Yıldız bize yaklaşıyor mu, uzaklaşıyor mu?

Kanca

Kaldırımda duruyorsun ve uzaktan bir ambulans geliyor. Siren sesi yaklaşırken ince ve tiz, tam önünden geçtiği anda birden kalınlaşıyor, uzaklaşırken de kalın kalıyor. Oysa ambulanstaki sürücü, yolculuk boyunca hep aynı sesi duyuyor.

Ambulans sireni ile galaksilerin ortak bir yanı var. Sesteki bu değişimin bir benzeri ışıkta da olur. Gökbilimciler onu kullanarak bir yıldızın bize hangi hızla yaklaştığını ya da uzaklaştığını ölçer, hatta çıplak gözle hiç göremedikleri gezegenleri bulur.

Merkezi soru

Hareket eden bir kaynaktan gelen sesin ya da ışığın dalga boyu neden değişir ve gökbilimciler bu değişimden bir gökcisminin hızını nasıl okur?

Anlatım

Sıkışan ve uzayan dalgalar

Bir gölün ortasında duran bir ördeğin suya düzenli aralıklarla hafifçe vurduğunu düşün. Dalgalar her yöne eşit aralıklarla yayılır. Şimdi ördek gölün bir kıyısına doğru yüzerek aynı ritimle vurmaya devam etsin. Her yeni dalga, önceki dalganın çıktığı yerden biraz daha ileride doğar. Ördeğin önündeki dalgalar birbirine yaklaşır, arkasındakiler ise aralarını açar. Önündeki kıyıda duran biri daha sık dalga, arkadaki kıyıda duran biri daha seyrek dalga görür.

Ses de havada yayılan bir dalgadır. Yaklaşan bir ambulansın sireni, önüne doğru sıkışmış dalgalar gönderir. Kulağımıza daha sık ulaşan dalgalar sesi tizleştirir. Ambulans uzaklaşırken dalgalar arkasında uzar ve ses kalınlaşır. Kaynağın hareketi yüzünden dalgaların sıklığının değişmesine Doppler etkisi (Doppler effect) denir.

Bir fikir ve bir tren dolusu trompetçi

Avusturyalı fizikçi Christian Doppler (okunuşu "Kristiyan Dopler"), bu etkiyi 1842'de yayımladığı bir makalede öne sürdü. Makalesinin konusu aslında yıldızlardı: birbirinin çevresinde dönen çift yıldızların farklı renklerde görünmesini bu etkiyle açıklamayı umuyordu. Bu açıklaması yanlış çıktı; yıldızların renk farkının asıl sebebi, Ders 6.3'ün konusu olan yüzey sıcaklıklarıdır. Ama fikrin kendisi doğruydu.

Üç yıl sonra, 1845'te Hollandalı bilim insanı Christophorus Buys Ballot (okunuşu "Bays Balot"), fikri Utrecht yakınlarında sınadı. Bir trenin açık vagonuna trompetçiler bindirdi ve onları aynı notayı çalarak istasyonun önünden geçirdi. Rayların kenarında duran müzisyenler, yaklaşan notayı biraz tiz, uzaklaşan notayı biraz pes duydu. Doppler etkisi ilk kez böyle doğrulandı.

Işıkta Doppler etkisi

Işık da bir dalga olduğu için aynı etki ışıkta da görülür. Bize yaklaşan bir yıldızın ışık dalgaları sıkışır; dalga boyu kısalır ve ışık tayfın mavi ucuna doğru kayar. Buna maviye kayma (blueshift) denir. Bizden uzaklaşan bir yıldızın ışığı ise uzar ve kırmızıya doğru kayar; buna kırmızıya kayma (redshift) denir.

Bu kayma, yıldızın rengini gözle fark edilecek kadar değiştirmez. Kayma oranı, yıldızın bize yaklaşma ya da uzaklaşma hızının ışık hızına oranı kadardır. Dünya, Güneş'in çevresinde saniyede yaklaşık otuz kilometre hızla dolanır; bu hız ışık hızının on binde biridir. Böyle bir hareket, bir ışık dalgasının boyunu yalnızca on binde bir kadar değiştirir.

Gökbilimciler bu küçük kaymayı, Ders 6.4'te gördüğümüz tayf çizgileri sayesinde ölçer. Bir elementin çizgilerinin laboratuvarda hangi dalga boyunda olduğu çok hassas biçimde bilinir. Bir yıldızın tayfında aynı çizgilerin hepsi birlikte biraz kırmızıya ya da maviye kaymışsa, kaymanın büyüklüğü yıldızın bize göre hızını verir. Tayf çizgileri, bir yıldızın hız göstergesi olur.

Yalnızca bir yönü ölçer

Doppler etkisi, bir yıldızın bütün hareketini değil, yalnızca bakış doğrultumuz boyunca olan kısmını, yani yaklaşma ya da uzaklaşma payını ölçer. Buna dikine hız (radial velocity) denir. Gökyüzünde yana doğru kayan bir yıldızın ışığında bu kayma görülmez. Tıpkı ambulans tam önünden geçerken, bir anlığına ne yaklaştığı ne uzaklaştığı için sirenin gerçek sesini duyman gibi.

Yandan hareket ise yıldızın gökyüzündeki konumunun yıllar içinde çok yavaş değişmesiyle ölçülür. Gökbilimciler bir yıldızın uzaydaki gerçek hareketini, bu iki ölçümü birleştirerek bulur.

