Kahverengi cüceler: Yarım kalmış yıldızlar nedir?
Ne gezegen ne yıldız: Çekirdeğinde istikrarlı nükleer füzyon reaksiyonları başlatamadığı için yıldız gibi yanmayı da başaramayan kahverengi cüceler, gezegenlerle yıldızlar arasında kalıyor. Peki evrenin en sıra dışı gökcisimlerinden biri olan kahverengi cüceler nasıl oluşuyor ve Jüpiter gibi gaz devleriyle aralarında ne fark bulunuyor? Dahası neden bazı kahverengi cüceler aslında mor renkli oluyor?
Kahverengi cüceler ve gezegenler
Bize okulda ne öğrettiler? Bir gökcismi sıcaksa ve kendi ürettiği ışığı saçıyorsa o bir yıldızdır. Sadece yıldızdan aldığı ışığı yansıtarak parlayan diğer gökcisimleri ise gezegen, cüce gezegen, ay vb.’dir. Peki kahverengi cüce nedir? Onlar çekirdeğinde süreğen nükleer füzyon reaksiyonları başlatamadığı için yarım kalmış yıldızlardır.
Güneş Sistemi’nin en büyük gezegeni olan Jüpiter’den 75 kat kütleli olmasına rağmen bunlar gaz devlerine benzer. Hatta nispeten sıcak olduğu için özellikle de kızılötesi dalga boyunda ışık saçarlar; yani kahverengi cüceleri, yeterince yakın olduklarında güçlü kızılötesi teleskoplarla görebilirsiniz.
Öyle ki evreni en soluk ve küçük yıldızları olan ultra soğuk kırmızı cücelerin yüzey sıcaklığı 2430 derece iken, kahverengi cücelerin sıcaklığı 1273 dereceyi pek geçmez. Karşılaştırma açısından, Güneşimizin nükleer füzyon ile ısı ve ışık saçan çekirdeği 15 milyon derece sıcaklıktadır; ama kahverengi cücelerin çekirdek sıcaklığı üç milyon derecedir.
Bunlara yarım kalmış titrek yıldızlar da diyebiliriz; çünkü çekirdeklerinde kısa süreli nükleer füzyon reaksiyonları meydana gelebilir. Bu da yüzey sıcaklığının geçici olarak artmasına neden olabilir. Ancak, bu reaksiyonlar süreğen olmadığı için kahverengi cücenin içerdiği hidrojen gazını tutuşturmaz. Dolayısıyla bu cisimler yıldız gibi yanmaz. Peki nasıl oluşuyorlar?
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Gaz devleri ve kahverengi cüceler arasındaki fark
Gökbilimciler 1990’lardan başlayarak ne yıldız ne gezegen olan bu sıra dışı gökcisimlerini keşfetmeye başladılar. Biz de kahverengi cücelerin nasıl oluştuğuna bakarak yıldız oluşum süreçlerini daha iyi anlayabiliriz. Örneğin, bir gezegen nerede biter ve bir yıldız nerede başlar?
NASA’nnı kahverengi cüce illüstrasyonlarına bakarsanız bunları ilk bakışta gezegen sanabilirsiniz; çünkü yakından bakınca soluk kırmızı ışıkta parlarlar. Tıpkı kor halindeki kızgın kömür gibi ışık saçarlar. Genellikle de oldukça ateşli bir Jüpiter’e benzerler. Gerçi atmosferinde büyük miktarda metan ve su buharı içeren kahverengi cüceler aslında mor renkli olurlar. 🙂
Şimdi diyeceksiniz ki “Hocam madem öyle, neden bunlara gezegen demiyoruz? Neden yıldız olarak tutuşmayan kahverengi cüceleri baştan gaz devi sınıfına sokmuyoruz?” Bunun sebebi kahverengi cücelerin gezegenlerle aynı şekilde oluşmamasıdır:
Dünya çakıl taşlarından nasıl oluştu yazısında belirttiğim gibi gezegenler toz tanecikleri, taş parçaları ve buz parçalarının birbirine yapışmasıyla ortaya çıkar ki bütün gezegenler kayalık buzlu toplar halinde oluşur. Ancak, bir kısmı yeterince büyüktür ve özellikle de Dünya’dan 10 kat kütleli olan gezegenler, üstüne büyük miktarda gaz çekerek Jüpiter benzeri gaz devlerine dönüşürler.
