Evrendeki manyetik alanlar nasıl ortaya çıktı?

Martin Greenwald

Uzaya baktığımız zaman gördüğümüz astrofiziksel nesnelerin tamamı manyetik alanlara gömülü haldedir. Bu durum sadece yıldızların ve gezegenlerin çevresinde değil, galaksiler ve galaktik kümeler arasındaki derin boşlukta da böyledir. Bu alanlar -tipik olarak bir buzdolabı mıknatısından çok daha- zayıftır ama evrensel dinamikler üzerinde derin etkileri olması nedeniyle, dinamik açıdan önem taşırlar. Onlarca yıldır süren yoğun ilgi ve araştırmalara karşın, kozmik manyetik alanların kökeni, kozmoloji alanındaki en derin sırlardan biri olmayı sürdürüyor.

Daha eski araştırmalarda, bilim insanları, her tür akışkanda ortak bir çalkalanma hareketi olan türbülansın, ‘dinamo süreci’ diye adlandırılan süreç aracılığıyla hâlihazırda var olan manyetik alanları nasıl kuvvetlendirebileceğini anlamaya başladılar. Buna karşın, bu olağanüstü keşif, bu sırrı bir adım daha karanlığa itti. Türbülanslı bir dinamo sadece mevcut olan bir alana güç katabiliyorsa, ‘tohum’ manyetik alanlar ilk aşamada nasıl oluştu?

Tohum alanların nasıl meydana geldiğini anlayana dek astrofiziksel manyetik alanların kökenine ilişkin bütünlüklü ve kendi içinde tutarlı bir yanıta ulaşmamız mümkün değil. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden (MIT) yüksek lisans öğrencisi Muni Zhou, yine MIT’den onun danışmanı olan Nükleer Bilim ve Mühendislik Profesörü Nuno Loureiro ve Princeton Üniversitesi ve ABD’nin Boulder kentindeki Colorado Üniversitesi’ndeki meslektaşlarının gerçekleştirdiği yeni araştırma, hiçbir şekilde manyetize olmayan bir durumdan, dinamo mekanizmasının devreye girmesiyle alanı gözlemlediğimiz seviyelere dek manyetize etmesine yetecek seviyede güçlü olduğu noktaya dek bir alan oluşturan temel süreçleri ortaya koyan bir yanıt sunuyor.

MANYETİK ALANLAR HER YERDE

Doğal yollarla oluşan manyetik alanlara, evrenin her yerinde rastlarız. Dünyada ilk kez binlerce yıl önce, mıknatıs taşı gibi manyetize durumdaki minerallerle etkileşimleri sayesinde gözlemlendiler ve insanlar bunların doğaları ya da kökenlerini anlamadan çok daha önceleri navigasyon amacıyla kullanıldılar. Güneş’in sahip olduğu manyetizma, 20. yüzyılın başlarında, Güneş’in yaydığı ışık tayfı üzerinde yarattığı etkiler sayesinde keşfedildi. O dönemden beridir, uzayın derinliklerini tarayan daha güçlü teleskoplar, bu alanların her yerde bulunduğunu keşfetti.

Bilim insanları, her türlü pratik uygulamaya müsait olan sabit mıknatısların ve elektromıknatısların nasıl üretileceğini ve kullanılacağını uzun zamandan beridir biliyor olsalar da, evrendeki manyetik alanların doğal kökenleri bir sır olarak kaldı. Yeni araştırmalar yanıtın bir parçasına ulaşmamızı sağladı; fakat meselenin pek çok yönü hâlâ tartışmalı.

MANYETİK ALANLARIN DOĞUŞU-DİNAMO ETKİSİ

Bilim insanları, laboratuvar ortamında elektrik ve manyetik alanların nasıl yaratıldığını hesaba katarak bu mesele üzerinde düşünmeye başladılar. Elektrik alanları, bakır tel ve benzeri iletkenler manyetik alanlar içerisinde hareket ettirilerek yaratılır. Daha sonra bu alanlar ya da gerilimler (voltajlar) elektrik akımlarını devam ettirebilirler. Her gün kullandığımız elektrik işte bu şekilde üretilir. Bu ‘indüksiyon’ süreci sayesinde, büyük jeneratörler, yani ‘dinamolar’ mekanik enerjiyi evlerimize ve iş yerlerimize elektrik sağlayan elektromanyetik enerjiye dönüştürür. Dinamoların en önemli özelliklerinden biri, çalışmak için manyetik alanlara ihtiyaç duymalarıdır.

Peki, evrende bu tür teller ya da büyük çelik yapılar yokken bu alanlar nasıl oluşuyor? Bu problemle ilgili ilerleme yaklaşık bir asır önce, bilim insanlarının Dünya’nın manyetik alanının kaynağını düşünmesiyle birlikte başladı. O zamana dek, sismik dalgaların yayılmasını konu alan araştırmalar, daha soğuk olan yüzey katmanlarının altındaki manto katmanının, yani Dünya’nın büyük kısmının sıvı haldeki erimiş nikel ve demirden oluşan bir çekirdek olduğunu ortaya koydu. Araştırmacılar, bu sıcak ve elektriksel açıdan iletken sıvının konvektif hareketinin ve Dünya’nın dönüşünün, bir şekilde Dünya’nın manyetik alanını oluşturacak biçimde birleştiğini teori haline getirdi.

