Bir ilk: Kozmik nükleer fizyon gözlemlendi

Robert Lea*

Bilim insanları, ilk kez yıldızlar arasında gerçekleşen nükleer fizyona ilişkin bir işaret keşfetti. Keşif, nötron yıldızları birleştiğinde, periyodik tabloda var olan en ağır elementlerden bile daha ağır olan ‘süper ağır’ elementler ürettikleri görüşünü destekliyor. Bu elementler daha sonra nükleer fizyon aracılığıyla takılarda kullanılan altın ve benzeri köken elementlerine ayrılıyor.

Nükleer fizyon, temel olarak nükleer füzyonun tam tersidir. ‘Nükleer füzyon’, daha ağır elementler oluşturacak biçimde daha hafif elementlerin parçalanmasını tasvir ederken, ‘nükleer fizyon’, ağır elementler daha hafif elementler oluşturacak biçimde dağıldığı zaman ortaya çıkan enerjiyi baz alan bir süreç. Nükleer fizyon da fazlasıyla iyi bilinen bir olgu. Aslında o, Dünya’da enerji üreten nükleer santrallerin temelini oluşturur; ne var ki, şu ana dek yıldızlar arası ortamda gerçekleştiğine tanık olmamıştık. 

TÜRÜNÜN İLK ÖRNEĞİ

Çalışmalarını Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’nda sürdüren araştırma ortak yazarı Matthew Mumpower, verdiği demeçte, “İnsanlar evrende fizyonun gerçekleştiğini akıl etmiş olsalar da şu ana dek hiç kimse bunu ispatlayamadı” dedi.

Kuzey Carolina Eyalet Üniversitesi’nden bilim insanı Ian Roederer öncülüğünde çalışan araştırma ekibi, nötron yıldızları birleştiğinde nükleer fizyonun etkili olabileceğine ilişkin ilk kanıtı keşfettikleri sırada, yıldızlarda var olan pek çok farklı elementle ilgili veriler üzerinde çalışıyordu. Ulaşılan bulgular, evrendeki ağır elementlerin nasıl meydana geldiğinin ardında yatan sırrı açığa çıkarmaya yardım edebilir.

BİRİ ÇOĞALDIĞINDA, DİĞER GRUPTAKİLER DE ÇOĞALDI

Bilim insanları, nükleer füzyonun yıldızlar açısından yalnızca öncelikli enerji kaynağı olmadığını, bunun yanı sıra ‘en ağırı’ demir olmak üzere farklı elementleri meydana getiren kuvvet olduğunu da biliyor.

Öte yandan, altın ve uranyum gibi daha ağır elementler söz konusu olduğunda, ‘nükleosentez’ denilen olgunun görünümü biraz daha puslu. Bilim insanları, bu değerli ve az bulunur ağır elementlerin, inanılmaz derecede yoğun olan iki ölü yıldız -nötron yıldızları- çarpışarak birleştiği zaman, yıldızların en çalkantılı merkezlerinde dahi üretilemeyen elementleri ortaya çıkaracak düzeyde şiddetli bir ortam oluştuğunda yaratıldığından şüpheleniyor. 

Mumpower ve ekibinin keşfettiği nükleer fizyon kanıtı, gümüş benzeri 'hafif hassas metaller' ile kimi yıldızlarda bulunan europium gibi ‘nadir toprak çekirdekleri’ arasındaki bir bağıntı halinde ortaya çıktı. Bilim insanları, bu element gruplarından biri çoğaldığında, diğer gruptaki eşdeğer elementlerin de çoğaldığına tanık oldu.

'EVREN BİZE BU İMZANIN YALNIZCA FİZYONA AİT OLABİLECEĞİNİ SÖYLÜYOR'

Bununla beraber, ekibin araştırması, atom kütlesi, yani bir atom çekirdeğinde bulunan proton ve nötron sayısı 260’ın üzerinde olan elementlerin, bu varoluş kısa sürse dahi, nötron yıldızı parçalarının çevresinde oluşabileceğini ortaya koydu. Bu sayı, periyodik tablonun ‘ağır ucunda’ yer alan elementlerin büyük kısmından çok daha ağırdır. 

Mumpower, “Bunun farklı yıldızlar arasında oluşmasının tek akla yatkın yolu, ağır elementlerin oluşumu esnasında işleyen tutarlı bir süreç olup olmadığı. Bu, aşırı derecede derin, evrende işleyen ve birkaç yıl önce önerdiğimiz bir teoriyi teyit eden ilk fizyon kanıtı. Daha fazla gözleme ulaştıkça, evren şunu söylüyor: Hey, burada bir imza var ve bu yalnızca fizyona ait olabilir" değerlendirmesini paylaştı.

