Mavi yıldız mı sıcak, kırmızı mı?

Kanca

Musluklarda kırmızı işaret sıcak suyu, mavi işaret soğuk suyu gösterir. Hava durumu haritalarında da sıcak bölgeler kırmızı, soğuk bölgeler mavi boyanır. Gündelik hayatımızda kırmızı sıcaklığın, mavi soğukluğun rengidir.

Gökyüzünde ise bu kural tersine döner. Kış akşamlarında Avcı takımyıldızında turuncu-kırmızı Betelgeuse ile mavimsi beyaz Rigel yan yana parlar. Bu ikisinden çok daha sıcak olan, mavimsi olanıdır. Gökyüzünde mavi, sıcak demek.

Merkezi soru

Bir yıldızın rengi, yüzeyinin sıcaklığı hakkında ne söyler ve gökbilimciler bir yıldızın sıcaklığını ona hiç dokunmadan nasıl ölçer?

Anlatım

Isınan demirin renkleri

Bir demircinin ocağında ısıtılan bir demir çubuğu düşün. Önce hiçbir renk değişikliği görmezsin, ama yaklaştığında elinde sıcaklığı hissedersin. Çubuk o sırada gözün göremediği kızılötesi ışık yayıyordur. Isı arttıkça çubuk koyu kırmızı bir parıltıyla ışımaya başlar, sonra turuncuya, ardından sarımsı beyaza döner. Sıradan bir ocakta ulaşılamayacak kadar yüksek sıcaklıklarda metal göz kamaştırıcı mavimsi beyaz bir renk alır.

Sıcak her cisim ışık yayar. Bunun sebebi, cismi oluşturan atomların ve moleküllerin sürekli titreşmesidir; cisim ne kadar sıcaksa bu titreşim o kadar hızlıdır. Titreşen yüklü parçacıklar, Ders 6.2'de tanıdığımız elektromanyetik tayfın geniş bir bölümüne yayılan ışık saçar. Sıcaklık arttıkça yayılan ışığın ağırlık merkezi daha kısa dalga boylarına, yani kırmızıdan maviye doğru kayar.

Tepe noktası nerede?

Sıcak bir cismin yaydığı ışık tek bir renkte değildir. Her dalga boyunda biraz ışık yayar, ama bir dalga boyunda en parlaktır. Bu dalga boyuna ışımanın tepe noktası diyebiliriz. Alman fizikçi Wilhelm Wien, tepe noktasının sıcaklıkla ters orantılı olarak kaydığını gösterdi; buna Wien yasası denir. Sıcaklık iki katına çıkarsa, en parlak ışığın dalga boyu yarıya iner.

Gökbilimde sıcaklık genellikle kelvin cinsinden verilir. Kelvin ölçeğinde sıfır, bütün moleküler hareketin durduğu en düşük sıcaklıktır. Suyun donduğu sıcaklık yaklaşık iki yüz yetmiş üç, kaynadığı sıcaklık üç yüz yetmiş üç kelvindir. Wien yasasına göre, tepe noktasının nanometre cinsinden dalga boyunu bulmak için üç milyonu cismin kelvin cinsinden sıcaklığına bölmek yeterlidir.

Birkaç örnekle hesaplayalım. Güneş'in yüzey sıcaklığı yaklaşık beş bin sekiz yüz kelvindir; tepe noktası beş yüz nanometreye yakın düşer, görünür ışığın tam ortasına. Yaklaşık üç yüz on kelvin sıcaklıktaki insan vücudunun tepe noktası ise on bin nanometreye yakındır, derin kızılötesinde. Isı kameraları insanları bu yüzden karanlıkta da görebilir.

Yıldızların renk yelpazesi

Aynı hesabı yıldızlara uygulayalım. Betelgeuse gibi kırmızı bir yıldızın yüzey sıcaklığı yaklaşık üç bin kelvindir; tepe noktası bin nanometre dolaylarında, görünür ışığın biraz ötesinde, kızılötesindedir. Gözümüze ulaşan görünür ışığı ise kırmızı uçta daha güçlü olduğu için yıldız turuncu-kırmızı görünür.

Aldebaran gibi turuncu yıldızlar yaklaşık dört bin, Güneş gibi sarımsı yıldızlar altı bin kelvin dolaylarındadır. Vega gibi beyaz yıldızlar on bin kelvine ulaşır. Bahar akşamlarında güneydoğuda parlayan Spika gibi mavi yıldızların yüzeyi ise yirmi beş bin kelvin dolaylarındadır; tepe noktaları morötesine kaymıştır. Bilinen en sıcak yıldızların yüzeyi kırk bin kelvini aşar, en soğukları ise iki bin kelvin dolaylarındadır.

Sıcak yıldızlar yalnızca daha mavi değildir, aynı zamanda her dalga boyunda daha fazla ışık yayar. Aynı büyüklükteki iki yıldızdan sıcak olanı, kırmızıda bile soğuk olanından daha parlaktır.

Neden yeşil yıldız yok?

