Vücudumuzdaki her bir hücreden, gökyüzünü aydınlatan yıldızlara kadar çevremizde gözlemlediğimiz canlı ve cansız her şey atom denilen maddenin temel yapı taşlarından meydana gelmiştir. Buraya kadar hepimiz biliyoruz. Peki, atomların kökeni nedir? Etrafımızdaki tüm bu maddeyi düşününce sınırsızmış gibi görünen bu namı diğer ‘yapıtası’ nereden gelmiştir? Bu yazımızda, elementlerin ortaya çıkış serüvenini, büyük patlamadan, adeta bir fabrika gibi çalışan yıldızlara ve süpernova patlamalarına kadar takip edeceğiz. Vücudumuzdaki atomların önemli bir bölümü, 13.8 milyar yıl önce Büyük Patlamanın hemen ardından oluşmuş ve o günden bu yana değişmeden kalmış durumdadır. Gökadalar, büyük patlamanın ardından evrende ortaya çıkan maddeyle oluşmuşlardır. Eğer zamanı yaklaşık 13 milyar yıl geriye alabilseydik, karşımıza şimdikine göre çok daha zorlu koşullar çıkacaktı. Büyük patlamanın hemen sonrası milyonlarca derece sıcaklığında, yüksek basınçlı gaz ve toz bulutundan oluşan bir cehennem… Bilim çevrelerinde geniş kabul gören Büyük Patlama Teorisi’nin temel fikri, halen genişlemekte olan evrenin, geçmişte belirli bir zamanda sıcak ve yoğun bir başlangıç durumunda başladığı ve bu andan itibaren genişlemeyi sürdürdüğüdür. Başlangıcın hemen akabinde sıcaklık yaklaşık 10 milyar Kelvin derecedir. Bu sıcaklıkta mevcut parçacıkların kinetik enerjileri çok yüksektir. Patlamadan hemen sonra ortaya çıkan bu muazzam sıcaklık, patlamadan 10-6 saniye sonra kuarkların (atom altı parçacıkların) proton ve nötronları oluşturabileceği seviyeye kadar düşmüştür. Bu evrede, evrende bir plazma yani, proton, elektron ve nötronların serbest şekilde hareket ettiği bir ortam hakimdi. Sıcaklığın 5 milyar 0K ile 1 milyar 0K arasında olduğu, evrenin ilk saniyesi ile 3. dakikası arasında, ilk nükleosentez olayları gerçekleşmiştir. İlkel evrenin oluşturabilec-ği, sadece bir proton ve bir elektrondan oluşan en basit element olan ve evrende en çok bulunan hidrojen çekirdeği oluşmuştur. Zamanla hidrojen çekirdeklerinin nötron kazanmasıyla hidrojenin izotopları olan döteryum ve trityum çekirdekleri oluşmuştur. Hidrojenden daha az miktarda olmakla birlikte, iki proton ve iki nötrondan oluşan helyum çekirdekleri de oluşmuştur. Üçüncü sırada bulunan lityumsa eser miktarda ortaya çıkmıştır. Evren, çok hızlı soğuduğu için lityumdan daha ağır elementlerin bu süreçte oluşacak fırsatları olamamıştır. İlk atom “çekirdekleri”nin oluşmasından sonra uzunca bir süre evren genişlemeye ve soğumaya devam etmiştir. Büyük patlamadan 300.000 yıl sonra sıcaklığın -3000 0K’ye düşmesiyle beraber, plazma ortamında başıboş dolaşan atom çekirdekleri ve elektronlar birleşerek ilk atomları meydana getirmiştir. Evrene hakim olan radyasyonun artık üstünlüğünü kaybettiği ve madde parçacıklarının evrene ilk defa hakim olmaya başladığı bu anın, elimizde bir de hatıra fotoğrafı bulunmaktadır: ‘Kozmik Mikrodalga Fon Işıması’ Büyük patlama kuramıyla birlikte öngörülen bu ışıma, evreni meydana getiren ilk atomların oluşmasıyla serbest kalan ışınımın günümüze yansımasıdır. Patlamadan beri evren genişlemekte olduğundan uzaydaki bu radyasyon şu anda spektrumun mm bölgesinde yer almakta ve 2.7 0K’lik sıcaklığa karşılık gelmektedir. Bu radyasyon miktarı Büyük Patlama Teorisi’nin bir çeşit kozmik ekosu olup, doğruluğunu kanıtlayan delillerden biridir. Evrende var olan, hidrojen, helyum ve eser