10-20 milyar yıldır genişleyen bir evrenin içinde bulunuyoruz. Fakat sürekli genişleyip genişlemeyeceğini bilmiyoruz. Belki sonsuza dek genişlemesine devam edecek, belki de yavaşlayıp, büzülmeye başlayarak yeni bir dönemi başlatacak ve belki sonunda yine büyük patlama öncesi koşulları oluşturup, yeni bir büyük patlamaya yol açacak.
Doç.Dr.Osman DEMİRCAN
Parçacık fiziğindeki gelişmelerle sürekli yenilenen, genişleyen evren modelleri, son olarak S.Weinberg, A.Salam ve S.L.GIashow tarafından geliştirilen birleşik kuvvetleri kuramı ile de birleştirilerek en olası evren öyküsü, 10-20 milyar yıl geçmişine ve~l010 77 yıl geleceğine kadar detaylarıyla tahmin edilir duruma getirilmiştir. Bu yazıda, bugün öngörülen en olası evren öyküsü kısaca özetlenecektir.
Eğer evren bundan sonra da sürekli genişlerse, evreni oluşturan maddeye, gökadalara yıldızlara ne olacak? Çekimsel kuvvet nedeniyle, evrende hangi maddeler kümesi olursa olsun, kütle merkezine doğru bir çökme olacaktır. Bir yıldızda bu çekimsel kuvvet, ışınım gücüyle dengelenmiştir. Işınım gücü zayıfladığında, yıldız çekimsel güce teslim olur ve hızla çöker; eğer bu çökme, iç sıcaklığın artmasıyla başka bir nükleer reaksiyonu başlatamamışsa, yıldızın sonu gelmiştir. Çökme sırasında yıldızın dış katmanları da uzaya atılır. Çöken kütle 1.4 Güneş kütlesinden küçükse, yıldız beyaz cüce yıldız olur. Güneş kadar bir yıldız, Dünya büyüklüğünde; bir beyaz cüce yıldızı oluşturur. Beyaz cüceler zamanla soğuyup sönükleşerek, sonunda görünmez siyah cüce yıldız olurlar. Çöken kütlenin 1.4 Güneş kütlesinden daha büyük olması halinde çökme daha şiddetli olur. Öyleki, atomlar bile ezilerek, yıldız sadece nötronlardan ibaret kalır; yani bu yolla nötron yıldızları oluşur. Çöken kütle üç Güneş kütlesinden daha azsa çökme, nötron basıncıyla bir yerde durdurulur ve yıldız aşağı yukarı 10 km. yarıçaplı bir küre oluşturur. Bir çay kaşığı nötron yıldızı maddesi, yer üzerinde bir milyar ton gelir. Nötron yıldızları süpernova patlamasıyla oluşurlar. Supernova pâtlârnssı sonunds kolan kütse üç Güneş kütlesinden daha büyükse, nötron basıncı da çökmeye karşı koyamaz ve karadelik oluşur. Bu öyle bir şeydir ki, ondan hiçbirşey- ışık bile- dışarı çıkamaz. Karadelikler, çevrelerindeki hemen bütün maddeyi, hatta ışınım dalgalarını sömürüp, kendilerine çekerler. Bir karadeliğin güneş kütlesi kadar olan kısrriL sadece 3 km. yarıçaplı bir küre içine sığdırabilir.
dızların sonlarıdır. Dünya, Ay gibi gezegen ve doğal uydular zaten ölü sayılır ve yapılarını çok uzun süre aynen koruyabilirler. Bunlarda küçük çekim gücü maddenin kendi basıncıyla dengelenebilir.