Neticede, konvektif hareketin hâlihazırda var olan bir alanı nasıl güçlendirebileceğini gözler önüne seren modeller ortaya çıktı. Bu olgu, küçük ölçekli dinamiklerin kendi kendine büyük ölçekli yapılara dönüştüğü karmaşık dinamik sistemlerde sıkça gözlemlenen bir özellik olan “kendi kendine örgütlenmeye” bir örnektir. Bununla birlikte, tıpkı bir elektrik santralinde olduğu gibi, bir manyetik alan yaratmak için manyetik alana ihtiyacınız vardır.

Benzer bir süreç evrenin tamamında işler. Öte yandan, yıldızlar, galaksiler ve bunların arasında kalan boşlukta, elektriksel açıdan iletken olan sıvı haldeki erimiş metal değil, plazma bulunur; plazma, elektronların atomlarından ayrıldığı aşırı yüksek sıcaklıklarda oluşan bir madde halidir. Yeryüzünde, plazmalar şimşeklerde ya da neon ışıklarında görülebilir. Bu tür bir ortamda, dinamo etkisi, en düşük seviyede başlaması koşuluyla, var olan bir manyetik alanı güçlendirebilir.

İLK MANYETİK ALANLARIN OLUŞUMU

Peki, bu tohumlanmış alanlar nasıl ortaya çıktı? Zhou ve meslektaşlarının 5 Mayıs’ta PNAS adlı dergide yayınlanan son araştırmaları burada devreye giriyor. Zhou, temel teoriyi geliştirdi ve tohum alanının nasıl oluşabileceğini ve hangi temel süreçlerin devrede olduğunu açığa çıkaran güçlü süper bilgisayarlar üzerinde sayısal simülasyonlar gerçekleştirdi. Yıldızlar ve galaksiler arasında uzanan plazmanın önemli bir özelliği, olağanüstü derecede dağınık olmasıdır ve tipik olarak metreküp başına yaklaşık bir parçacıktır. Bu, parçacık yoğunluğunun yaklaşık 300 kat daha yüksek olduğu yıldızların iç kısmından çok farklı bir ortamdır. Düşük yoğunluklar, kozmolojik plazmalarda bulunan parçacıkların asla çarpışmaması anlamına gelir; bu durum ise araştırmacıların geliştirdikleri modele, parçacıkların davranışlarına dair dahil etmesi gereken önemli etkiler içerir.  

MIT araştırmacılarının gerçekleştirdiği hesaplamalar, iyi düzenlenmiş dalgalardan gelişen ama genleşme büyüdükçe türbülanslı bir duruma geçen ve etkileşimlerin güçle doğrusal olmayan bir hale geldiği plazmalardaki bu dinamikleri takip etti. Araştırmacılar, plazma dinamiğinin küçük ölçeklerdeki makroskopik astrofiziksel süreçler üzerinde yarattığı ayrıntılı etkileri de hesaplamalarına dahil ederek, ilk manyetik alanların ‘kayma akımı’ kadar basit, genel geniş ölçekli hareketlerle kendiliğinden yaratılabileceğini ortaya koydular. Tıpkı yeryüzünde gördüğümüz örnekler gibi, mekanik enerji manyetik enerjiye de dönüştürüldü.

Hesaplamalarının mühim sonuçlarından biri, kendiliğinden oluşması beklenen manyetik alanın büyüklüğüydü. Bunun ortaya koyduğu husus, alan genişliğinin sıfırdan, plazmanın ‘manyetize hale geldiği’, yani plazma dinamiklerinin alanın varlığından güçlü biçimde etkilendiği bir düzeye yükselebilmesiydi. Tam da bu aşamada, aşina olduğumuz dinamo mekanizması devreye girerek alanları gözlemlenen seviyelere dek genişletebilir. Bundan ötürü, ekibin araştırması, kozmolojik ölçekte manyetik alanların üretilmesi bağlamında kendi içinde tutarlı bir modeli temsil ediyor.

ABD’nin Madison kentinde bulunan Wisconsin Üniversitesi’nden Profesör Ellen Zweibel, “Kozmoloji alanındaki onlarca yıllık dikkat çekici ilerlemeye karşın, evrendeki manyetik alanların kaynağı henüz bilinmiyor. Son teknoloji ürünü plazma fiziği teorisinin ve sayısal simülasyonun bu temel sorunu merkezine aldığını görmek muhteşem” diyor.

Zhou ve meslektaşları, kendi modellerini ilerletmeye ve tohum tarlasının ortaya çıkışından dinamonun genişleme aşamasına geçişini incelemeyi sürdürecekler. Gelecekte yapılacak araştırmalarının büyük bir bölümü, sürecin astronomik gözlemlerle tutarlı bir zaman ölçeğinde işleyip işlemeyeceğini tespit etmek olacak. Araştırmacılardan, "Bu araştırma, evrende bulunan manyetogenezi anlamak için yeni bir paradigmanın oluşturulma sürecinde ilk adımı atıyor" diye yazıyor. 

Yazının orijinali Big Think sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)