1.
astrofizik adıyla da bilinen, astronominin alt disiplini olan bilim.
"yazdığın bilimsel tanımlardan hiçbir şey anlamıyorum" diyenler ama bir yandan da gerçekten merak edenler için basitçe ve dikkatlice anlatmaya çalışacağım. umarım okursunuz. koskoca astrofizik dersinin temelini anlamış olacaksınız, öyle düşünün.
***
evrende neler olup bittiğini anlamızı sağlayan şeylerin başında ışık gelir. evet, bildiğimiz ışıktan bahsediyorum. optik teleskoplarımızın içinde bulunan mercekler ya da aynalar bu ışığı toplar; tıpkı gözlüklerinizle uzağı ya da yakını görmenizi ya da herhangi bir aynada kendinizi görmenizi sağladıkları gibi...
yine teleskoplarımıza takılan ve dedektör adı verilen araçlar da bu ışıkları incelememize olanak veren görüntüleri almamızı sağlar. bir sahneyi ölümsüzleştiren fotoğraf makineleri gibi... dedektörün fotoğraf makinesinden en büyük farkı, bu görüntüleri fotoğraftan ziyade, bilim insanlarının inceleyeceği sayısal verilere çevirebilmesidir.
***
"bir yıldızdan bize kadar gelen ışık, gece gökyüzünde onu minik bir pırıltı olarak görmemizden başka ne işimize yarayabilir ki?" diyebilirsiniz. gelin adım adım inceleyelim.
öncelikle tayf kavramına, sonra da kirchhoff yasalarının burada bizi ilgilendiren kısmına kısaca değinelim.
***
tayf dediğimiz şeyi basitçe, gözümüzle gördüğümüz ışığın fotoğrafı olarak düşünebilirsiniz. diyelim ki işiniz gücünüz yok ve odanıza giren güneş ışığını, cam bir prizmadan geçirmekle oyalanıyorsunuz. ne görürdünüz? işte şunu:
görselin kaynağı
gördüğünüz gibi, sol taraftan beyaz olarak gelen güneş ışığı, prizmanın sağından renkli rünklü bir şey olarak çıktı. neden? çünkü beyaz ışık olarak bildiğimiz şey, o gördüğünüz renkteki ışıkların bir karışımıdır. prizma beyaz ışığı orijinal bileşenlerine ayırır. gökkuşağında gördüğümüz renkleri de bu nedenle görürüz. hatta kredi kartlarının manyetik kısımlarında ya da cd'lerin arka yüzlerinde gördüğümüz o rengârenk manzaranın sorumlusu da yine beyaz ışığın bileşenlerine ayrılması işlemidir.
işte tayf kavramı aslında bunun bir sembolüdür. gözümüzle gördüğümüz ve adına ışık dediğimiz elektromanyetik dalganın tayfı şudur:
bunu nasıl elde ederiz? teorik olarak, herhangi bir maddeyi, güneş gibi bembeyaz* parlayacak şekilde ısıtarak. çılgınlar gibi ısıtılmış ve ışık yaymaya başlamış olan bir cismin ışığını uygun ekipmanla bir yere yansıtırsanız, elde edeceğiniz şey bu üstteki görüntüdür. tamamen prizmada gördüğünüz manzaraya benzer. bunun adına astrofizikte sürekli tayf denir.
***
gelelim kirchhoff abimizin yasalarına...
1. yasasında abimiz, bilmediğimiz bir şey söylemiyor. tam da yukarıda anlattığımı söylüyor. diyor ki; katı, sıvı yahut gaz olsun, herhangi bir şeyi çok fazla ısıtırsanız*, sürekli bir tayf elde edersiniz. güzel.
2. yasada biraz daha farklı koşullar altında durumu inceleyen kirchhoff, şöyle bir sonuca varıyor: alçak basınç altındaki aşırı ısıtılmış, yani yine akkor hâline getirilmiş bir gaz "salma tayfı" verir.
hmm... salma tayfı da ne ola ki?
bakalım neymiş.
