Evrendeki en soğuk yer neresidir?

Jordan Strickler

Keith Taylor ve Mike Scarrott’ın, Avustralya’nın Yeni Güney Galler eyaletine bağlı Coonabarabran kentinin hemen kıyısında bulunan Siding Spring Gözlemevi’nde astronomi tarihindeki en dikkat çekici bulutsulardan birini ilk keşfettiklerinde, takvimler 1980 yılını gösteriyordu. O zaman kullanılan teleskopların yetersizliği yüzünden, gökbilimciler iki lobunda bumerang benzeri kavisli bir şekil barındıran küçük bir asimetrik görüntü görebildiler. Hâl böyleyken, bu nesneye, şekline uygun biçimde Bumerang Bulutsusu adını verdiler. Bununla birlikte, araştırmacılar, yaptıkları keşifte görünenden çok daha fazlasının olduğundan henüz haberdar değillerdi. İlerleyen zamanda, doğada bulunan en soğuk yeri keşfettikleri anlaşılacaktı.

Bulutsudaki sıcaklık o denli düşük ki, en kalın yünlü hırkalar bile sizi korumaya yetmez. Burada parçacıklar en düşük kuantum hızına yaklaşır ve ortam ısısı yalnızca 1 Kelvin derecedir (yaklaşık -272 Santigrat derece) Kıyaslama yapmanız için; Büyük Patlama’dan geriye kalan arka plan ışıması olan Kozmik Mikrodalga Arka Planı (SPK) yaklaşık 2,8 Kelvin derece, yani -270 santigrat derecedir. Bumerang Bulutsusu, evrende SPK’dan daha soğuk olduğu bilinen yegâne gökcismidir.

KENDİ KENDİNİ SOĞUTAN BİR DÜZENEĞE SAHİP

Bu ısının ne kadar düşük olduğuna ilişkin bir fikir edinmek için, ‘mutlak sıfırda’ (-460 Fahrenheit ya da -273 Santigrat derecede), parçacıklar titreşmeyi bıraktığından, atomik hareketlerin tamamı durma noktasına gelir. 

Centaurus (Erboğa) takımyıldızında bulunan Bumerang Bulutsusu, Dünya’dan 5 bin ışıkyılı mesafede bulunuyor. Yalnızca 1 Kelvin derecedeyken (-457,87 Fahrenheit/-272,15 Santigrat derece), ortalama 2,7 Kelvin (-454,81 Fahrenheit/-270,7 Santigrat derece) civarında olduğunu düşünülen uzayın kendi arka plan sıcaklığından bile daha soğuk.

Taylor ve Scarrot’ın bu durumu keşfetmesinden sonra yapılan gözlemler, onun ‘gezegen öncesi’ bir bulutsu olduğunu ortaya çıkardı. O, çekirdeğin ömrünün sonuna yaklaşanı ve bulutsuyu hızla dağılan gazlarla genişleten, zirve noktasındayken Güneş’e benzeyen bir yıldızdı.

Bumerang’dan uzaya yayılan maddeler saatte yaklaşık 500 bin km hızla genişliyor ve bu süreç zarfında kendi kendini soğutuyor. Bu, temelde, buzdolaplarının düşük ısılar üretmek için genleşen gazları kullanma tekniğini andırıyor. Araştırmacılar, 2.8 Kelvin derece (-455 Fahrenheit/-270.56 santigrat derece) gibi fazlasıyla sabit bir ısıya sahip olan kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunu nasıl soğurduğunu gözlemleyerek, bulutsudaki gazın ısısını ölçmeyi başardılar.

Gökbilimciler, 2013 yılında Şili’de bulunan Atacama Büyük Milimetre/milimetre altı Dizisi (ALMA) teleskobunu kullanarak, ısıl özellikleriyle ilgili daha fazla bilgiye ulaşmak ve bir hayaleti andıran ürkütücü bir görünüme sahip gerçek şeklini belirlemek amacıyla bu nesne üzerinde yeni gözlemler gerçekleştirdiler. Neticede, bulutsunun şeklinin bir bumerangdan ziyade bir kum saatine benzediği açığa çıktı.