Devamlı yeni yıldızların oluşmasıyla gökadalar içindeki yıldızlar içindeki yıldızlararası madde zamanla azalır ve yok olur. Hesaplara göre 100 milyar yıl sonra tüm gökadalar sadece ölü yıldızlar, gezegen ve doğal uydulardan oluşmuş olacaktır. Kapkaranlık olan evren
arasıra bu cisimlerin çarpışmasından çıkan enerjiyle aydınlanacak ve 1000’lerce milyar yıl durum pek değişmeyecektir. Gökadalarda birçok ölü yıldız (milyarlarca yılda birikimi tane) gökada dışına fırlarken enerjileri azalan diğer yıldızlar birbirlerine yaklaşacak ve 1027yılda bu yolla gökadalardaki yıldızların % 99’u boş uzaya fırlarken kalan birer milyar kadar ölü yıldız gökada merkezlerinde dev karadelikler oluşturacaktır. Daha sonra evrendeki bu dev galaktik karadelikler de benzer olaylarla birleşip uzayda tek dolaşan ölü yıldızları da yutarak 10-1.000 defa daha büyük kütleli sü-pergalaktik karadelikleri oluşturacaktır. Bütün bu zaman içinde evren genişlemesine devam edeceği için gittikçe soğuyacak.
Klasik fizik ve genel görecelik kuramlarına göre karadelikler varlıklarını sonsuza dek sürdürecek ve hatta yukarıda belirttiğimiz gibi evren genişlediği halde zamanla kütleleri > daha da artacaktır. Parçacık mekaniğine göre ise durum farklıdır: S.W. Hawking 1974’te göstermiştir ki karadelikler çok az da otsa ışınım ve nöt-rino yayarlar ve bu yolla kütle kaybederek birgün yok-olurlar. Bunun için gerekli zaman çok uzundur.
Eğer süpergalaktik karadelikler oluşursa evrenin sürekli genişlediği de dikkate alınarak onların sıcaklığının 10-18 Kelvin derece alacağı bulunmuştur. Eğer o zaman kozmik arkafon ışınımının sıcaklığı bundan büyük olursa karadelikler yaydıklarından daha fazla enerjiyi çevrelerinden alacaklardır. Fakat evrenin genişlemesiyle arkafon ışınım sıcıklığı 10 18 Kelvin derecenin altında düştüğünde karadelikler soğurduklarından daha çok enerji yaymaya başlayacaklardır. Bu yolla kütle kaybeden ortalama bir galaktik karadeliğin ömrünü -10 . yıl, bir süper galaktika karadeliğindeki de —10 yıl olacaktır. Böylece Q,oc yıl sonra evrende karo delik diye bir şey kalmayacak, tek tük görülen ölü yıldızlar sıcaklığı mutlak sıfıra yaklaşan evren içinde savrulup duracaklardır. Bu yıldızlar da F.J.Dyson’a göre “-10 “ “yİ sonra çarpışma ve birleşmeler sonuca karadeliklere dönüşecek ve Hawking dolasıyla çözümlenip yok olacaklardır. Böylece ~l O10 27 yıl sonra evrendeki tüm madde radyasyona dönüşmüş evren boş ve oldukça sönük bir ışık denizine dönüşmüş, yo-
şımaı gelelim evren acm değilse neler olacağına: önce çekim gücü bir yerde genişlemeyi durduracak ve gökadalar yavaş yavaş birbirlerine doğru yaklaşmaya başlayacaklardır. Bundan sonraki olaylar, öngörülen büyük patlamadan sonraki olaylara bir geri bakıştan başka bir şey değildir. Bu olaylar oluş sırasıyla şekilde gösterilmiştir.
1970’lerden bu yana Y.Zel’dovitch ve A.Starobinski-nin önerileri doğrultusunda E.Tryon, R.Brout, F.Eng-
Şubat 1985
lert, E.Gunzing, D.Atkatz ve H.Pagels gibi araştırmacıların yaptığı çalışmalar sonucunda anlıyoruz ki evren yoktan var olmuştur. Kararsız olan boşluktaki çalkantılar farklı bölgelerde enerji değişimler yaratmıştır. Bu çalkantılardan birisi belli bir kritik enerjiyi üretince parçacık oluşumu başladı (biliyoruz ki Einstein kuramına göre enerji madde arasındaki dönüşümler belli koşullar altında her zaman mümkündür}. Olay hızlandı ve boşluğun bu bölgesi hızla genişlemeye başladı. Yukarıda açıkladığımız o’0 27 yıl sonra evrenin sonu için öngörülen karanlık boşluğa benzeyen bir yokluk denizinden bölgesel -çalkantıların ürettiği enerjiyle yeni bir evren böylece doğmuştur. Önce Leptokuarklârla anti-leptokuarklar oluşmuş, oluşan parçacık sayısı artıkça parçacık oluşumu ve yoğunluk hızla artmış leptokuark-lar kuarklara ve lepton (elektron ve muon gibi düşük kütleli parçacıklarj’laro ayrışmış. Aynı şekilde anti-k”arklar ve anti-leptonlar oluşmuş. Böylece hızla genişlemeye başlayan madde evreninde dört teke! güc (zayıf etkileşim, kuvvetli etkileşim, elektromanyetik çekim güçleri) birleşmiş durumisyd., dunu aogrusu birbirinden ayırt edilemiyordu. Evrende en etkin güç (hatta tek güç) çekimdi. Planck dönemi dediğimiz bu dö, .ern.de parçacıklarla birlikte anti-parçacıklar da oluşmuştu.
