Uzaydan gelen mermiler

Kanca

1990'ların başında ABD'nin Utah eyaletindeki bir dedektör, atmosfere çarpan tek bir parçacık kaydetti. Tek bir atom çekirdeği, belki de yalnızca bir proton. Ama taşıdığı enerji 51 juldü.

Bu, bir beyzbol atıcısının fırlattığı topun enerjisi kadardır. Bir toz zerresinden milyarlarca kat küçük bir parçacık, eldivene çarpan bir topun darbesini tek başına taşıyordu. Araştırmacılar ona sonradan, şaşkınlıklarını yansıtan bir lakap taktı: "Oh-My-God" parçacığı. Bu parçacık, uzaydan Dünya'ya her an yağan kozmik ışınların en uç örneklerinden biriydi.

Merkezi soru

Kozmik ışınlar nedir, nasıl keşfedildi, bu kadar büyük enerjileri nereden kazanır ve neden nereden geldiklerini bulmak bu kadar zordur?

Anlatım

Balonla gelen keşif

Kozmik ışınların hikâyesi bir balon sepetinde başlar. OpenStax'a göre Victor Hess (okunuşu "viktor hes") 1912'de bir balonla 5,3 kilometreye kadar yükseldi ve bu tür balon uçuşlarında, kaynağı yeryüzü değil uzay olan bir ışınımı keşfetti. Buna kozmik ışınlar (cosmic rays) denildi. Ölçümü yerden uzaklaşarak yapmak, ışınımın yukarıdan geldiğini anlamanın yoluydu.

"Işın" adı yanıltıcıdır. Kozmik ışınlar ışık değil, çok hızlı hareket eden yüklü parçacıklardır. OpenStax'a göre kozmik ışınların yaklaşık yüzde doksanı elektronlarından soyulmuş hidrojen çekirdekleri, yani protonlardır; helyum ve daha ağır çekirdekler yaklaşık yüzde dokuzunu oluşturur.

Kozmik hızlandırıcılar

Bu parçacıklar bu kadar enerjiyi nereden alır? OpenStax'a göre en iyi adaylar süpernova patlamalarıdır. Patlamanın savurduğu madde, yıldızlararası ortamda ilerleyen bir şok dalgası oluşturur. Yüklü parçacıklar bu şok cephesinde tuzağa düşer ve cephenin iki yanı arasında defalarca gidip gelir. Her geçişte şoktaki manyetik alanlar onları biraz daha hızlandırır. Sonunda ışık hızına yakın hızlara ulaşan parçacıklar şoktan kaçar ve kozmik ışın olur.

Bunu, iki raket arasında gidip gelen ve her vuruşta biraz daha hızlanan bir tenis topuna benzetebilirsin. Raketler birbirine yaklaşıyorsa, top her sekişte enerji kazanır.

Çözümlü problem 1: Bir parçacıkta beyzbol topu

Bird ve arkadaşlarının 1995'teki makalesine göre Utah'taki Fly's Eye dedektörünün yakaladığı parçacığın enerjisi 320 EeV, yani 3,2 × 10²⁰ elektronvolttu; bu da yaklaşık 51 juldür. Kütlesi yaklaşık 145 gram olan bir beyzbol topunun bu kadar hareket enerjisine sahip olması için gereken hızı bulalım.

Hareket enerjisi ½mv² olduğundan: v = √(2E / m) = √(2 × 51 / 0,145) ≈ 26,5 m/s. Sesli okunuşu: "hız, iki çarpı enerjinin kütleye bölümünün karekökü; yaklaşık saniyede yirmi altı buçuk metre." Bu, saatte yaklaşık 95 kilometredir; iyi bir atıcının fırlattığı topun hızı. Tek bir atom çekirdeği, böyle bir topun bütün enerjisini taşıyordu.

Çözümlü problem 2: Işıkla yarış

Bu parçacık ne kadar hızlı gidiyordu? Protonun durgun kütle enerjisi yaklaşık 938 milyon elektronvolttur. Ders 15.4'teki Lorentz çarpanı, toplam enerjinin bu durgun enerjiye oranıdır: γ ≈ 3,2 × 10²⁰ / 9,38 × 10⁸ ≈ 3,4 × 10¹¹. Bunu "üç yüz yirmi eksa elektronvoltu dokuz yüz otuz sekiz milyona böl; üç yüz kırk milyar kadar" diye okuruz.

Gama bu kadar büyükse, hızın ışık hızından farkı akıl almaz derecede küçüktür: 1 − v/c ≈ 1 / (2γ²) ≈ 4 × 10⁻²⁴. Bu parçacık, genişliği yüz bin ışık yılı kadar olan Samanyolu'nu baştan başa bir ışık ışınıyla yarışarak geçseydi, yarışın sonunda ışığın yalnızca yaklaşık dört milimetre gerisinde kalırdı.

Nereden geliyorlar?

Kozmik ışınların kaynağını bulmak zordur, çünkü yüklü parçacıklardır ve yolda manyetik alanlar tarafından saptırılırlar. IceCube ekibinin 2023 makalesinde vurgulandığı gibi, galaksimizde üretilen kozmik ışınlar yıldızlararası manyetik alanlarda sapar ve Dünya'ya gelişigüzel yönlerden ulaşır. Bir kozmik ışının geldiği yön, kaynağını göstermez.