Güneş'in tepe noktası yeşile yakın düşüyorsa, Güneş neden yeşil görünmüyor? Çünkü Güneş yalnızca yeşil ışık yaymaz; kırmızıdan mora bütün görünür renkleri yaklaşık eşit ölçüde yayar. Gözümüz bütün renklerin bu karışımını beyaz olarak algılar. Uzaydan bakıldığında Güneş beyaz görünür; yeryüzünde sarımsı görünmesinin sebebi, atmosferin mavi ışığın bir kısmını saçmasıdır.

Aynı nedenle gökyüzünde yeşil yıldız yoktur. Tepe noktası yeşilde olan bir yıldız kırmızı ve maviyi de bol yayar ve beyaz görünür. Yıldızların renkleri kırmızıdan turuncuya, sarıdan beyaza, oradan maviye uzanan tek bir çizgi boyunca dizilir.

Gözle renkleri görmek

Yıldız renkleri gökyüzünde çoğu zaman soluktur. Ders 5.7'de gözün karanlığa alışmasını konuşmuştuk. Karanlıkta çalışan göz hücreleri çok duyarlıdır, ama renk ayırt edemez. Bu yüzden sönük yıldızlar gözümüze beyaz görünür; renkleri ancak parlak yıldızlarda seçebiliriz. Betelgeuse, Rigel, Aldebaran ve Vega gibi parlak yıldızlar, çıplak gözle renk karşılaştırması için en iyi adaylardır.

Aslında…

Kırmızı bir yıldızın "soğuk" olması da göreceli bir ifadedir. Üç bin kelvin sıcaklıktaki bir yıldızın yüzeyi, demiri eritebilecek kadar sıcaktır. Gökbilimde "soğuk yıldız", yalnızca öbür yıldızlara göre daha az sıcak demektir.

Büyük resim

Bir yıldızın rengi, onun termometresidir. Gökbilimciler yüzlerce ışık yılı uzaktaki bir yıldızın yüzey sıcaklığını, ışığının hangi dalga boylarında ne kadar güçlü olduğuna bakarak ölçer. Aynı yöntem galaksilerin, gaz bulutlarının ve Ders 6.2'de gördüğümüz görünmez ışıklarda parlayan pek çok gökcisminin sıcaklığını bulmakta da kullanılır.

Sıcaklık, bir yıldız hakkında öğrenebileceğimiz en temel bilgilerden biridir. Parlaklıkla birlikte ele alındığında yıldızın büyüklüğünü, kütlesini ve yaşam evresini anlamanın kapısını açar. Gökyüzündeki renkli noktalar, aslında sıcaklıkları çok farklı güneşlerdir.

Özet

1. Sıcak her cisim ışık yayar; sıcaklık arttıkça en parlak ışığın dalga boyu kısalır ve renk kırmızıdan turuncuya, sarıya, beyaza ve maviye kayar.
2. Wien yasasına göre tepe noktasının dalga boyu sıcaklıkla ters orantılıdır: Güneş'in yaklaşık beş bin sekiz yüz kelvinlik yüzeyi en çok beş yüz nanometre dolaylarında ışır.
3. Kırmızı yıldızlar yaklaşık üç bin, mavi yıldızlar yirmi beş bin kelvin ve üstündedir; yeşil yıldız yoktur, çünkü tepe noktası yeşilde olan bir yıldız bütün renkleri yayar ve beyaz görünür.

Görev

Quiz

1. Isıtılan bir demir çubuğun rengi sıcaklık arttıkça nasıl değişir?
2. Wien yasası neyi anlatır?
3. İnsan vücudunun yaydığı ışık tayfın hangi bölgesinde en güçlüdür?
4. Gökyüzünde neden yeşil yıldız görmeyiz?
5. Sönük yıldızlar gözümüze neden renksiz görünür?

Cevaplar

1. Önce yalnızca kızılötesi yayar, sonra koyu kırmızı, turuncu, sarımsı beyaz ve çok yüksek sıcaklıklarda mavimsi beyaz ışır.
2. Sıcak bir cismin en parlak ışıdığı dalga boyunun sıcaklıkla ters orantılı olduğunu; sıcaklık arttıkça tepe noktasının daha kısa dalga boylarına kaydığını.
3. Kızılötesinde; yaklaşık üç yüz on kelvinlik vücudun tepe noktası on bin nanometre dolaylarındadır.
4. Çünkü tepe noktası yeşilde olan bir yıldız kırmızı ve mavi ışığı da bol yayar; gözümüz bu karışımı beyaz algılar.
5. Çünkü karanlığa alışmış gözde çalışan duyarlı hücreler renk ayırt edemez; renkler ancak parlak yıldızlarda seçilebilir.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Bir yıldızın rengi sıcaklığını söylüyor. Ama ışığı bir prizmadan geçirip çok daha ayrıntılı bir tayf elde edersek, renk şeridinin üzerinde ince karanlık çizgiler belirir. Bu çizgilerin yerleri, ışığın geçtiği gazın hangi elementlerden oluştuğunu ele verir. Bir yıldıza hiç gitmeden, onun neyden yapıldığını bu çizgilerden nasıl okuyabiliriz?