Yıldızların arası gerçekten boş mu?

Kanca

Şu an soluduğun havanın bir santimetreküpünde, yani bir şeker küpü kadar hacimde, yaklaşık on milyon kere milyon kere milyon atom ve molekül var. Şimdi bu şeker küpündeki bütün atomları alıp yıldızlar arasındaki uzayın ortalama yoğunluğuna yaydığını düşün. Onları sığdırmak için, her kenarı yirmi kilometreyi aşan dev bir küp gerekir. Bu, İstanbul Boğazı'nın uzunluğunun kabaca üçte ikisi kadar kenarı olan bir kutu demektir.

Yıldızların arası, Dünya'daki laboratuvarların yaratabildiği en iyi boşluklardan bile daha boştur. Ama tamamen boş değildir. O seyrek gaz ve toz, galaksinin geleceğini taşır.

Merkezi soru

Yıldızların arasındaki uzayda ne vardır, bu madde hangi hâllerde bulunur ve gökbilimciler neredeyse görünmez olan bu seyrek ortamı nasıl inceler?

Anlatım

Neredeyse boş, ama hiç değil

Yıldızların arasındaki gaz ve toza yıldızlararası ortam (interstellar medium) denir. OpenStax'ın aktardığına göre bu gazın hepsi Samanyolu'na eşit biçimde yayılsaydı, her santimetreküpe ortalama yalnızca bir atom düşerdi. Odandaki havada ise aynı hacimde yaklaşık on milyon kere milyon kere milyon atom bulunur.

Bu kadar seyrek bir ortamın galaksi ölçeğinde bir önemi var mı? Var, çünkü galaksi çok büyüktür. Aynı kaynağa göre Samanyolu'ndaki bütün gaz ve tozun toplam kütlesi, yıldızlardaki kütlenin yaklaşık yüzde on beşi kadardır; bu da yaklaşık on milyar Güneş kütlesi eder. Seyrek ama devasa bir hacme yayılmış bir hazine.

Bu maddenin yaklaşık yüzde doksan dokuzu gazdır; kalan yüzde biri ise küçük katı taneciklerden, yani kozmik tozdan oluşur. Gazın büyük kısmı, evrenin en bol iki elementi olan hidrojen ve helyumdur. Geri kalanı, önceki kuşak yıldızların ürettiği ağır elementlerden gelir.

Bir ortam, farklı hâller

Yıldızlararası gaz her yerde aynı değildir. Tıpkı Dünya'da suyun buz, sıvı ve buhar olarak bulunması gibi, bu gaz da çok farklı sıcaklık ve yoğunluklarda yaşar.

En soğuk ve en yoğun bölgeler, Ders 9.1'de yıldızların doğum yeri olarak tanıdığımız moleküler bulutlardır. Burada sıcaklık mutlak sıfırın yalnızca birkaç on derece üstündedir ve atomlar moleküller hâlinde birleşir.

Bunlardan daha sıcak ve seyrek olan bölgelerde hidrojen, tek tek atomlar hâlinde dolaşır. OpenStax'a göre bu nötr hidrojen gazının yoğunluğu santimetreküpte onda bir atomdan yüz atoma kadar değişir; sıcaklığı ise yaklaşık yüz kelvinden sekiz bin kelvine kadar çıkabilir.

Sıcak, genç yıldızların yakınında ise gaz, bu yıldızların güçlü mor ötesi ışığıyla yaklaşık on bin kelvine kadar ısınır. Bu enerji hidrojen atomlarından elektronları söküp alır ve gaz iyonlaşır. Böyle bölgelere iyonlaşmış hidrojen bölgesi (H II region) denir.

Bir de beklenmedik bir hâl vardır: bir milyon derece sıcaklıkta, son derece seyrek bir gaz. OpenStax'a göre bu gaz, yakınında görünür bir ısı kaynağı olmadığı hâlde bu kadar sıcaktır. Onu ısıtan, ömürlerinin sonunda patlayan büyük kütleli yıldızların, yani süpernovaların şok dalgalarıdır.

Görünmeyeni görmek

Bu kadar seyrek bir ortamı nasıl görürüz? Her hâlin kendine özgü bir izi vardır.

İyonlaşmış hidrojen, elektronlar yeniden atomlara bağlanırken ışık saçar. Bu ışığın en güçlü rengi kırmızıdır. OpenStax'ın belirttiği gibi, Orion Bulutsusu'nu saran kırmızı parıltı, hidrojenin bu tayf çizgisinden gelir. Işıma bulutsusu (emission nebula) denen bu parlayan bulutlar, fotoğraflarda gördüğümüz kırmızı, pembe yıldız doğum bölgeleridir.

Soğuk nötr hidrojen ise görünür ışıkta hiç parlamaz. Onu yakalamak için radyo teleskoplar gerekir. Bir hidrojen atomunun içindeki elektron ve proton, küçük mıknatıslar gibi belli bir yöne dönük durur. Atom çok nadiren bu yönelimi değiştirir ve bu sırada 21 santimetre dalga boyunda bir radyo dalgası yayar. OpenStax'a göre tek bir atom böyle bir değişim için yüzyıllarca bekleyebilir. Ama galakside o kadar çok hidrojen atomu vardır ki, bu zayıf fısıltı gökyüzünün her yönünden gelen güçlü bir sinyale dönüşür. Bu sinyali yakalayabilecek duyarlılıkta aygıtlar 1951'de hazır oldu. Bugün Samanyolu'nun sarmal kollarının haritası, büyük ölçüde bu 21 santimetre ışımasıyla çıkarılmıştır.

