Bir yıldızın neyden yapıldığını nasıl biliyoruz?

Kanca

18 Ağustos 1868, Hindistan'ın Guntur kenti. Fransız gökbilimci Pierre Janssen (okunuşu "Piyer Jansen"), tam Güneş tutulması sırasında Ay'ın kenarından taşan kızıl gaz dillerinin ışığını prizmalı bir aletle inceliyor. Işığın içinde parlak sarı bir çizgi görüyor. İlk bakışta bunun sodyuma ait olduğunu düşünüyor, ama çizginin yeri bilinen hiçbir elementin çizgisine tam uymuyor.

Aynı yıl İngiliz gökbilimci Norman Lockyer (okunuşu "Normın Lakyır") aynı sarı çizgiyi görüyor ve bunun yeryüzünde henüz bilinmeyen bir elementten geldiği sonucuna varıyor. Elemente Yunanca Güneş anlamına gelen "helios" sözcüğünden helyum adı veriliyor. Helyum, Dünya'da bulunmadan önce Güneş'te bulundu. Yeryüzünde ilk kez ancak yirmi yedi yıl sonra, bir uranyum mineralinin içinde yakalanacaktı.

Merkezi soru

Gökbilimciler milyonlarca kilometre, hatta ışık yılları uzaktaki bir yıldızın hangi elementlerden oluştuğunu, ona hiç gitmeden nasıl anlayabilir?

Anlatım

Güneş ışığındaki karanlık çizgiler

1814'te Alman gözlükçü ve fizikçi Joseph von Fraunhofer (okunuşu "Yozef fon Fraunhofer"), Güneş ışığını çok kaliteli prizmalarla, dar bir yarıktan geçirerek inceledi. Kırmızıdan mora uzanan renk şeridinin üzerinde yüzlerce ince karanlık çizgi gördü. Beş yüzden fazlasının yerini haritalandırdı ve en belirginlerine A'dan K'ye harfler verdi. Bu çizgilerin neden orada olduğunu ise bilmiyordu.

Her elementin kendi çizgileri

Kırk beş yıl sonra, 1859'da Heidelberg'de fizikçi Gustav Kirchhoff (okunuşu "Gustaf Kirhof") ve kimyacı Robert Bunsen (okunuşu "Robert Bunzen") bilmecenin anahtarını buldu. Farklı elementleri bir alevde buharlaştırıp yaydıkları ışığı bir prizmadan geçirdiler. Seyreltik ve sıcak bir gaz, sürekli bir renk şeridi değil, belirli yerlerde parlak çizgiler yayıyordu.

Her elementin çizgileri farklıydı. Sodyum, birbirine çok yakın iki parlak sarı çizgi veriyordu. Hidrojen, görünür ışıkta farklı renklerde dört çizgi yayıyordu. Bir elementin çizgileri, bir insanın parmak izi gibi yalnızca ona aitti. Bir ışığın içinde bu çizgileri bulan biri, o ışığı hangi elementin yaydığını söyleyebilirdi.

Asıl sürpriz, sodyumun iki sarı çizgisinin Güneş tayfındaki karanlık D çizgisinin tam yerine düşmesiydi. Kirchhoff sıcak bir ışık kaynağının önüne sodyum alevi koydu ve tayfın tam o yerinde karanlık bir çizgi belirdiğini gördü. Bir gaz, kendisinin yaydığı dalga boylarındaki ışığı, arkadan geçen ışıktan emiyordu.

Üç tür tayf

Kirchhoff'un bulguları, bugün hâlâ kullandığımız üç kuralda özetlenir. Sıcak ve yoğun bir cisim, Ders 6.3'te gördüğümüz gibi bütün renkleri içeren sürekli bir tayf yayar. Sıcak ve seyreltik bir gaz yalnızca kendine özgü parlak çizgiler yayar; buna salma tayfı (emission spectrum) denir. Sürekli ışık, önündeki daha soğuk bir gazdan geçtiğinde, o gazın çizgilerinin yerinde karanlık boşluklar oluşur; buna soğurma tayfı (absorption spectrum) denir.

Güneş, üçüncü duruma bir örnektir. Güneş'in sıcak ve yoğun iç katmanları sürekli bir ışık yayar. Bu ışık, yüzeyin üstündeki görece daha soğuk gaz katmanından geçerken, o katmandaki elementler kendi dalga boylarını emer. Fraunhofer'in karanlık çizgileri, Güneş'in atmosferindeki elementlerin imzasıydı.

Çizgiler neden tam o yerde?

Çizgilerin sebebi, atomun içinde gizlidir. Bir atomdaki elektronlar, herhangi bir enerjide bulunamaz; yalnızca belirli enerji düzeylerinde durabilir. Bu düzeyleri bir merdivenin basamaklarına benzetebiliriz. Elektron iki basamak arasında duramaz, yalnızca bir basamaktan ötekine atlayabilir.

Bir elektron üst basamaktan alt basamağa inerken, aradaki enerji farkını bir foton olarak dışarı verir. Ders 6.1'de gördüğümüz gibi, bir fotonun enerjisi ışığın rengini belirler. Bu yüzden her atlama, tam belirli bir renkte ışık üretir. Tersine, alt basamaktaki bir elektron, tam bu enerji farkını taşıyan bir fotonu yutarak üst basamağa çıkabilir; o renkteki ışık emilir.

Her elementin merdiveni farklıdır: basamakların aralıkları elementten elemente değişir. Bu yüzden her elementin çizgileri de farklı yerlere düşer. Bir tayftaki çizgiler, ışığın geçtiği ya da ışığı yayan atomların merdivenlerinin bir haritasıdır.