NÖTRON YILDIZLARI VE NÜKLEER FİZYON

Nötron yıldızları, devasa yıldızların içindeki nükleer füzyon süreçleri için gereken yakıt kaynakları tükendiği zaman üretilir; bu durum, onları kendi kütleçekimlerinin içe doğru çökmesine karşı koruyan enerjinin son bulduğu anlamına gelir. Ölmekte olan bu yıldızların dış katmanları uzaya savrulurken, kütleleri Güneş’inkinin 1 ilâ 2 katı arasında olan yıldız çekirdekleri, yaklaşık 120 kilometre genişlikteki bir alana çöker.

Çekirdekte meydana gelen bu çöküş öylesine süratli gerçekleşir ki elektronlar ve protonlar bir araya gelmeye zorlanarak aşırı derecede yoğun bir nötron denizi yaratılır; bu nötron yıldızı ‘malzemesinin’ yalnızca bir çorba kaşığı Dünya’ya getirilse, 1 milyar tonu aşan bir ağırlığa sahip olur. 

Bu aşırı uçlardaki yıldızlar ikili bir sisteme dahil olduklarında birbirlerinin çevresinde dönerler ve birbirlerinin çevresinde döndükleri sırada açısal ivmelerini yitirirler; zira uzay-zaman dokusunda ‘kütleçekimsel dalgalar’ diye bilinen ve maddi olmayan dalgalanmalar yaratırlar. Bu, en nihayetinde nötron yıldızlarının çarpışarak birleşmesine ve aşırı ve egzotik doğaları göz önüne alındığında sürpriz olmayacak bir şekilde fazlasıyla şiddetli bir ortam yaratmasına yol açar.

Bu en son nötron yıldızı birleşmesi, normalde atom çekirdeğinde bulunan protonlarla bağlı haldeki parçacıklar olan çok sayıda ‘serbest nötronu’ açığa çıkarır. Bu durum, ortamda var olan diğer atom çekirdeklerinin bu serbest nötronları süratle yakalamasına imkân tanıyabilir; bahsi geçen, ‘hızlı nötron yakalama’ ya da kısaca veya ‘r-süreci’ adı verilen bir süreçtir. Bu süreç, atom çekirdeğinin daha da ağırlaşmasına ve karasız yapıdaki aşırı ağır elementler üretmesine olanak tanır. Bu aşırı ağır elementler, ilerleyen zamanda altın gibi daha hafif ve kararlı elementlere dönüşmek üzere ayrışabilir.

'TABİAT NE ZAMAN BİR GÜMÜŞ ATOMU ÜRETSE...'

Mumpower 2020 yılında, ‘r süreci’ tarafından üretilen çekirdeklerin ‘fizyon parçalarının’ nasıl dağılacağını öngördü. Bunun ardından, Mumpower’ın araştırma ortağı ve TRIUMF Enstitüsü’nden bilim insanı Nicole Vassh, r işleminin rutenyum, rodyum, paladyum ve gümüş gibi hafif hassas metallerin ve ayrıca europium, gadolinyum, disprosyum ve holmiyum gibi nadir toprak çekirdeklerinin ortaklaşa üretimini nasıl sağlayacağını hesapladı.

Bu öngörü, yalnızca nötron yıldızı birleşmelerini gözlemleyerek değil, aynı zamanda yıldızlarda r işlemi neticesinde üretilen maddelerle zenginleşen elementlerin miktarına bakılarak da test edilebilir. 

Bu yeni araştırma, 42 farklı yıldızı inceledi ve Vassh’in öngördüğü kesin bağıntıyı keşfetti; bu sayede, periyodik tabloda yer alan daha ağır elementlerin parçalanma ve bozunmasına ilişkin net bir imzayı ortaya koyarak nötron yıldızı çarpışmalarının gerçekten de demirden daha ağır elementlerin üretildiği yerler olduğunu teyit etti. 

Mumpower, sözlerini şöyle tamamladı: “Hakkında yeterli veriye sahip olduğumuz r-süreci geçirmiş yıldızlarda bağıntı fazlasıyla sağlam. Tabiat ne zaman bir gümüş atomu üretse, orantılı olarak daha ağır nadir toprak çekirdekleri de üretiyor. Bu element gruplarının bileşimi eşgüdümlü gibi görünüyor. Bu olaydan yalnızca bir mekanizmanın -fizyon- sorumlu olabileceğini ortaya koyduk ve insanlar 1950’lerden beridir bu meseleye kafa yormaktaydılar."

Ekibin araştırması aralık ayında, Science dergisinin 6. baskısında yayınlandı.

*Bilim gazetecisi.

Yazının orijinali Space sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)