önce örneğimizi görelim:
bu arkadaş, helyum gazına ait bir salma tayfı. yukarıda gördüğümüz sürekli tayftan oldukça farklı görünmekle beraber, renkli kısımlara bakarsanız, renk sıralamasının aslında sürekli tayftaki gibi olduğunu fark edeceksiniz. yani yine kırmızı bir başta, mor diğer başta ve arada aynı sıralamayla gerçekleşmiş renk geçişleri. peki aradaki renkler nerede? neden onların yerine siyah görüyoruz?
şimdi burada yine bir ek bilgiye ihtiyacımız olacak.
atomlar kabaca bakıldığında basit yapılardır. ortada bir çekirdek ve onun etrafında bir grup elektron...
elektronlar atom etrafında belirli bazı bölgelerde dolanır. bu bölgelere yörünge, kabuk, enerji seviyesi gibi çeşitli isimler veririz. yani elektronlar kafalarına göre her yerde dolanamazlar ve dolanabildikleri yörüngelerde belirli enerjilere sahiptirler. siz bir elektronun enerjisini yükseltmek isterseniz onu enerjisi yüksek bir foton ile çarpıştırabilirsiniz. foton dediğimiz parçacıklar, ışığı oluştururlar. yani aslında elektronu, belirli bir enerjiye sahip olan bir ışık taneciğiyle çarpıştırmış olursunuz.
bu arada ekleyelim; yukarıda prizmada gördüğünüz renkli ışıkların hepsinin enerjisi birbirinden farklıdır. mor en yüksek, kırmızı ise en düşük enerjiye sahiptir. aradaki renklerin enerjileri de kademe kademe yüksekten alçağa doğru düşer.
elektronun enerjisini yükseltmek her fotonun, yani her renkteki ışığın harcı değildir. fotonun da belirli bir enerjiye sahip olması gerekir. detayları atlayarak diyelim ki uygun bir foton buldunuz ve elektrona denk gelip ona çarpmasını sağladınız.
böyle bir çarpışmadan foton sağ çıkamaz. tüm enerjisini elektrona aktarır ve ortadan kaybolur. bu olaya "soğurma" denir. elektron ise gaza gelir ve "artık daha yüksek enerji seviyeli bir yörüngede dolanabilirim. zenginim üleen!" diyerek üst enerji seviyelerinden, enerjisine uygun olan bir tanesine atlar. bu olaya "uyarılma" denir. fakat o da ne? elektron burada aradığı mutluluğu asla bulamaz ve "aga bu nedir! geldiğim yere geri dönüyorum ben" diyerek baştaki yörüngesine geri döner. mutlu olmadığını anlaması için de 0.00000001 saniye yeterlidir bu arada. akıllı adammış vesselam...
neyse, elektron geri dönerken, fotondan aldığı yol harçlığını da geri vermek zorundadır çünkü baştaki enerji seviyesi o kadar fazla enerjiyi kaldırmaz. ne yapsın elektron, fotonu aldığı gibi enerjisiyle birlikte geri bırakır. foton yoluna devam eder ama biz ne görürüz? ışık. voila!
***
şimdi yavaş yavaş salma tayfının ne olduğunu anlayabiliriz. demiştik ki her foton her elektronu uyaramaz, bunun için uygun fotonlar bulmak gerekir. işte yukarıda helyumun salma tayfında gördüğünüz olay, helyumun elektronlarını hangi renkteki ışığa ait fotonların uyarabildiğini gösterir. geri kalan siyah bölgeler, o bölgelere karşılık gelen ışık renklerinin, helyum elektronları üzerinde bir etkisi olmadığını gösterir. bu nedenle de oralarda herhangi bir hareket görülmez.
