Tozun arkasını görmek

Kanca

Karanlık bir yaz gecesinde Samanyolu'na bakarsan, ışıklı şeridin ortasında onu boylamasına bölen koyu lekeler ve yarıklar görürsün. İlk bakışta orada hiç yıldız yokmuş gibi gelir; sanki gökyüzünde delikler açılmış.

Oysa o karanlıkların ardında sayısız yıldız ve doğmakta olan yeni güneşler var. Onları saklayan, aramızdaki ince toz. Aynı bölgeye kızılötesi ışıkla bakınca, perde aralanır ve karanlık bulutlar yıldızlarla dolar.

Merkezi soru

Yıldızlararası toz ışığı neden söndürür ve kızartır, kızılötesi ışık bu tozun içinden nasıl geçer ve kızılötesi gözlemler bize görünür ışığın gösteremediği neleri gösterir?

Anlatım

Tozun iki etkisi

Ders 11.2'de yıldızlararası tozu tanımıştık: çapı onlarca nanometre olan, yani görünür ışığın dalga boyundan biraz küçük taneler. Bu taneler yıldız ışığını hem soğurup hem saçarak söndürür; sönümleme dediğimiz etki budur. Mavi ışığı kırmızıdan daha çok eledikleri için arkalarındaki yıldızlar kızarmış görünür, tıpkı ufka yakın Güneş'in havada kızarması gibi.

Bu derste soruyu tersinden soracağız: tozun bu perdesini aralamanın yolu nedir ve ne kadar aralanabilir?

Uzun dalgalar engele takılmaz

Bir dalga, kendi boyundan çok küçük engellere pek takılmaz. Toz taneleri görünür ışıkla yaklaşık aynı boydadır ve onu güçlü biçimde etkiler. Kızılötesi ışık ise daha uzun dalgalıdır ve bu küçük tanelerin arasından çok daha kolay geçer. OpenStax'a göre 2 mikrometrede, yani 2000 nanometrede, sönümleme görünür ışıktakinin yalnızca altıda biri kadardır. Radyo dalgaları, çok daha uzun oldukları için neredeyse hiç etkilenmez.

Bunu denizdeki dalgalarla düşünebilirsin. Kıyıya vuran uzun bir dalga, suyun üstünde yüzen küçük bir mantar parçasının yanından hiç bozulmadan geçer. Aynı mantar, ancak kendi boyundaki kısa dalgacıkları gerçekten dağıtabilir. Toz taneleri de uzun kızılötesi dalgalar için böyle küçük mantar parçalarıdır: dalgayı biraz sarsar ama durduramaz.

Çözümlü problem 1: Galaksinin merkezine bakmak

OpenStax'a göre galaksimizin merkezinden gelen görünür ışık, aradaki toz yüzünden bir trilyon kat, yani 10¹² kat zayıflar. Bunu kadire çevirelim. Ders 5.8'deki kadir tanımını logaritmayla yazarsak: 2,5 × log 10¹² = 2,5 × 12 = 30 kadir. Bunu "on üzeri on ikinin logaritması on iki; on ikinin iki buçuk katı otuz kadir" diye okuruz.

Kızılötesinde, 2 mikrometrede sönümleme bunun altıda biriyse, 30 / 6 = 5 kadir olur. Beş kadir, parlaklıkta yalnızca yüz katlık bir zayıflama demektir. Görünür ışıkta bir trilyonda biri bize ulaşırken, kızılötesinde yüzde biri ulaşır. Galaksi merkezinin çevresindeki yıldızların yörüngelerinin kızılötesinde izlenmesinin nedeni tam budur.

Tozun kendisi de parlar

Toz yalnızca ışığı engellemez; soğurduğu enerjiyle ısınır ve bu ısıyı yeniden yayar. OpenStax'a göre taneler genellikle 10 ile yaklaşık 500 kelvin arasında bir sıcaklığa ısınır ve enerjilerinin çoğunu kızılötesinden mikrodalgaya uzanan, onlarca ile yüzlerce mikrometrelik dalga boylarında yayar.

Çözümlü problem 2: Soğuk toz nerede parlar?

Ders 15.2'deki Wien yasasını mikrometre cinsinden yazalım: tepe dalga boyu, yaklaşık 2900'ün kelvin cinsinden sıcaklığa bölümüdür. Bunu "tepe dalga boyu mikrometre olarak, iki bin dokuz yüz bölü sıcaklık" diye okuruz.

