlar. asıl mesele sonraki ortam. çünkü bu ağır ve radyoaktif elementler çok kırılganlar ve hemencecik bozuluyorlar. yani bişey söylemeye gelmiyor yüzlerine karşı cidden bak. oluşuyorlarsa bile mikrosaniyeler içinde o muazzam türbulansa karışıp bozulup gidiyorlar. çok çok kırılganlar yani. o kadar hengame ve travmadan sonra kırılgan olmakta haksız sayılmazlar aslında.
ezcümle efendim, nükleosentez evrenin belki de en hayati reaksiyon zinciri. bunu elden geldiğince detaylı öğrendiğinde de insan huşu ile doluyor.