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Kahverengi cüceler yıldız gibi oluşur
Güneşimiz gezegenleri yaratacak olan gezegen öncesi gaz ve toz diskinin merkezinin çökmesiyle oluştu. Bu gaz bulutu önce yağmur bulutları gibi büyük, seyrek ve dağınıktı; ama yeterince soğuduğu için yerçekimi etkisiyle içe çökerek kendi çevresinde dönmeye başladı. Bu sırada merkezkaç kuvveti sayesinde tıpkı bir plak gibi düzleşip çizgi çizgi oldu. Buna gezegen öncesi disk diyoruz.
Plak çizgilerine karşılık gelen disk bölümlerinde gezegenler ve plağın pikap tablasına oturması için açılan deliğe karşılık gelen bölgede Güneş oluştu. Kahverengi cüceler de bu şekilde meydana geliyor. Tabii yıldızlar hidrojen atomlarını kaynaştırıp daha büyük ve ağır olan helyum atomları sentezliyor ve bu süreçte ısıyla ışık saçıyor. Oysa kahverengi cücelerde böyle olmuyor:
Bunlar daha küçük ve hafif gaz bulutlarının çökmesiyle meydana geliyor. Kütlesi yetersiz kaldığı için de çekirdeğinde yeterli basınç ve ısı üretemiyor. Sonuçta kahverengi cüceler süreğen nükleer füzyon başlatarak yıldıza dönüşemiyor. Yine de bu hiç nükleer füzyon tetiklemedikleri anlamına gelmiyor.
Tersine, fazladan birer nötron içeren hidrojen izotopları (ağır suyun kökeni olan döteryum) serbest protonlarla (yani çıplak hidrojen çekirdekleriyle) kaynaşarak helyum 3 sentezliyor. Ancak, döteryum evrende göreli nadirdir ve kahverengi cüceler de döteryum stoklarını birkaç milyon yılda tüketirler. Bu sebeple oluşum sırasında başlattıkları nükleer füzyon reaksiyonları zamanla duracaktır.
Ateşlenmeyen fitiller
Nitekim Güneş kütlesi Jüpiter’in yaklaşık 1047 katıdır. Bu da Güneş’in tipik bir kahverengi cüceden 14 kat cüsseli olduğu anlamına geliyor. Öyle ki tam kahverengi cücelerin bittiği yerde, yine yaklaşık 76 Jüpiter kütlesinde olan ultra soğuk kırmızı cüce yıldızlar başlıyor. Kısacası kahverengi cüceler döteryum yetersizliği yüzünden fitili sönen nükleer dinamit gibidir ve bir türlü tutuşarak yanmazlar.
İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem
Yıldız kütleli kahverengi cüceler?
Yine de kahverengi cüceleri sadece ilginç gökcisimleri olarak görmemek lazım. Tıpkı nötron yıldızı çekirdeklerinin fizik yasalarının sınırlarını zorlaması gibi, kahverengi cüceler ile kırmızı cüce yıldızlar arasındaki geçiş de astrofiziğin sınırlarını zorlamaktadır. Bu da bize yıldızlar hakkında yeni şeyler öğretecek bir konudur ki direkt soracak olursak:
Evrendeki en hafif yıldız ne kadar hafif olabilir? Örneğin, 2018 yılında yıldız olacak kadar kütleli bir kahverengi cüce keşfettik ki bildiğimiz kadarıyla 75 Jüpiter kütlesini aşan bütün kahverengi cücelerin nükleer füzyonla tutuşarak yıldız olması gerekir; ama bu cismin kütlesi Jüpiter kütlesinin 75,82 katıydı.
Bunun sebebi nedir? Belki de kahverengi cücelerin içerdiği hidrojen ve helyumdan ağır elementlerin oranı bunu etkiliyordur veya bunların tutuşmasını engelleyen şey kuantum tünellemenin bilinmeyen bir yönüdür.