ŞEKLİ GELİŞMİŞ TELESKOPLAR SAYESİNDE ANLAŞILDI

ABD’nin Kaliforniya eyaletine bağlı Pasadena kentinde bulunan NASA’ya ait Jet İtiş Laboratuvarı’nda araştırmacı ve baş bilim insanı, aynı zamanda Astrophysical Journal dergisinde yayınlanan makalenin başyazarı olan Raghvendra Sahai, “Bu aşırı soğuk nesne son derece ilginç ve ALMA ile onun gerçek doğasına dair çok daha fazla şey öğreniyoruz” diyor: “Dünya tabanlı optik teleskoplardan çift çıkıntı ya da bumerang gibi görünen şey, gerçekte süratle uzaya doğru genişleyen, çok daha geniş ölçekli bir yapı.”

Avustralyalılar ilk kez yer tabanlı teleskoplarla bu durumu gözlemlediği sırada bulutsu tek taraflı görünüyordu fakat daha sonra, 2005 yılında NASA’nın Hubble Uzay Teleskobu aracılığıyla gerçekleştirilen gözlemler, gazın yüksek süratle etrafa saçılmasıyla biçimlenen papyon benzeri bir yapıyı gözler önüne serdi. Bununla birlikte, ALMA sayesinde elde edilen yeni veriler, Hubble’ın sağladığı görüntünün de hikayenin sadece bir kısmını aktardığını ve fotoğrafta görülen ikiz çıkıntıların aslında görünür dalga boylarında görüldüğü haliyle bir ışık oyunu olabileceğini açığa çıkardı.

Aslında araştırmacıların bu papyon şeklini daha soğuk dalga boylarında da görmesi gerekirdi ama diğer milimetre altı teleskoplarla gerçekleştirilen gözlemler bundan biraz daha farklı bir şekil açığa çıkardı. Şu an için milimetre altı dalga boyunda en yüksek çözünürlüğe sahip olan ALMA, bu sırrı ortaya çıkarmayı başardı.

Bulutsunun bu ışık dalga boyunda aşırı parlak görünen uzaya saçılmış madde birikintisi içinde bulunan karbon monoksit molekülleri, bulutsunun iç kısımlarında bir kum saati şekline sahipti. Sonrasında, moleküller daha yuvarlak bir şekil alıyordu. Aynı esnada, yıldızın çevresindeki milimetre dalga boylarında da görülebilen toz taneleri yıldızdan yayılan ışığın bir bölümünü görünür dalga boylarında engelleyerek, bir kum saati gibi görünmesine neden oluyordu.

Sahai, “Gökbilimciler 2003 yılında Hubble ile bu nesneye baktıkları zaman fazlasıyla alışılmış bir ‘kum saati’ şekli gördüler” diyor: “Pek çok gezegen bulutsusu, yıldızdan uzaya saçılan süratli gaz akışlarının bir neticesi olan aynı çift çıkıntılı görünümü sergiler. Daha sonra, bu jet akımları, henüz ömrünün başlarında kırmızı bir devken yıldız tarafından etrafa saçılan ve onu çevreleyen gaz bulutunda delikler açar.”

TÜRÜNÜN TEK ÖRNEĞİ

ALMA’yı kullanan araştırmacılar bunun yanı sıra, yıldızın etrafını saran ve milimetre büyüklüğündeki toz tanelerinden oluşan yoğun bir şerit keşfettiler; bu şerit, dış kısımdaki bulutun neden görünür ışıkta kum saati biçiminde olduğunu açıklıyordu. Toz taneleri, merkezdeki yıldızın bir kısmının görünmesini engelleyen ve ışığın buluta yalnızca dar ve ters istikametlerde sızmasına imkân tanıyarak kum saati görüntüsü veren bir tür maske oluşturuyordu.

Gökbilimciler, Bumerang Bulutsusu’nun, bir yıldız yaşamının sonuna geldiği ve dış gaz katmanlarını uzaya saçtığı zaman oluşan ve bulutsunun parlamasına sebep olan bir tür bulutsu olan ‘gezegensi bulutsu’ olma doğrultusunda ilerlediğini ifade ediyorlar.

Bumerang, şu ana dek sıcaklığı Büyük Patlama’nın ardıl parlamasının altına düştüğüne tanık olduğumuz yegâne gezegen öncesi bulutsu.

