Kanımızdaki demir nereden geldi?

Kanca

Şu anda damarlarında dolaşan kanın kırmızı rengini, hemoglobin denen bir molekül veriyor. Hemoglobinin kalbinde, akciğerlerinden aldığın oksijeni bütün vücuduna taşıyan demir atomları bulunur. O demir atomları seninle doğmadı. Annenin yediği yiyeceklerden, topraktan, Dünya'yı oluşturan kayalardan geldi.

Ama o kayalardaki demir de Dünya'da oluşmadı. Kanındaki demir, çok önce ölmüş yıldızlarda üretildi. Güneş'ten ve Dünya'dan milyarlarca yıl önce patlamış yıldızların küllerinden. Bedenindeki hemen her atomun, bu şekilde kozmik bir geçmişi var.

Merkezi soru

Evrendeki elementler nerede ve nasıl oluştu, bedenimizdeki hidrojen, karbon, oksijen, demir ve altın gibi elementler hangi kozmik süreçlerden geldi?

Anlatım

Başlangıçta yalnızca üç element

Evrenin ilk dakikalarında, Büyük Patlama'nın hemen ardından, evren o kadar sıcak ve yoğundu ki atom çekirdekleri oluşabildi. Ama bu süre kısaydı ve yalnızca en hafif elementler ortaya çıkabildi: hidrojen, helyum ve çok az miktarda lityum. Ohio Eyalet Üniversitesi'nden gökbilimci Jennifer Johnson'ın anlatımıyla, Büyük Patlama'dan sonraki yüz milyon yıl boyunca evrende hidrojen, helyum ve lityumdan başka bir şey yoktu.

Karbon, oksijen, demir ya da altın yoktu. Gezegen yapacak kaya, yaşam kuracak karbon bulunmuyordu. Bu elementlerin hepsi sonradan, yıldızların içinde ve ölümlerinde üretildi. Elementlerin oluşmasına çekirdek sentezi (nucleosynthesis) denir.

Bedenindeki hidrojen atomları, bu ilk dakikalardan kalmadır. Vücudunun büyük bölümünü oluşturan suyun her molekülünde iki hidrojen atomu bulunur ve o atomlar yaklaşık on dört milyar yaşındadır.

Yıldızların mutfağı

İlk yıldızlar doğunca yeni elementler üretilmeye başladı. Her yıldızın ilk işi, Ders 9.2'nin konusu olan dengeli füzyonla hidrojeni helyuma çevirmektir. Güneş gibi yıldızlar ömürlerinin sonunda helyumu da karbona ve oksijene dönüştürür. Ölürken dış katmanlarını uzaya savurarak bu karbonun ve oksijenin bir kısmını yıldızlar arasındaki bulutlara bırakırlar.

Büyük kütleli yıldızlar daha da ileri gider. Ders 9.5'te gördüğümüz gibi çekirdeklerinde karbondan neon, oksijen, magnezyum ve silisyuma, oradan demire kadar uzanan elementleri üretirler. Süpernova olarak patladıklarında bu elementleri uzaya saçarlar. Soluduğun oksijenin, kemiklerindeki kalsiyumun ve toprağın silisyumunun büyük bölümü, böyle büyük yıldızların içinde üretildi.

Kanındaki demir

Demir iki büyük kaynaktan gelir. Büyük kütleli yıldızların çekirdek çöküşü süpernovaları demir üretir. Ama evrendeki demirin önemli bir kısmının kaynağı başkadır: beyaz cücelerin patlaması. Johnson'ın anlattığı gibi, patlayan bir beyaz cüce kalsiyum ve demir gibi elementleri çevresine saçar.

Güneş gibi bir yıldızın geride bıraktığı beyaz cüce, bir çift yıldız sisteminde madde kazanıp patladığında, yıldızın kütlesinin önemli bir kısmı demire dönüşür. Yani kanındaki demirin bir kısmı, kütlesi Güneş'e yakın, milyarlarca yıl önce yaşamış bir yıldızın kalıntısından, yani bir beyaz cücenin son patlamasından gelmiş olabilir.

Demirden ağır elementler

Demir, bir yıldızın çekirdeğinde füzyonla üretilebilecek son elementtir; daha ağırlarını üretmek için füzyon değil, başka bir yol gerekir. Bu yol, atom çekirdeklerine nötron eklemektir. Bir çekirdek nötron yakaladıkça büyür, bazı nötronlar protona dönüşür ve daha ağır elementler oluşur.