Yirmi kelvinlik soğuk toz için tepe yaklaşık 2900 / 20 ≈ 145 mikrometredir; yüz kelvinlik ılık toz için yaklaşık 29 mikrometre. Bin kelvin sıcaklığa ısınmış, yeni doğmakta olan bir yıldızı saran gaz ve toz ise yaklaşık 2,9 mikrometrede en parlak hâlindedir. Bu değerlerin hiçbiri gözümüzün gördüğü 0,4 ile 0,7 mikrometre arasındaki dar aralığa düşmez. Soğuk evren, kızılötesinde parlar.

Çözümlü problem 3: Uzak galaksiler neden kızılötesinde?

Kızılötesinin üçüncü bir üstünlüğü var. Evren genişledikçe uzak galaksilerin ışığı yolda gerilir ve dalga boyu uzar. Gözlenen dalga boyu, yayılan dalga boyunun bir artı kırmızıya kayma (z) ile çarpımıdır: λ_gözlenen = λ_yayılan × (1 + z). Sesli okunuşu: "gözlenen dalga boyu, yayılan dalga boyu çarpı bir artı z."

Carniani ve arkadaşları 2024'te Webb teleskobuyla, kırmızıya kayması 14,32 olan bir galaksinin tayfını doğruladı ve tayfta belirgin bir Lyman-alfa kırılması gördü. Bu kırılma, hidrojenin 121,6 nanometrelik morötesi çizgisinin yerindedir. Gözlenen dalga boyu: 121,6 × (1 + 14,32) ≈ 1860 nm, yani yaklaşık 1,9 mikrometre. Yola morötesi olarak çıkan ışık, bize kızılötesi olarak ulaştı. Ekibe göre bu galaksi, Büyük Patlama'dan yalnızca yaklaşık 300 milyon yıl sonra zaten parlaktı.

Aslında…

Büyük resim

Kızılötesi, gökbilimin tozun arkasına bakan gözüdür. Yıldızların doğduğu karanlık bulutların içini, galaksimizin merkezini ve soğuk tozun kendisini bu dalga boylarında görürüz. Evrenin en uzak ve en eski galaksileri de, ışıkları yolda gerildiği için, bize kızılötesinde ulaşır.

Bu yüzden Webb gibi teleskoplar kızılötesine göre tasarlanır. Görünür ışığın gösterdiği gökyüzü, evrenin yalnızca bir yüzüdür; kızılötesi, karanlık sandığımız yerlerin aslında ne kadar dolu olduğunu gösterir.

Özet

1. Onlarca nanometrelik yıldızlararası toz taneleri ışığı soğurup saçarak söndürür; mavi ışığı kırmızıdan daha çok etkilediği için tozun arkasındaki yıldızlar hem sönük hem kızarmış görünür.
2. Kızılötesi ışık tozun içinden çok daha kolay geçer: galaksi merkezinden gelen görünür ışık 10¹² kat, yani 30 kadir zayıflarken, 2 mikrometredeki kızılötesi yalnızca yaklaşık 5 kadir, yani yüz kat zayıflar.
3. Soğuk toz Wien yasasına göre onlarca ile yüzlerce mikrometrede parlar ve çok uzak galaksilerin morötesi ışığı kırmızıya kaymayla kızılötesine gerilir; kırmızıya kayması 14,32 olan bir galaksinin 121,6 nanometrelik kırılması bize yaklaşık 1,9 mikrometrede ulaştı.

Görev

Quiz

1. Toz, yıldız ışığını hangi iki yolla zayıflatır?
2. Tozun arkasındaki yıldızlar neden kızarmış görünür?
3. Kızılötesi ışık tozun içinden neden daha kolay geçer?
4. Bir trilyon kat zayıflama kaç kadirdir?
5. Çok uzak galaksiler neden kızılötesinde gözlenir?

Cevaplar

1. Tozun ışığı soğurması ve başka yönlere saçması.
2. Çünkü toz mavi ve yeşil ışığı kırmızıdan çok daha fazla saçar ya da soğurur; geriye daha çok kırmızı ışık kalır.
3. Çünkü dalga boyu toz tanelerinin boyundan daha uzundur ve bu küçük engellere daha az takılır.
4. Otuz kadir; iki buçuk çarpı on ikinin sonucu.
5. Çünkü evrenin genişlemesi ışıklarının dalga boyunu gerer; yola morötesi ya da görünür ışık olarak çıkan ışık bize kızılötesi olarak ulaşır.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Kızılötesi ve radyo, evrenin serin ve sakin yüzünü gösterir. Tayfın öbür ucunda ise bambaşka bir evren var: en kısa dalga boylu, en enerjik ışınlar, yalnızca en sıcak ve en şiddetli olaylardan gelir. Bu ışınların bir kısmı, Soğuk Savaş'ta nükleer denemeleri izlemek için gönderilen uydular sayesinde keşfedildi. Evrenin en şiddetli olayları hangi ışıkta parlar ve onları nasıl yakalarız?