***
tüm bunlar yetmezmiş gibi, kirchhoff abimiz son bir yasa daha sürer ileriye. bu 3. yasa özetle şunu söyler; diyelim ki en başta tanıştığımız sürekli tayfı veren bir ışık kaynağımız var. her şey yolunda. mutlu bir şekilde tayfın her ışığını görüyoruz. fakat eğer bu kaynağın önüne, bu kaynaktan biraz daha düşük sıcaklıkta bir gaz gelirse bu kez "soğurma tayfı" elde ederiz. bir bu eksikti!
şimdi soğurma tayfını anlamaya çalışalım.
aslında salma tayfında anlattığımız her şey burada da geçerli. yeni bir şey anlatmayacağım. fakat buradaki mekanizmada artık 2 farklı ortam var: biri çok sıcak, biri ondan biraz daha soğuk ve onun önünde duruyor.
adım adım bakarsak olay şöyle cereyan ediyor:
- arkada aşırı sıcak bir kaynak var ve gökkuşağındaki renklerin tümünü yaydığı için sürekli tayf veriyor. bu kaynaktan çıkan fotonlar her yöne doğru yayılırken, kaynağın önünde duran daha az sıcak gazın içinden de geçerek gözlemciye geliyor.
- helyum örneğini düşünün. gördük ki helyum atomunun elektronları, sadece belirli ışıkların fotonları ile uyarılabiliyordu. yine aynı durum geçerli. farz edelim ki burada önde bulunan daha az sıcak gaz helyum olsun. ikinci yasadaki olayda olduğu gibi, yine aynı fotonları soğuran helyum elektronları, ilk enerji seviyelerine geri dönerken bu fotonları serbest bırakacaklar. ancak mesela elektrona kuzeybatı yönünden gelen bir foton, elektron onu geri bıraktığında yine aynı yönden serbest kalmayacağı için o fotonun, başka bir deyişle ışığın olması gereken yerde bu kez karanlığı göreceğiz.
şöyle:
ikisi de helyuma ait olan salma ve soğurma tayflarındaki çizgilere dikkatli bakın. salma tayfındaki renkli çizgilerin olduğu yerlerle soğurma tayfındaki karanlık çizgilerin olduğu yerler birbiriyle aynı. yan yana görelim:
şimdi burada kafa biraz karışmış olabilir. ilk olayda da fotonun geldiği yönle serbest kaldığı yön aynı değildi. neden onda ışık bunda karanlık gördük? çünkü bu olaylar aslında tek bir elektron-foton çiftinin etkileşimini içermiyor. binlerce, milyonlarca ve hatta milyarlarca çarpışma oluyor bu bölgelerde. dolayısıyla gördüğümüz sonuçlar toplam bir etkinin yani büyük bir bütünün sonucu.
***
kafamız yeterince yoruldu. tüm bu anlattıklarım neye yarıyor, işin o kısmına gelelim.
helyum örneğinde gördük, herhangi bir elementin tayf üzerinde oluşturduğu çizgilerin yeri her zaman bellidir ve o elemente özgüdür. mesela hidrojenin yahut magnezyumun tayf üzerinde oluşturacağı çizgiler, birbirilerininkinden de helyumunkinden de farklıdır. yani özetle bu çizgiler, elementlerin parmak izleri gibidir. bu da bize, ışığın geldiği yöndeki ortam, o ortamda bulunan gazlar, bu gazların yapıları, sıcaklıkları ve benzer bilgileri edinme şansı verir. dolayısıyla bir yıldızın kimyasal yapısı, buna bağlı olarak sıcaklığı ve türü ve bunlara bağlı olarak hertzsprung-russell diyagramı üzerindeki yeri gibi çok ama çok çeşitli bilgiler açığa çıkar.
bu arada bu işlemler yapılırken, dünya atmosferinde bulunduğunu bildiğimiz gazların etkisi, bu tayflardan çıkarılır ve durum kalan tayf çizgileri üzerinden değerlendirilir.
yukarıda anlattıklarım astrofiziğin temelidir ve evren hakkında edindiğimiz bilgilerin, en azından görünür ışıkla ilgili olan kısmının nasıl edinildiğini kabaca açıklar.