Bu nötron yakalama iki farklı hızda gerçekleşir. Yavaş olanı, Güneş gibi yıldızların yaşlılık evrelerinde, binlerce yıl süren bir süreçte olur ve kurşun ya da baryum gibi elementleri üretir. Hızlı olanı ise saniyeler içinde, çok yoğun nötron akışı gerektirir. Bu koşullar, en çok iki nötron yıldızının çarpışmasında oluşur.

17 Ağustos 2017'de gökbilimciler böyle bir çarpışmayı ilk kez hem kütleçekim dalgalarıyla hem de ışıkla gözlemledi. Yaklaşık yüz otuz milyon ışık yılı uzaktaki bir galakside iki nötron yıldızı birleşti ve kilonova denen bir patlama oldu. Hubble Uzay Teleskobu ve başka teleskoplar, patlamanın altın ve platin gibi ağır elementleri uzaya saçtığını gösterdi. Parmağındaki bir altın yüzük, belki de böyle bir çarpışmanın ürünüdür.

Evrenin kimya tarihi

Her süreç farklı hızda işler ve farklı elementler üretir. Büyük kütleli yıldızlar birkaç milyon yılda ölüp elementlerini hızla saçar. Beyaz cücelerin patlaması ve nötron yıldızlarının çarpışması ise daha uzun zaman alır. Bu yüzden evrenin kimyası zaman içinde değişir. Gökbilimciler, yaşlı yıldızların içindeki elementlere bakarak evrenin kimyasının nasıl zenginleştiğini okuyabilir.

Aslında…

Bedenimizdeki hidrojen dışındaki atomların neredeyse hepsi, Güneş Sistemi oluşmadan önce yıldızlarda üretilmişti. Güneş Sistemi, bu zenginleşmiş bulutun içinden doğdu.

Büyük resim

Elementlerin kozmik kökeni, insanla evren arasındaki en derin bağlardan birini gösterir. Bedenimiz, önceki kuşak yıldızların ürettiği malzemeden yapılmıştır. Gökbilimci Carl Sagan'ın ünlü sözüyle, bizler yıldız malzemesinden yapılmışız.

Bu döngü sürüyor. Bugün patlayan her süpernova, çarpışan her nötron yıldızı çifti, yeni elementleri galaksiye saçıyor. Bu elementler gelecekteki yıldızların, gezegenlerin ve belki başka canlıların yapı taşları olacak. Evren, milyarlarca yıldır süren bir kimya laboratuvarıdır ve biz de onun ürünleriyiz.

Özet

1. Büyük Patlama yalnızca hidrojen, helyum ve çok az lityum üretti; bedenimizdeki hidrojen atomları bu ilk dakikalardan kalmadır.
2. Karbon, oksijen ve demire kadar olan elementler yıldızların çekirdeklerinde üretilir ve yıldızlar ölürken uzaya saçılır; kanımızdaki demirin önemli bir kısmı büyük yıldızların süpernovalarından ve patlayan beyaz cücelerden gelir.
3. Demirden ağır elementler nötron yakalamayla oluşur; altın ve platin gibi elementlerin bir kaynağı, 2017'de ilk kez gözlenen nötron yıldızı çarpışmalarıdır.

Görev

Quiz

1. Büyük Patlama hangi elementleri üretti?
2. Güneş gibi yıldızlar hangi elementleri üretip uzaya bırakır?
3. Kanımızdaki demirin iki büyük kaynağı nedir?
4. Demirden ağır elementler nasıl oluşur?
5. 17 Ağustos 2017'de gözlenen olay neden önemliydi?

Cevaplar

1. Hidrojen, helyum ve çok az miktarda lityum.
2. Helyumu karbona ve oksijene dönüştürür ve ölürken dış katmanlarını savurarak bu elementlerin bir kısmını uzaya bırakırlar.
3. Büyük kütleli yıldızların çekirdek çöküşü süpernovaları ve çift yıldız sistemlerinde patlayan beyaz cüceler.
4. Atom çekirdeklerinin nötron yakalamasıyla; yavaş yakalama yaşlı yıldızlarda, hızlı yakalama ise özellikle nötron yıldızı çarpışmalarında gerçekleşir.
5. İki nötron yıldızının çarpışması ilk kez hem kütleçekim dalgalarıyla hem ışıkla gözlendi ve bu kilonovanın altın ve platin gibi ağır elementleri saçtığı gösterildi.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Nötron yıldızlarının çarpışabilmesi için önce ikisinin aynı sistemde, birbirinin çevresinde dönüyor olması gerekir. Aslında gökyüzünde tek başına görünen yıldızların pek çoğu, yakından bakınca birden fazla yıldızdan oluşur. Yıldızlar neden bu kadar sık çiftler hâlinde yaşar ve bu ortaklık onların hayatını nasıl değiştirir?