Evrenin kimya laboratuvarı

Kirchhoff ve Bunsen'in yöntemi, gökbilimi baştan değiştirdi. Artık bir yıldızın ışığını bir teleskopla toplayıp bir tayfölçerden (spectrograph) geçirmek, onun hangi elementleri içerdiğini okumak için yeterliydi. Güneş'te demir, sodyum, magnezyum, kalsiyum ve pek çok başka element bu yolla bulundu.

Tayf çizgileri yalnızca elementleri değil, çok daha fazlasını anlatır. Çizgilerin ne kadar güçlü olduğu gazın sıcaklığı ve yoğunluğu hakkında bilgi verir. Bir gökcismi bize doğru ya da bizden uzağa hareket ediyorsa, çizgilerin hepsi birlikte tayfta biraz kayar. Bugün gökbilimciler, uzak galaksilerin, gaz bulutlarının ve başka yıldızların çevresindeki gezegenlerin atmosferlerinin bileşimini de bu çizgilerden okuyor.

Helyumun dönüşü

Helyum hikâyesi, bu yöntemin gücünü en iyi gösteren örnektir. Janssen ile Lockyer'in bulduğu sarı çizgi, başta pek çok bilim insanı tarafından kuşkuyla karşılandı: yalnızca Güneş'te bulunan bir element fikri tuhaf görünüyordu. 1895'te İskoç kimyacı William Ramsay (okunuşu "Vilyım Remzi"), kleveit adlı bir uranyum mineralini asitlerle işlerken içinden çıkan bir gazın tayfına baktı. Aynı sarı çizgi oradaydı. Helyum yeryüzünde de vardı; yalnızca çok azdı.

Bugün helyumun, evrende hidrojenden sonra en bol bulunan element olduğunu biliyoruz. Yeryüzünde ise nadirdir; büyük bölümü uranyum gibi elementlerin radyoaktif bozunmasıyla oluşur ve hafif olduğu için atmosferden uzaya kaçar.

Aslında…

Karanlık çizgilerin Güneş'te o elementlerin "eksik" olduğunu gösterdiği de sanılır. Tersine, karanlık çizgi o elementin orada bulunduğunun ve ışığı emdiğinin kanıtıdır.

Büyük resim

Tayf çizgileri, evrenin ortak bir dille konuştuğunu gösterdi. Güneş'teki sodyum, laboratuvardaki sodyumla aynı çizgileri veriyordu. Uzak bir galaksideki hidrojen, Dünya'daki hidrojenle aynı merdivene sahipti. Gökyüzündeki cisimler, yeryüzündekilerle aynı elementlerden yapılmıştı ve aynı fizik yasalarına uyuyordu.

Bu keşif, gökbilimi yalnızca yıldızların nerede olduğunu ve nasıl hareket ettiğini inceleyen bir bilim olmaktan çıkardı; onların neyden yapıldığını, ne kadar sıcak olduğunu ve nasıl değiştiğini de anlatan bir bilime dönüştürdü. Yıldızların içindeki süreçleri ve evrenin kimyasal tarihini anlamamızın temelinde, Fraunhofer'in karanlık çizgileri yatıyor.

Özet

1. Güneş ışığının tayfındaki karanlık çizgileri ilk Fraunhofer haritalandırdı; Kirchhoff ve Bunsen 1859'da bu çizgilerin elementlerin ışığı emmesinden kaynaklandığını gösterdi.
2. Her elementin atomlarındaki elektronlar yalnızca belirli enerji düzeylerinde bulunabildiği için her element kendine özgü dalga boylarında ışık yayar ve emer; bu çizgiler bir parmak izi gibidir.
3. Helyum 1868'de Güneş tayfındaki bir sarı çizgiden tanındı ve ancak 1895'te yeryüzünde bulundu; bugün yıldızların ve galaksilerin bileşimi tayf çizgilerinden okunur.

Görev

Quiz

1. Fraunhofer Güneş ışığında ne buldu?
2. Kirchhoff ve Bunsen, elementlerin tayfları hakkında neyi keşfetti?
3. Salma tayfı ile soğurma tayfı arasındaki fark nedir?
4. Bir elementin çizgileri neden hep aynı dalga boylarında görünür?
5. Helyum ilk nerede ve nasıl bulundu?

Cevaplar

1. Güneş tayfının renk şeridinin üzerinde yüzlerce ince karanlık çizgi buldu ve beş yüzden fazlasını haritalandırdı.
2. Her elementin, alevde buharlaştırıldığında kendine özgü parlak çizgiler yaydığını ve Güneş'teki karanlık çizgilerin bu elementlerin ışığı emmesinden kaynaklandığını keşfettiler.
3. Salma tayfı, sıcak ve seyreltik bir gazın yaydığı parlak çizgilerden oluşur; soğurma tayfı ise sürekli ışığın önündeki daha soğuk bir gazdan geçerken o gazın çizgilerinin yerinde oluşan karanlık boşluklardır.
4. Çünkü atomdaki elektronlar yalnızca belirli enerji düzeylerinde bulunabilir; düzeyler arası atlamalar hep aynı enerjide, dolayısıyla aynı renkte fotonlar üretir ya da emer.
5. 1868'deki bir tam Güneş tutulması sırasında Güneş tayfında bilinen hiçbir elemente uymayan sarı bir çizgi olarak; yeryüzünde ancak 1895'te bir uranyum mineralinde bulundu.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Tayf çizgilerinin bir gökcismi hareket ettiğinde birlikte kaydığını söyledik. Aynı şeyi sesle her gün yaşıyoruz: yanımızdan geçen bir ambulansın sireni yaklaşırken tizleşir, uzaklaşırken kalınlaşır. Işıktaki bu kayma, gökbilimcilere bir yıldızın bize yaklaşıp yaklaşmadığını, hatta galaksilerin nereye gittiğini nasıl söylüyor?