"yazdığın bilimsel tanımlardan hiçbir şey anlamıyorum" diyenler ama bir yandan da gerçekten merak edenler için basitçe ve dikkatlice anlatmaya çalışacağım. umarım okursunuz. koskoca astrofizik dersinin temelini anlamış olacaksınız, öyle düşünün.
***
evrende neler olup bittiğini anlamızı sağlayan şeylerin başında ışık gelir. evet, bildiğimiz ışıktan bahsediyorum. optik teleskoplarımızın içinde bulunan mercekler ya da aynalar bu ışığı toplar; tıpkı gözlüklerinizle uzağı ya da yakını görmenizi ya da herhangi bir aynada kendinizi görmenizi sağladıkları gibi...
yine teleskoplarımıza takılan ve dedektör adı verilen araçlar da bu ışıkları incelememize olanak veren görüntüleri almamızı sağlar. bir sahneyi ölümsüzleştiren fotoğraf makineleri gibi... dedektörün fotoğraf makinesinden en büyük farkı, bu görüntüleri fotoğraftan ziyade, bilim insanlarının inceleyeceği sayısal verilere çevirebilmesidir.
***
"bir yıldızdan bize kadar gelen ışık, gece gökyüzünde onu minik bir pırıltı olarak görmemizden başka ne işimize yarayabilir ki?" diyebilirsiniz. gelin adım adım inceleyelim.
öncelikle tayf kavramına, sonra da kirchhoff yasalarının burada bizi ilgilendiren kısmına kısaca değinelim.
***
tayf dediğimiz şeyi basitçe, gözümüzle gördüğümüz ışığın fotoğrafı olarak düşünebilirsiniz. diyelim ki işiniz gücünüz yok ve odanıza giren güneş ışığını, cam bir prizmadan geçirmekle oyalanıyorsunuz. ne görürdünüz? işte şunu:
görselin kaynağı
gördüğünüz gibi, sol taraftan beyaz olarak gelen güneş ışığı, prizmanın sağından renkli rünklü bir şey olarak çıktı. neden? çünkü beyaz ışık olarak bildiğimiz şey, o gördüğünüz renkteki ışıkların bir karışımıdır. prizma beyaz ışığı orijinal bileşenlerine ayırır. gökkuşağında gördüğümüz renkleri de bu nedenle görürüz. hatta kredi kartlarının manyetik kısımlarında ya da cd'lerin arka yüzlerinde gördüğümüz o rengârenk manzaranın sorumlusu da yine beyaz ışığın bileşenlerine ayrılması işlemidir.
işte tayf kavramı aslında bunun bir sembolüdür. gözümüzle gördüğümüz ve adına ışık dediğimiz elektromanyetik dalganın tayfı şudur:
bunu nasıl elde ederiz? teorik olarak, herhangi bir maddeyi, güneş gibi bembeyaz* parlayacak şekilde ısıtarak. çılgınlar gibi ısıtılmış ve ışık yaymaya başlamış olan bir cismin ışığını uygun ekipmanla bir yere yansıtırsanız, elde edeceğiniz şey bu üstteki görüntüdür. tamamen prizmada gördüğünüz manzaraya benzer. bunun adına astrofizikte sürekli tayf denir.
***
gelelim kirchhoff abimizin yasalarına...
1. yasasında abimiz, bilmediğimiz bir şey söylemiyor. tam da yukarıda anlattığımı söylüyor. diyor ki; katı, sıvı yahut gaz olsun, herhangi bir şeyi çok fazla ısıtırsanız*, sürekli bir tayf elde edersiniz. güzel.
2. yasada biraz daha farklı koşullar altında durumu inceleyen kirchhoff, şöyle bir sonuca varıyor: alçak basınç altındaki aşırı ısıtılmış, yani yine akkor hâline getirilmiş bir gaz "salma tayfı" verir.
hmm... salma tayfı da ne ola ki?
bakalım neymiş.