miktardaki lityum hariç geriye kalan tüm elementler yıldızların oluşumundan sonra, bu yıldızların çekirdeğinde gerçekleşen termonükleer tepkimeler ve süpernova patlamaları sırasında üretilmiştir. Evren, birkaç milyon yaşına geldiğinde, hidrojen ve helyumdan oluşan koyu gaz bulutları evrene hakimdir. Gaz bulutu içerisinde, nispeten daha yoğun olan bölgeler kütle çekiminin etkisiyle çevresinden kütle çekerek daha fazla yoğunlaşmaya ve sıkışmaya başlamıştır. Sıkışmayı ise çökme takip etmiştir. Çöken kümelerin sıcaklığı, çökmeden dolap o kadar yükselmiştir ki akkor halini alarak çevrelerine ışık saçmaya başlamışlardır. Bunlar, çeşitli düzensizliklerin etkisiyle belli bölgelerde topaklanarak ilk yıldız topluluklarını yani gökada kümelerini meydana getirmişlerdir. Halen tartışılmakta olan ilk gökadaların oluşum süreçlerinden sonra, oluşan gökadalardaki madde belirli bölgelerde yoğunlaşarak yıldızlan oluşturmaya başlamıştır. Yoğunlaşan gazın merkezindeki basınç ve sıcaklık, hidrojen atomu çekirdeklerini kaynaştıracak dereceye yükseldiğinde tepkimeler başlar. Çekirdekte meydana gelen tepkimeler sonucunda açığa çıkan enerji ısı, ışık gibi değişik formlar halinde yavaş yavaş yıldızın dış katmanlarına ulaşır ve buradan da uzaya yayılır. Uzaya salınan bu enerji, yıldızda dışa doğru bir basınç yaratır. Kütle çekimiyse buna zıt yönlü bir kuvvet uygular. Kuvvetler birbirini dengelediğinde bir Hidrostatik Denge oluşur ve böylece yıldızın doğum süreci tamamlanmış olur. Yıldızlar, bu şekilde kararlı bir duruma gelirler ve ömürlerinin büyük bölümünü çekirdeklerinde hidrojen yanmasıyla iç dengeyi koruyarak geçirirler. İlk yıldızlar büyük olasılıkla, çekirdeklerinde helyum yakmaya fırsat bulamadan kainatın en şiddetli patlaması olan süpernovalardan, çok daha şiddetli bir şekilde patlayarak dağıldılar. Bu yıldızların küllerinden oluşan yeni yıldızlar, ilk nesil yıldızlara göre daha zengin bir bileşime sahip olarak yaşamlarına başladılar.
Helyumdan ağır ilk Ağır Elementler Oluşuyor..
Güneş büyüklüğündeki bir yıldızın, Hidrojen yakıtı tükenmeye başlayınca, yıldız çekirdeğe doğru büzülmeye başlar; bu büzülmenin neden olduğu çekirdekteki yoğunluk, basınç ve sıcaklık artışı Helyum’un da füzyon tepkimelerine girmesi ve C 12 (Karbon) ile O16 (Oksijen) ‘e dönüşmeye başlama-sına neden olur. Yıldız Kırmızı Dev evresine geçer. Bu tepkimelerden açığa çıkan ısı daha da fazladır ve çekirdek etrafındaki H’nin de He’a dönüşeceği tepkimeleri başlatır. Bu şekilde, yıldız çekirdeği, en içte C ve O’nin, ortada He’un ve en dışta H’nin bulunduğu üç katmanlı bir yapıya bürünür. Güneşimiz kütlesindeki yıldızlar için süreç burada sona girer çünkü süreci bu şekilde devam ettirebilecek yeterli kütleçekimsel enerji yoktur (Her aşama için daha fazla sıcaklık ve basınç gerekir.). Yıldızın dış katmanları uzaya savrulurken, çekirdek kendi üzerine çöker ve geride yüksek yoğunluklu bir ‘beyaz cüce’ kalır. Yıldızın kütlesi arttıkça daha ileriki tepkimeler için gerekli olan sıcaklık limitine ulaşılma imkanı oluşur. Güneşin 1 ve 8 katı kütlesine sahip olan yıldızların çekirdeğindeki tepkimeler sonucunda çok sayıda serbest nötron açığa çıkar. Bu tepkimelerden açığa çıkan yüksek miktardaki nötron ile kırmızı devin ‘dış katmanları’ bombardımana tutulur. Yavaş süreç (s süreci) diye adlandırılan bu bombardıman süreci bir miktar daha ağır elementin oluşumuyla sonlanır.