Eğer bir parçacık onun anti-parçacığıyla bir araya getirilirse birbirlerini yok ederler ve çok büyük bir enerji açığa çıkar. Parçacık mekaniğinin kanunları madde ve anti-madde için tamamen simetriktir. Bununla beraber biliyoruz ki yakın çevremizde, en azından güneş sistemi içinde madde anti-madde ilişkisinden doğan
28
Cambridge Üniversitesinde çahşan İngi-üz astrofizikçi Stephan Hawking 1971 yı-bnda evrende çok sayıda mini karadelikle-rin var olabileceğini ileri sürmüştü. Çünkü < evrenin çok yoğun olduğu dönemde bu tür mini karadeliklerin oluşmuş olması gerekiyordu. Aym düşünce asknda Hawking’den ı birkaç yıl önce Rus fizikçiler Ya. B. Zel’do-vick ve I.D.Novikov tarafından ileri sürülmüş fakat Batıda pek duyulmamıştı. Step- \ han Hawking’in asıl önemli bulgusu karadeliklerin de parçacıklar halinde sürekli enerji yayına sonucu bir bakıma buharlaşıp yok olduklarıdır. Bu yok olma dönemi öyle uzundur ki büyük patlamadan hemen sonra oluşan mini karadeliklerden ancak Ay kütlesinden çok daha küçük kütleye sahi-bolanlar 16-20 milyar yılda yok olabilmişt lerdir.
büyük patlamalar gözlenmediğinden yakın çevremizde hiç anti-madde (ya da hiç madde) yoktur diyebiliriz. Laboratuvarda anti-madde yapmak oldukça zordur, öncelikle böyle bir parçacığın her çeşit madde parçacığından oldukça uzakta oluşturulması gerekir; aksi halde çok büyük b<‘ patlamayla karşı karşıya kalırız. Bu zorluğa \-«r 1930’da C.D.Ânderson srm-elektron co- ■■■”- , ^^¿¿mııısTir. uaha sonra anti-proton üretiminde de başarı sağlanmıştır. Birbirlerini yok etmeleri dışında madde ve anfi maddenin tüm fizikisi özelinden aynıdır. Örneğin antî-proton ve antı elektronlardan oluşan iki hidrojen atomu bir oksijen atomuyla birleşirse anti-su oluşur ve anti-su da adi su gibi 0° C’de donar ve 100°Cde kaynar. Aradaki farkı içtiğimiz zaman anlarız.