Bir milyon derecelik gaz ise X ışınları yayar ve ancak uzaydaki X ışını teleskoplarıyla görülebilir.

Uzakta değil, etrafımızda

Yıldızlararası ortam, yalnızca uzak bulutsularda değil, Güneş Sistemi'nin hemen dışında da var. Ders 10.6'da heliosferi geçerek yıldızlararası uzaya giren Voyager 1, bu ortamı doğrudan ölçen ilk araç oldu. Donald Gurnett ve arkadaşlarının 2013'te yayımladığı ölçümler, sondanın plazma dalgalarını dinleyerek yıldızlararası plazmanın içinde olduğunu gösterdi.

Güneş de bugün kendisi, bu ortamın içinden geçen bir yolcudur. Galaksinin çevresindeki dolanımı boyunca farklı yoğunluklarda bulutların içinden geçer.

Bir geri dönüşüm döngüsü

Yıldızlararası ortam, galaksinin geri dönüşüm tesisidir. Yıldızlar soğuk bulutlardan doğar. Yaşarken rüzgârlarıyla, ölürken de patlamalarıyla, ürettikleri elementleri bu ortama geri verirler. Süpernovalar gazı ısıtır, karıştırır ve sıkıştırır; sıkışan gaz soğuyarak yeni bulutlar oluşturur; yeni bulutlardan da yeni yıldızlar doğar. Her döngüde ortam, ağır elementler açısından biraz daha zenginleşir.

Aslında…

Seyreklik, önemsizlik anlamına gelmez. Bugün gökyüzünde gördüğümüz her genç yıldız, bir zamanlar bu ortamın bir parçasıydı.

Büyük resim

Galaksiler yalnızca yıldızlardan oluşmaz. Yıldızlar, bir galaksinin yaşayan ve ölen bireyleriyse, yıldızlararası ortam onların hepsinin geldiği ve döndüğü topraktır. Bir galaksinin ne kadar gaz taşıdığı, gelecekte ne kadar yıldız doğurabileceğini de belirler. Gazını tüketen galaksiler zamanla yeni yıldız üretmeyi bırakır ve yaşlanır.

Bu ortam, yaşamın kimyasının başladığı yer de olabilir. Soğuk bulutların içinde, toz taneciklerinin yüzeyinde şaşırtıcı derecede karmaşık moleküller oluşur. Yıldızların arasındaki boşluk, kimyanın da laboratuvarıdır.

Özet

1. Yıldızların arası çok seyrektir: ortalama her santimetreküpte yalnızca bir atom vardır; ama Samanyolu'ndaki bütün gaz ve toz, yıldız kütlesinin yaklaşık yüzde on beşine, on milyar Güneş kütlesine ulaşır.
2. Yıldızlararası ortamın yaklaşık yüzde doksan dokuzu gaz, yüzde biri tozdur; gaz soğuk moleküler bulutlardan, nötr hidrojenden, on bin kelvinlik iyonlaşmış bölgelerden ve süpernovaların ısıttığı milyon derecelik seyrek gaza kadar farklı hâllerde bulunur.
3. Gökbilimciler bu hâlleri farklı ışıklarla inceler: iyonlaşmış hidrojeni kırmızı ışımasıyla, nötr hidrojeni 21 santimetrelik radyo dalgasıyla, çok sıcak gazı X ışınlarıyla.

Görev

Quiz

1. Yıldızlararası ortamın ortalama yoğunluğu nedir ve Dünya'daki havayla nasıl karşılaştırılır?
2. Yıldızlararası ortamda gaz ve toz hangi oranda bulunur?
3. İyonlaşmış hidrojen bölgeleri nasıl oluşur ve neden kırmızı parlar?
4. Nötr hidrojeni hangi yolla gözleriz?
5. Bir milyon derecelik yıldızlararası gazı ne ısıtır?

Cevaplar

1. Ortalama her santimetreküpte yaklaşık bir atom; oysa havanın bir santimetreküpünde yaklaşık on milyon kere milyon kere milyon atom bulunur.
2. Yaklaşık yüzde doksan dokuzu gaz, yüzde biri katı toz tanecikleridir.
3. Sıcak, genç yıldızların mor ötesi ışığı yakındaki hidrojenden elektronları söker ve gazı yaklaşık on bin kelvine ısıtır; elektronlar yeniden atomlara bağlanırken hidrojen, en güçlüsü kırmızı olan tayf çizgileri yayar.
4. Radyo teleskoplarla; hidrojen atomundaki elektron ve protonun yönelimi değiştiğinde yayılan 21 santimetrelik radyo dalgasını yakalayarak.
5. Ömürlerinin sonunda patlayan büyük kütleli yıldızların, yani süpernovaların şok dalgaları.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Yıldızlararası ortamın yalnızca yüzde biri tozdur. Ama bu küçük pay, yıldızların ışığını perdeler, soğuk bulutların soğumasına yardım eder ve gezegenlerin ilk yapı taşlarını oluşturur. Duman parçacığından küçük bu taneler neyden yapılmıştır ve bir gezegen nasıl onlardan başlayabilir?