Süpernova patlamaları
Güneşten 9 kez veya daha fazla oranda yüksek kütleye sahip olan yıldızların çekirdeklerinde Silikon, kükürt ve nikel oluşumuyla döngü benzer şekilde devam eder. Nikelin demir elementine bozumnasıyla enerji kaynağı son bulur. Çünkü demir doğadaki en kararlı çekirdek yapısına sahip olan elementtir; füzyonu da, fizyonu da enerji tüketir. Demir(Fe)’e kadar olan 26 element bu süreçler ile yıldız çekirdeklerinde üretilir. Demir(Fe)’den sonra gelen bütün elementlerinin üretimi ise evrende bir tek yolla; Süpernova patlamalarının çok kısa bir süreliğine ortaya çıkardığı koşullar ile gerçekleşir. Artık, neredeyse tamamen demire dönüşmüş yıldız çekirdeğini, elektronlann Pauli’nin dışlama ilkesi gereği aynı kuantum durumunu paylaşmayı reddetmelerinden kaynaklanan dejenerasyon basıncı ayakta tutmaktadır. Demir-nikel çekirdeğin kütlesi Güneşin kütlesinin 1,38 katını (Giandrasekhar limiti) aştığında, merkez çökmeye başlar. Artan basınca elektron bulutları da dayanamaz ve çekirdeklerinin üzerine çöküp, protonlarla birleşirler. Yıldızın iç bölümü adeta bir savaş alanına dönüşür. Elektronların direnişinin ansızın ortadan kalkmasıyla çekirdek, saniyeler içinde kendi üzerine çöker ve Dünya boyutlarında iken, çapı bir anda 30 km’ye kadar iner. Kendi içine doğru patlayan yıldızın merkez yoğunluğu bir anda cm3 başına 10 milyon tonu aşar. Çok kısa zaman dilimde oluşan bu yoğunluğa karşı yıldızın dış katmanları aynı şiddetle gerisin geri döner ve büyük bir şok dalgası ile Evren’in en şiddetli olayı olan supernova patlaması gerçekleşir. Merkez kısmı bu sırada, yüksek akılarla nötron, büyük bir güçle de (1046W) yüksek enerjili nötrino ve karşıt nötrinolar salmaktadır. Patlayan yıldız, bir iki saniye içerisinde, tüm kütlesinin %ıo kadarını nötrino olarak ışır. Şok dalgası yıldız yüzeyinin önce bir tarafına ulaşıp, sonra her tarafına yayılır ve kucağındakilerin hepsini boşluğa fırlatır. Bu şok dalgası ile müthiş bir hızla saçılan dış katmanlardaki sıcaklık bir anlığına 100 milyar dereceye kadar yükselebilir. Ölen yıldızın parlaklığı, 1 ay kadar süre ile bulunduğu gökadanın çekirdeğinden daha fazla ışıldayabilecek düzeye ulaşır. Dalga, ilerlerken soğur. Sıcaklık 10 milyar Kelvin derecenin altına indiğinde, yıldız çekirdeğindeki süreçlerde oluşmuş olan atom çekirdekleri kaynaşarak alfa parçacıkları oluşturmaya başlamıştır. Alfa parçacıkları birleşerek, orta ağırlıktaki çekirdekleri oluşturur. Sıcaklık 3 milyar Kelvin derecenin altına indiğinde, 1 milyar Kelvin dereceye kadar; bu çekirdekler art arda nötronlar yutarak, uranyuma kadarki en ağır elementleri üretirler. Hızlı süreç (r süreci) olarak adlandırılan bu mekanizma ile yıldız çekirdeğinde oluşamayan ağır elementler de oluşur ve Periyodik Tablo tamamlanmış olur.
Yıldızın bu şiddet dolu patlamasından geriye, bir nötron yıldızı veya karadelik kalır. Patlamayla fırlatılan maddenin yıldızlararası ortama dağılması ise 100milyon yılı bulabilir. Elementlerce zenginleşmiş bu kütle, yeni bulutsular oluşturarak yeni nesil yıldızların oluşumunu tetikler. Bugün sahip olduğumuz bilgiler ışığında bizi ve evreni oluşturan elementlerin bir bölümünün Büyük Patlama sırasında, bir bölümünün yıldızların içinde, kalanının da süpernova patlamalarında oluştuğunu rahatlıkla söyleyebiliyoruz. Uzun bir neden sonuç silsilesiyle birbirine bağlı tüm bu süreçler bugün elinizde tuttuğunuz bu dergiden soluduğumuz havaya kadar tüm hayatımızı ve evreni dolduran maddenin nerede ve nasıl oluştuğunun cevabını taşır. Yıldızlı bir havada bakışlarımızı gökyüzüne çevirdiğimizde kökenimizle ilgili merak ettiğimiz, nasıl ve neden oluştuğunu sorduğumuz tüm yapıların birbirine bağlı olduğu bir mekanizmaya bakıyoruz aslında. Her birimiz de o mekanizmanın hem ürünü hem de parçasıyız. Ünlü teorik fizikçi Dr. Michio Kaku’nun bir sözü ile bitirelim: “Güneş bizim üvey annemizdir, gerçek annemiz bir süpernova patlamasıyla öldü.”
Kaynaklar ve İleri Okuma
1. Demirkoz, El., Yıldız Patlamaları: Siıpernovalare Bilim ve Teknik Dergisi (Ocak 2013)
2. Evren ve Dünya, Thema Larous-se Tematik Ansiklopedisi, Milliyet
3. Derman, E., Altın Elementi Evrende Nasıl Oluştu? (19 Temmuz 2013) (http://ethemderman.com/ index.php/2012-07-08-23-00-54/gokbilim-yazilarim/item/268-al-tin-elementi-19072013)
4. Derman, E., Bedeninizde (Yer, Güneş ve Evrende) Hangi Element-ler Var? (31 Aralık 2012) (http://ethemderman.com/index.php/2012- 07-08-23-00-54/gokbilim-yazilari/item/231-bedenimizdeki-element-ler-311220121)