Aslında ‘gezegensi bulutsusu’ terimi, gezegenlerle ya da öte gezegenlerle bir ilgisi olmadığından, yanlış bir isimlendirme. Terimin kökeni büyük ihtimalle gökbilimciler tarafından ilkel teleskoplarla gözlemlendiği için bu bulutsuların gezegen benzeri yuvarlak şeklinden türetilmişti ve terminoloji hatalı olsa da hâlâ bilim insanlarınca kullanılıyor.

‘Gezegen öncesi bulutsu’ evresi, yıldızların evrim döngüsünde kısa bir zaman dilimidir. Bulutsunun merkezinde yer alan yaşlı yıldızın sıcak kalıntıları birkaç bin yıl için bulutsuyu ısıtır, gazı hareketlendirir ve ardından bir gezegen bulutsusu olarak ışımasına yol açar. Gezegen öncesi bulutsuların kısa yaşamı, herhangi bir zaman diliminde bunlardan görece az sayıda gökcisminin mevcut olduğu anlamına gelir. Yanı sıra, fazlasıyla solgundurlar ve görülebilmeleri için çok güçlü teleskoplara ihtiyaç vardır. Bu az bulunurluk ve solgunluğun karışımı, görece yakın bir dönemde keşfedilmelerine neden olmuştur. Keşfedilen ilk bulutsu olan Yumurta Bulutsusu, henüz 40 yıldan daha az bir süre önce saptandı.

Bumerang Bulutsusu’nun ‘evrendeki en soğuk doğal alan’ olduğunun altını çizmek gerek. Gerçekteyse, en soğuk yer ödülü, Cambridge’te bulunan Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) laboratuvarına gidiyor.

Wolfgang Ketterle ve bir araştırma ekibi, burada, 1995 yılında sodyum gazını mutlak sıfırın sadece milyarda yarısına dek soğutmayı başardı. Bu deneyde, tarihte ilk defa bir gaz 1 nanokelvinin (derecenin milyarda biri) altındaki bir ısıya ulaştırıldı.

Araştırma ekibinin eş lideri ve MIT’deki John D. MacArthur kürsüsünde fizik profesörü olan Nobel ödüllü Ketterle, “İlk kez bir nanokelvinin altına inmek, 1600 metreyi dört dakikanın altında koşmak gibi bir şeydi” diyor.

ABD’nin Boulder kentindeki Colorado Üniversitesi’nden bir grup araştırmacıyla birlikte çalışan MIT ekibi, başarıya ulaştıkları deneyde, parçacıkların bağımsız biçimde dolaşmak yerine birbirine koşut adımlarla yürüdüğü yeni bir madde türü olan Bose-Einstein Yoğuşması’nı keşfetti.

Ekibin yarattığı bu sıçramadan beridir dünyadaki pek çok araştırma grubu artık rutin biçimde nanokelvin düzeyindeki ısılara ulaşıyor; daha önce açıklanan en düşük sıcaklık 1 nanokelvin düzeyindeydi. MIT grubunca kırılan rekor ise 500 ‘pikokelvin’, yani Bumerang Bulutsusu’ndan beş milyar kat daha soğuk bir seviyede.

Böylesine düşük ısılarda atomlar duvarlara yapıştıracakları için fiziksel kaplarda tutulamazlar. Dahası, bilinen hiçbir kap bu sıcaklıklara dek soğutulamaz. Bu yüzden, atomlar, gaz halindeki bulutu bir kapanda tutan mıknatıslarla çevrelenir. MIT’de fizik alanda yüksek lisansını sürdüren Aaron Leanhardt, “Alelade bir kapta parçacıklar duvarlardan seker. Bizim kabımızda ise atomlar manyetik alanlar tarafından itilir” diyor.

MIT araştırmacıları, bu ısılara ulaşmak amacıyla ‘kütleçekimsel-manyetik tuzak’ diye adlandırdıkları bir teknikle atomları hapsetmenin yeni bir yolunu icat ettiler. İsminden de anlaşılacağı üzere, bu manyetik alanlar, atomları hapsetmek için kütleçekimi kuvvetleriyle birlikte hareket eder.

Bunlar, evrendeki en soğuk yerlerden ikisi. Sizce de harika, değil mi?

Yazının orijinali ZME Science sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)