önce örneğimizi görelim:
bu arkadaş, helyum gazına ait bir salma tayfı. yukarıda gördüğümüz sürekli tayftan oldukça farklı görünmekle beraber, renkli kısımlara bakarsanız, renk sıralamasının aslında sürekli tayftaki gibi olduğunu fark edeceksiniz. yani yine kırmızı bir başta, mor diğer başta ve arada aynı sıralamayla gerçekleşmiş renk geçişleri. peki aradaki renkler nerede? neden onların yerine siyah görüyoruz?
şimdi burada yine bir ek bilgiye ihtiyacımız olacak.
atomlar kabaca bakıldığında basit yapılardır. ortada bir çekirdek ve onun etrafında bir grup elektron...
elektronlar atom etrafında belirli bazı bölgelerde dolanır. bu bölgelere yörünge, kabuk, enerji seviyesi gibi çeşitli isimler veririz. yani elektronlar kafalarına göre her yerde dolanamazlar ve dolanabildikleri yörüngelerde belirli enerjilere sahiptirler. siz bir elektronun enerjisini yükseltmek isterseniz onu enerjisi yüksek bir foton ile çarpıştırabilirsiniz. foton dediğimiz parçacıklar, ışığı oluştururlar. yani aslında elektronu, belirli bir enerjiye sahip olan bir ışık taneciğiyle çarpıştırmış olursunuz.
bu arada ekleyelim; yukarıda prizmada gördüğünüz renkli ışıkların hepsinin enerjisi birbirinden farklıdır. mor en yüksek, kırmızı ise en düşük enerjiye sahiptir. aradaki renklerin enerjileri de kademe kademe yüksekten alçağa doğru düşer.
elektronun enerjisini yükseltmek her fotonun, yani her renkteki ışığın harcı değildir. fotonun da belirli bir enerjiye sahip olması gerekir. detayları atlayarak diyelim ki uygun bir foton buldunuz ve elektrona denk gelip ona çarpmasını sağladınız.
böyle bir çarpışmadan foton sağ çıkamaz. tüm enerjisini elektrona aktarır ve ortadan kaybolur. bu olaya "soğurma" denir. elektron ise gaza gelir ve "artık daha yüksek enerji seviyeli bir yörüngede dolanabilirim. zenginim üleen!" diyerek üst enerji seviyelerinden, enerjisine uygun olan bir tanesine atlar. bu olaya "uyarılma" denir. fakat o da ne? elektron burada aradığı mutluluğu asla bulamaz ve "aga bu nedir! geldiğim yere geri dönüyorum ben" diyerek baştaki yörüngesine geri döner. mutlu olmadığını anlaması için de 0.00000001 saniye yeterlidir bu arada. akıllı adammış vesselam...
neyse, elektron geri dönerken, fotondan aldığı yol harçlığını da geri vermek zorundadır çünkü baştaki enerji seviyesi o kadar fazla enerjiyi kaldırmaz. ne yapsın elektron, fotonu aldığı gibi enerjisiyle birlikte geri bırakır. foton yoluna devam eder ama biz ne görürüz? ışık. voila!
***
şimdi yavaş yavaş salma tayfının ne olduğunu anlayabiliriz. demiştik ki her foton her elektronu uyaramaz, bunun için uygun fotonlar bulmak gerekir. işte yukarıda helyumun salma tayfında gördüğünüz olay, helyumun elektronlarını hangi renkteki ışığa ait fotonların uyarabildiğini gösterir. geri kalan siyah bölgeler, o bölgelere karşılık gelen ışık renklerinin, helyum elektronları üzerinde bir etkisi olmadığını gösterir. bu nedenle de oralarda herhangi bir hareket görülmez.