Sonuçta kuantum tünelleme sebebiyle atomların kısa mesafelerde aniden birbirine yaklaşması mümkün olmasaydı bırakın kırmızı cüceleri, Güneş’in merkezindeki yüksek ısı ve basınç bile süreğen nükleer füzyon reaksiyonları başlatamazdı.
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Karanlık madde ve kahverengi cüceler
Yıldızların galaktik merkez çevresindeki dönme hızına baktığımız zaman, bunların görebildiğimiz yıldızların toplam yerçekimine göre çok hızlı döndüğünü görüyoruz. Açıkçası galaksi kütlesinin yüzde 80’i göremediğimiz ve ne olduğunu bilmediğimiz karanlık maddeden oluşuyor. Yıldızların toplam kütlesini aldığımızda ise galaksi kütlesinin sadece beşte birine ulaşabiliyoruz.
Bilim insanları sırf bu yüzden kara deliklerin görünmez karanlık maddeyi oluşturabileceğini düşündüler; ama ne yıldız kütleli, ne süper kütleli ne de mikro kara deliklerin sayısı kayıp kütleyi karşıladı. Bu nedenle bazı gökbilimciler karanlık maddenin en azından bir kısmının, göremeyeceğimiz kadar soluk kahverengi cücelerden oluştuğunu düşündü.
Nitekim Samanyolu kütlesi yaklaşık 1,5 trilyon Güneş kütlesine eşittir. Astronomlar da Samanyolu’nda 250 ± 150 milyar yıldız olduğunu düşünüyor. Evet, bu tahminde büyük yanılma payı var; çünkü bazı yıldızlar Güneş’ten büyüktür. Yine de evrendeki yıldızların yüzde 75’ini kırmızı cüceler oluşturuyor. Bu sebeple olası yıldız sayısı, hangi yıldızı dikkate aldığınıza göre değişiyor.
Ancak, Samanyolu’ndaki bütün yıldızları dikkate alsak bile galaksimizin sadece 300 milyar Güneş kütlesinde olabileceğini görüyoruz. Bütün gaz ve toz bulutlarıyla bulutsuları, kara deliklerle gezegenleri hesaba katarsak yine de 400 milyar Güneş kütlesinin üstüne çıkamıyoruz. Peki bunu nasıl çözeriz?
Galaksiyi saran karanlık madde kozası
İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?
Gerçek yıldız sayısını bulalım
İşte bu yüzden kahverengi cüceleri de ekleyerek galaksi kütlesini artırmamız gerekiyor. Bu bağlamda gökbilimciler galakside 25 ila 100 milyar kahverengi cüce olduğunu düşünüyor.1 Daha çok kızılötesi ışıkta parlayan soluk kahverengi cüceler “görebildiğimiz” kütleyi ~500 milyar Güneş kütlesine çıkarabilir; çünkü bunlar en az 0,75 Güneş kütlesindedir.
Hatta son ölçümler Samanyolu’nun maksimum 750 milyar Güneş kütlesiyle (karanlık madde dahil) sanılandan çok daha hafif olduğunu gösteriyor. Bu doğruysa kahverengi cüceler gerçekten de karanlık maddenin önemli bir kısmını, en azından galaksimizdeki karanlık maddenin bir kısmını açıklayabilir.
Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam karanlık madde kaçınılmaz, kahverengi cüceleri saymaya ne gerek var?” Aslında evrendeki normal madde miktarını daha kesin bilmek için normal maddeden oluşan her şeyi, kahverengi cüceler dahil saymalıyız. O zaman da evrenin nasıl oluştuğunu daha iyi açıklayabiliriz. Hele evrenin genişleme hızı ölçümlerinde sorun çıkmışken bunu kesinlikle yapmalıyız.
Peki evrenin en büyük yıldızı UY Scuti midir? Ya en büyük galaksi ve en kütleli kara deliği? Bu soruların yanıtını hemen okuyabilir, Samanyolu saniyede 630 km hızla nereye gidiyor diye sorabilir ve hızınızı alamayarak büyük patlamadan önce ne vardı konusuna da bakabilirsiniz. Muhteşem günler dilerim.
Mor cüceler de olabilir
1The low-mass content of the massive young star cluster RCW 38
2Dynamical Masses of ε Indi B and C: Two Massive Brown Dwarfs at the Edge of the Stellar–substellar Boundary