Evrende hızla parçacık ve anti-parçacıkların oluştuğu ilk dönemde bu parçacıkların birbirini yok etmesi sonucu o zamana kadar kapkaranlık olan evren çak yüksek enerjili ışınımıyla doldu. İlk genişlemenin başla-
BİLÎM ve TEKNİK
dığı andan sadece 10’ saniye sonra parçacıklar arası kuvvetli etkileşim gücünün ortaya çıkması sonucu evrende çok kısa bir süre ani genişleme oldu ve sıcaklıkta birdenbire lo28 Kelvin dereceye düştü. Bu anda evrenin yoğunluğu su yoğunluğunun 10 75 katıydı. Bu değerin ne olduğunu anlamak istiyorsanız dergimizin Mayıs 1984 sayısında hakkında bilgi verdiğimiz tüm Samanyolu gökadasının bir hidrojen atomu içerisine sı-kıştırılabildiğini düşünün; ancak o zama.ı yukarıdaki yoğunluğa ulaşılabilir. Biraz yavaşlasada yine hızlo genişleyen evrende parçacık ve anti-parçacıkların birbirini yok etmesinden açığa çıkan yüksek enerjili fotonlar da çok yoğun evrende etkileşerek yeni parçacıkları oluşturuyordu. Böylece yüksek sıcaklık altında maddeden ışınım ışınımdan madde doğarken evren henüz ışınım, elektron, kuark ve bunların anti parçacıklarından oluşuyordu. Bırakın atomları protonlar, nötronlar bile yoktu. Sıcaklık 10,s Kelvin dereceye düşdüğünde elektromanyetik ve zayıf etkileşme güçleri beraberce kendini göstermeye başlıyor ki o anda evrende ikinci bir kısa süreli ani genişleme oluşuyor ve ancak başlangıçtan 10’6 saniye sonra ısı yeterince düştüğü için ıo13 Kelvin derece) kuarklar üçer üçer birleşerek proton ve nötronları oluşturuyorlar. Bu döneme hadron dönemi denir. Evrende her an çok sayıda parçacık kendi anti-parçacıklarıyla çarpışarak yok oluyor ve aynı anda ortaya çıkan yüksek enerjili fotonların maddeleşmesiyle yeni parçacıklar doğuyordu. Bu arada evren genişledikçe ısı düşüyor ve bunun sonucu fotonların çarpışma enerjisi eskisi gibi parçacık anti-parçactk oluşturamaz duruma geliyordu. Bunun sonucu yenileri üretilmeyince parçacık ve antiparçacık sayısı hızla azalıyordu Isı ıo12 Kelvin dereceye indiğinde özellikle ağır kütleli parçacıklar yok olmuştu. Böylece başlangıçtan 104 saniye sonra hadron dönemi son buidu. Buna karşın anti-parçacık karşılığı olmayan bir büyük kütleli parçacık vardı: Higgs boson. Zamanla miktarı çoğalan bu parçacık bugünkü evrenin yapı taşlarından birini oluşturdu. Benzer olay sonradan elektron ve pozitro-nun başına da geldi. Sıcaklık 109 Kelvin dereceye düştüğünde parçacıklardan oluşan piazlama nötrinolar için geçirgen hale geldi, nötrinolar plazmayla etkileşmeye girmeksizin serbestçe yayılmaya başladılar. Başlangıçtan üç saniye sonra sıcaklık üç milyar Kelvin dereceye düşmüştü ve bu sıcaklık artık elektron pozitron oluşumu için yeterli değildi. Yine de elektron oluşum olasılığının poziiron oluşum olasılığından birazcık büyük olması, elektron-pozitron çiftleri zamanla yok olurken, elektron sayısının yavaş yavaş artmasına neden oldu. Kalan ve zamanla sayıları artan hadronlar (protonlar, nötronlarda elektronların çok sonra elektromanyetik güç altında birleşmesiyle evrenin ilk hafif atomları oluştu. Bu dönemde artık evrende anti-parçacık kalmamıştı. Büyük olasılıkla anlattığımız bu olaylar nedeniyle bugün evrende anti madde gözleye-mıyoruz. İlk üç soniyede b’r parçacık doğma şansının bir anti-parçacıkdoğmaşansından birazcık fazla olması bugünkü madde evrenin doğmasını sağlamıştır.