Görünmeyen gezegeni yakalamak

Doppler etkisinin en şaşırtıcı kullanımlarından biri, başka yıldızların çevresindeki gezegenleri bulmaktır. Bir gezegen yıldızının çevresinde dönerken yıldızı da kütleçekimiyle hafifçe çeker. Yıldız ile gezegen, ortak bir ağırlık merkezinin çevresinde döner. Dünya'dan bakınca yıldız, bakış doğrultumuz boyunca bir öne bir geriye küçük bir salınım yapar. Bu salınım, yıldızın tayf çizgilerinin düzenli aralıklarla bir maviye, bir kırmızıya kaymasına yol açar.

Hareketler son derece küçüktür. Jüpiter, Güneş'i saniyede yaklaşık on iki metre hızla salındırır; Dünya'nın Güneş'e etkisi ise saniyede yalnızca dokuz santimetre kadardır. İsviçreli gökbilimciler Michel Mayor (okunuşu "Mişel Mayor") ve Didier Queloz (okunuşu "Didiye Kelo"), saniyede on ila on beş metrelik hızları ölçebilen bir tayfölçer geliştirdi. 1995'te bu yöntemle, bize yaklaşık elli ışık yılı uzaklıktaki 51 Pegasi yıldızının çevresinde dönen bir gezegen buldular. Güneş benzeri bir yıldızın çevresinde bulunan ilk gezegen buydu ve iki gökbilimci 2019 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı.

Doppler etkisi galaksilere uygulandığında da çok önemli bir sonuç verdi. 1920'lerde gökbilimciler, galaksilerin büyük çoğunluğunun ışığının kırmızıya kaydığını ve bizden uzaklaştığını buldu. Bu, evrenin genişlediğinin ilk ipuçlarından biriydi; o hikâyeyi ilerideki derslerde ayrıntılı olarak ele alacağız.

Aslında…

Bir başka yanılgı da Doppler etkisinin sesin yüksekliğini, yani gürlüğünü değiştirdiğini sanmaktır. Ambulans yaklaşırken sesin gürleşmesi, yalnızca yakınlaşmasından kaynaklanır. Doppler etkisi gürlüğü değil, sesin inceliğini ya da kalınlığını değiştirir.

Büyük resim

Doppler etkisi, gökbilimcilere uzaktaki gökcisimlerinin hareketini ölçmek için bir hız radarı verdi. Çift yıldızların birbirinin çevresinde nasıl döndüğü, galaksilerin kendi ekseni çevresinde ne hızla döndüğü ve gaz bulutlarının nasıl hareket ettiği bu yöntemle ölçülür. Bu ölçümler de gökcisimlerinin kütlelerini hesaplamanın yolunu açar.

Gezegen avcılığının ilk büyük başarısı da bu etkiye dayanır. Bugün binlerce gezegen biliniyor. Bunların önemli bir bölümü, bir yıldızın ışığındaki saniyede birkaç metrelik salınımların sabırla ölçülmesiyle bulundu. Bir ambulans sirenini anlamamızı sağlayan ilke, bize başka güneşlerin çevresindeki dünyaları da gösteriyor.

Özet

1. Hareket eden bir kaynağın önündeki dalgalar sıkışır, arkasındakiler uzar; buna Doppler etkisi denir ve hem seste hem ışıkta görülür.
2. Bize yaklaşan bir gökcisminin ışığı maviye, uzaklaşanınki kırmızıya kayar; gökbilimciler bu kaymayı tayf çizgilerinin yerindeki değişimden ölçer ve dikine hızı bulur.
3. Yıldızın bir gezegen yüzünden yaptığı küçük salınımlar Doppler etkisiyle ölçülebilir; Mayor ve Queloz 1995'te 51 Pegasi'nin gezegenini bu yöntemle buldu.

Görev

Quiz

1. Doppler etkisi nedir?
2. Buys Ballot, Doppler etkisini 1845'te nasıl sınadı?
3. Bize yaklaşan bir yıldızın tayf çizgileri hangi yöne kayar?
4. Doppler etkisi bir yıldızın hareketinin hangi kısmını ölçer?
5. Mayor ve Queloz 1995'te Doppler etkisini kullanarak ne buldu?

Cevaplar

1. Hareket eden bir kaynağın önündeki dalgaların sıkışıp arkasındakilerin uzaması ve bu yüzden gözlemcinin algıladığı dalga boyunun değişmesidir.
2. Bir trenin açık vagonuna aynı notayı çalan trompetçiler bindirip onları istasyonun önünden geçirdi; kenarda duranlar yaklaşan notayı tiz, uzaklaşanı pes duydu.
3. Maviye, yani daha kısa dalga boylarına doğru.
4. Yalnızca bakış doğrultumuzdaki yaklaşma ya da uzaklaşma payını, yani dikine hızı.
5. 51 Pegasi yıldızının tayf çizgilerindeki düzenli kaymalardan, onun çevresinde dönen bir gezegeni; Güneş benzeri bir yıldızın çevresinde bulunan ilk gezegeni.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Bu modülde ışığın ne olduğunu, renklerinin neyi anlattığını ve hareketin ışığı nasıl değiştirdiğini gördük. Işık bir yıldızdan çıkıp bize ulaşırken son engeli, kendi atmosferimizi aşar. Havadaki moleküller ışığın bazı renklerini ötekilerden çok daha fazla dağıtır. Gündüz gökyüzü neden mavi, gün batımı neden kızıl görünür ve başka bir gezegende gökyüzü hangi renkte olur?