En enerjik parçacıklar ise daha az sapar. Pierre Auger Gözlemevi, 8 × 10¹⁸ elektronvoltun üstündeki otuz bin kozmik ışının geliş yönlerini inceleyerek gökyüzünde hafif bir yönelim buldu; ekibe göre bu yön, en yüksek enerjili parçacıkların galaksimizin dışından geldiğine işaret ediyor.

Çözümlü problem 3: Boşluktan gelen parçacık

2023'te Telescope Array ekibi, enerjisi yaklaşık 244 EeV, yani kabaca 40 jul olan bir parçacık bildirdi. Oh-My-God parçacığıyla karşılaştıralım: 244 / 320 ≈ 0,76. İkinci parçacık, birincinin enerjisinin dörtte üçünden fazlasını taşıyordu.

Gizemli olan yönüdür. Ekibe göre parçacığın geldiği yön, evrenin büyük ölçekli yapısında bir boşluğu, yani galaksilerin çok seyrek olduğu bir bölgeyi gösteriyor. Ekip üç olasılık sayıyor: parçacık yolda manyetik alanlarla büyük ölçüde saptırılmış olabilir, yakın evrende bilinmeyen bir kaynak bulunabilir ya da parçacık fiziğine dair bilgimiz eksik olabilir. Bu tür en uç parçacıkların nerede ve nasıl hızlandığı, bugün hâlâ açık bir sorudur.

Aslında…

Büyük resim

Kozmik ışınlar, evrendeki en güçlü doğal hızlandırıcıların ürünüdür. Yeryüzündeki en büyük parçacık hızlandırıcıları bile, bu uç parçacıkların enerjisinin çok küçük bir bölümüne ulaşabilir. Bu parçacıklar, süpernova şoklarının, belki de kara deliklerin çevresindeki dev jetlerin nasıl çalıştığına dair doğrudan bir tanıktır.

Kozmik ışınlar aynı zamanda gündelik hayatımıza da dokunur. Atmosfere çarptıklarında ikincil parçacıklardan oluşan sağanaklar yaratır; Ders 15.4'te gördüğümüz müonlar bu sağanakların ürünüdür. Uzay yolculuğunda astronotları tehdit eden ışınımın önemli bir kısmı da onlardan gelir. Görünmez evren, bize sandığımızdan çok daha yakındır.

Özet

1. Kozmik ışınlar, Victor Hess'in 1912'de 5,3 kilometreye yükselen balon uçuşlarında keşfettiği, uzaydan gelen yüklü parçacıklardır; yaklaşık yüzde doksanı protondur, yüzde dokuzu helyum ve daha ağır çekirdeklerdir.
2. Süpernova şok dalgaları, parçacıkları cephenin iki yanında defalarca gidip gelirken hızlandırarak kozmik ışın üretebilir; Fly's Eye'ın yakaladığı Oh-My-God parçacığı 51 jul, yani saatte yaklaşık 95 kilometreyle giden bir beyzbol topunun enerjisini taşıyordu.
3. Bu parçacığın Lorentz çarpanı yaklaşık 3,4 × 10¹¹'dir ve ışıktan geri kalışı akıl almaz derecede küçüktür; kozmik ışınlar manyetik alanlarda saptığı için kaynaklarını bulmak zordur, ama en enerjikleri galaksimizin dışından geliyor gibi görünmektedir.

Görev

Quiz

1. Victor Hess kozmik ışınları nasıl keşfetti?
2. Kozmik ışınların çoğu hangi parçacıklardan oluşur?
3. Süpernova şok dalgaları parçacıkları nasıl hızlandırır?
4. Oh-My-God parçacığının enerjisi hangi gündelik cisimle karşılaştırılabilir?
5. Kozmik ışınların kaynağını bulmak neden zordur?

Cevaplar

1. 1912'de 5,3 kilometreye kadar yükselen balon uçuşları sırasında, kaynağı uzay olan bir ışınım olarak.
2. Yaklaşık yüzde doksanı protondur; helyum ve daha ağır çekirdekler yüzde dokuzu kadardır.
3. Parçacıklar şok cephesinde tuzağa düşüp cephenin iki yanı arasında defalarca gidip gelir; her geçişte manyetik alanlar onları biraz daha hızlandırır.
4. Saatte yaklaşık 95 kilometreyle fırlatılmış bir beyzbol topuyla; ikisi de yaklaşık 51 jul taşır.
5. Çünkü yüklü oldukları için yolda manyetik alanlar onları saptırır ve Dünya'ya geldikleri yön kaynaklarını göstermez.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Bu modülde evreni radyo dalgalarıyla, kızılötesiyle, X ve gama ışınlarıyla, nötrinolarla ve kozmik ışınlarla izledik. 2017'de bu habercilerin birkaçı aynı olayda buluştu: iki nötron yıldızının çarpışmasını hem kütleçekim dalgalarıyla "duyduk" hem de ışığın her renginde "gördük". Çoklu haberci gökbilimi nedir ve farklı habercileri birleştirmek bize ne kazandırır?