Proton ve nötronlar oluştuktan bir süre sonra bir araya gelerek hafif atom çekirdeklerini oluşturuyorlardı. Fakat ilk zamanlar yüksek ısı altında hemen parçalanan bu çekirdekler ısı yeterince düşünce kararlı olmaya başladılar. Ancak bu durum çok sürmedi başlangıçtan 30 saniye sonra ısı çekirdek füzyonu oluşmasına yetmeyecek kadar düşmüştü. Üçüncü saniye ile otu-
30
zuncu saniye arasında hidrojen (tek proton), deteryum (bir proton^, bir nötron), helyum 3 (iki proton + bir nötron) venelyum 4 (iki proton+. iki nötron) gibi hafif atom çekirdekleri oluştu. Isı ve yoğunluk hâlâ bu çekirdeklerin elektronlarla birleşmesine izin vermiyordu. Yüksek enerjili fotonlar bir proton ile bir elektrondan oluşan hidrojen atomlarını bile hemen parçalıyordu. Atom çekirdekleri oluşması durduktan çok sonra sıcaklık 10.000 °K’nin altına düşünce elektronlar çekirdeklere bağlanmaya başladı, ve böylece elektrikçe dengelenmiş ilk hidrojen ve helyum atomları oluştu. Daha ağır elementler oluşamamıştı. Evren sadece hidrojen, helyum atomlarıyla yüksek enerjili fotonlardan meydana geliyordu. Büyük patlamadan 700.000 yıl sonra bile hızla genişlediği halde evren hâlâ 4.000 Kelvin derece sıcaklıkta ve ışınımla doludur ve gökyüzünün her noktası en az bugünkü Güneş yüzeyi kadar parlaktır. O zamana kadar madde ile ışınım çok yoğun bir ortam içinde sürekli bir etkileşim içindeyken sıcaklık 3.000 Kelvin dereceye düşünce, elektronların artık hidrojen ve helyum çekirdeklerine bağlanmış olması nedeniyle, evren ışınım için geçirgen hale gelmiştir. O zamana kadar yoğun madde tarafından tutulan yüksek enerjili fotonlar artık serbestçe yayılmaya başlamıştır. Yayıldıkça sıcaklığı düşen bu ışınım bugün 2.7 Kelvin derecede ve evrenin derinliklerinde gözlenen arkafon ışınımıdır. Enerjisini de zamanla yitiren bu ışınım gama ışınımından çok uzun dalga boylu radyo ışınımına kaymıştır. Elektriksel olarak evren dengelendiği için büyük ölçeklerde hemen hemen sadece çekim kuvveti kendini gösterir olmuştur. Çekim kuvveti etkisiyle madde dağılımındaki homojenlik küçük ölçülerde bozulmuş ve zamanla oluşan kümelenmeler süper gökada kümelerini oluşturmuş ve yine çekim kuvveti etkisiyle süper gökada kümeleri içindeki maddenin bölgesel kümeler oluşturulması gökada kümelerini meydana getirmiştir. Aynı şekilde gökada kümeleri içinde bölgesel yoğunlaşmalardan ayrı ayrı gökadalar meydana gelmiş ve gökadaların içinde sırasıyla küresel kümeler ve açık kümeler oluşmuştur. Sonradan bu kümelerdeki madde de tek tek yıldızlarda yoğunlaşmıştır. Böylece en hafif iki elementten oluşan ilk yıldızlar çekimsel gücün oluşturduğu basınçla iç sıcaklıkların l(j7 Kelvin dereceye ulaştığında hafif elementleri ağır elementlere dönüştürdüler. Büyük kütleli olanlar bu işi daha çabuk yaparak ürettikleri yeni elementlerden oluşan maddeyi sü-pernova patlamalarıyla evrene saçtılar. Bu maddeden yeni yıldızlar oluştu. Evrende yıldız oluşumu olayı hâlâ devam etmektedir.
Bu arada Samanyolu gökadalarında beş milyar yıl önce bir süpernova kalıntısından Güneş oluştu. Hızlı dönmeyle disk biçimini alan maddenin dış kısımlarındaki bölgesel yoğunlaşmalar büyük gezegenleri meydana getirdi. Bu gezegenlerden bir tanesinde (ki buna Dünya diyoruz) iç sıcaklıkla açığa çıkan gazlar gezegen etrafında bir hava katmanı oluşturdu. Gazlardan bir tanesi soğuyan gezegen yüzeyinde yoğunlaşarak denizleri,okyanusları meydana getirdi. Sıcak denizlerde Güneş’ten gelen morötesi ışınımında etkisiyle kendi kendini kopya edebilen moleküller şekillendi. Son birkaç milyar yıldır evrimleşen bu meloküller bugünkü canlıları meydana getirdi ve bu şekilde var olan bizler damarlarında bir süpernovanın artıklarını taşıyarak evren içindeki yerimizi, geleceğimizi ve geçmişimizi böylece saptamış oluyoruz.
BİLİM ve TEKNİK