***
tüm bunlar yetmezmiş gibi, kirchhoff abimiz son bir yasa daha sürer ileriye. bu 3. yasa özetle şunu söyler; diyelim ki en başta tanıştığımız sürekli tayfı veren bir ışık kaynağımız var. her şey yolunda. mutlu bir şekilde tayfın her ışığını görüyoruz. fakat eğer bu kaynağın önüne, bu kaynaktan biraz daha düşük sıcaklıkta bir gaz gelirse bu kez "soğurma tayfı" elde ederiz. bir bu eksikti!
şimdi soğurma tayfını anlamaya çalışalım.
aslında salma tayfında anlattığımız her şey burada da geçerli. yeni bir şey anlatmayacağım. fakat buradaki mekanizmada artık 2 farklı ortam var: biri çok sıcak, biri ondan biraz daha soğuk ve onun önünde duruyor.
adım adım bakarsak olay şöyle cereyan ediyor:
- arkada aşırı sıcak bir kaynak var ve gökkuşağındaki renklerin tümünü yaydığı için sürekli tayf veriyor. bu kaynaktan çıkan fotonlar her yöne doğru yayılırken, kaynağın önünde duran daha az sıcak gazın içinden de geçerek gözlemciye geliyor.
- helyum örneğini düşünün. gördük ki helyum atomunun elektronları, sadece belirli ışıkların fotonları ile uyarılabiliyordu. yine aynı durum geçerli. farz edelim ki burada önde bulunan daha az sıcak gaz helyum olsun. ikinci yasadaki olayda olduğu gibi, yine aynı fotonları soğuran helyum elektronları, ilk enerji seviyelerine geri dönerken bu fotonları serbest bırakacaklar. ancak mesela elektrona kuzeybatı yönünden gelen bir foton, elektron onu geri bıraktığında yine aynı yönden serbest kalmayacağı için o fotonun, başka bir deyişle ışığın olması gereken yerde bu kez karanlığı göreceğiz.
şöyle:
ikisi de helyuma ait olan salma ve soğurma tayflarındaki çizgilere dikkatli bakın. salma tayfındaki renkli çizgilerin olduğu yerlerle soğurma tayfındaki karanlık çizgilerin olduğu yerler birbiriyle aynı. yan yana görelim:
şimdi burada kafa biraz karışmış olabilir. ilk olayda da fotonun geldiği yönle serbest kaldığı yön aynı değildi. neden onda ışık bunda karanlık gördük? çünkü bu olaylar aslında tek bir elektron-foton çiftinin etkileşimini içermiyor. binlerce, milyonlarca ve hatta milyarlarca çarpışma oluyor bu bölgelerde. dolayısıyla gördüğümüz sonuçlar toplam bir etkinin yani büyük bir bütünün sonucu.
***
kafamız yeterince yoruldu. tüm bu anlattıklarım neye yarıyor, işin o kısmına gelelim.
helyum örneğinde gördük, herhangi bir elementin tayf üzerinde oluşturduğu çizgilerin yeri her zaman bellidir ve o elemente özgüdür. mesela hidrojenin yahut magnezyumun tayf üzerinde oluşturacağı çizgiler, birbirilerininkinden de helyumunkinden de farklıdır. yani özetle bu çizgiler, elementlerin parmak izleri gibidir. bu da bize, ışığın geldiği yöndeki ortam, o ortamda bulunan gazlar, bu gazların yapıları, sıcaklıkları ve benzer bilgileri edinme şansı verir. dolayısıyla bir yıldızın kimyasal yapısı, buna bağlı olarak sıcaklığı ve türü ve bunlara bağlı olarak hertzsprung-russell diyagramı üzerindeki yeri gibi çok ama çok çeşitli bilgiler açığa çıkar.
bu arada bu işlemler yapılırken, dünya atmosferinde bulunduğunu bildiğimiz gazların etkisi, bu tayflardan çıkarılır ve durum kalan tayf çizgileri üzerinden değerlendirilir.
yukarıda anlattıklarım astrofiziğin temelidir ve evren hakkında edindiğimiz bilgilerin, en azından görünür ışıkla ilgili olan kısmının nasıl edinildiğini kabaca açıklar.
devamını gör...