Güneş Neden İki Kez Kırmızı Dev Olacak?

Güneş nasıl enerji üretiyor ve nasıl yaşlanacak? Neden 4 milyar yıl sonra kırmızı deve dönüşecek? Peki bu sırada Dünyamızı yok edecek mi? Yakın ve uzak gelecekte Dünyamız birçok şekilde yaşanmaz bir gezegen haline gelebilir. Bunların içinde en acil ve büyük tehlike insanların neden olduğu küresel ısınmadır. Oysa aklımızı başımıza toplayıp insan uygarlığının devam etmesini sağlasak bile 4 milyar yıl sonra bu kez Güneş kırmızı dev aşamasına gelerek Dünya’yı tehdit edecek. Peki Güneş yaşlanınca neden ana sıralamadan çıkıp bir değil, tam iki kez kırmızı deve dönüşecek? Güneş nasıl sönecek ve bugün bize yaşam veren yıldızla Dünyamızdan geriye ne kalacak?

Kırmızı dev, Dünya’yı yok eder mi?

Kırmızı dev yıldızların yüzeyi Güneş’ten soğuktur ve Güneş de kırmızı deve dönüşürken soğuyacaktır. Oysa Dünya’da yaşam açısından bakarsak Güneş’in yüzey sıcaklığının 5800 dereceden 2200-3200 dereceye düşmesi kavrulma riskini azaltmaz. Güneş her zaman için yerkabuğunu eritecek kadar sıcak bir plazma topu olacaktır. Ne de olsa m=E/c²; yani kütle enerjiden türeyen bir özelliktir ve Güneş’in kütlesi de Dünya’nın 333 bin katına eşittir. Dolayısıyla Güneş bir yıldız olarak yeterince enerjiktir. Nükleer füzyon ateşiyle parlayan Güneş’in 150 milyon km uzaktan ışık saçarak yaz sıcağında ensenizi yakmasının sebebi budur.

Nitekim Güneş Sistemi kütlesinin yüzde 99,8’i Güneş’te toplanmıştır. Öyle ki Güneş Sistemi 1000 TL olsaydı 998 TL’si Güneş, 1 TL’si Jüpiter ve geri kalanı da diğer gezegenler, mini/cüce gezegenler, uydular, asteroit ve kuyrukluyıldızlar olurdu. Peki Güneş neden kırmızı dev olacak? Işığı solup kırmızıya kayarken neden Dünya’yı yok etme riski yaratacak? Bunun için Güneş’in nükleer füzyonla nasıl enerji ürettiğini görelim:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Güneş bir toz bulutu iken

Nükleer füzyonu anlamak için Güneş’in nasıl oluştuğuna bakmamız gerekiyor. Zamanla Güneş Sistemi’ni oluşturacak olan gezegen öncesi disk 4,55 milyar yıl önce kendi ağırlığıyla içe çökmeye başladı. Diskin ortasında dev bir gaz bulutu oluştu ve kısa sürede Jüpiter kütlesinin 75 katını aşarak ön güneşe dönüştü. Bugün Güneş’in çekirdek sıcaklığı 15 milyon derecedir ama eskiden daha soluk ve soğuktu. Nitekim çekirdek sıcaklığı 3 milyon dereceye ulaştığında nükleer füzyon başlar fakat çekirdek tutuşunca ilginç bir şey olur:

Çekirdek yıldızı içten ısıtarak genleştirir; ancak yıldızın kütlesi de dış gaz katmanlarını merkeze çeker. Sonuç olarak Güneş genleşme ve büzülme arasında hidrostatik dengeye erişir. Güneş artık çapı kütlesi ve sıcaklığına bağlı olan kararlı bir ana sıralama yıldızı olmuştur. Güneş’in kütlesi ve sıcaklığı değişmediği sürece çapı da değişmez. Öte yandan Güneş çekirdeğindeki hidrojeni kaynaştırarak helyum üretir.

Bu sırada büyük miktarda ısı ve ışık açığa çıkar. Öyle ki Güneş nükleer füzyon aleviyle yanan bir plazma topu, sürekli patlayan bir tür füzyon bombasıdır. Bu bağlamda nükleer füzyonla helyum üretmenin iki yolu vardır: Proton zinciri ve CNO döngüsü. Güneşimiz genç bir yetişkin olarak büyük ölçüde proton zinciriyle enerji üretir. Güneş’in bugün 15 milyon derece sıcaklıkta olan çekirdeği gittikçe ısınarak 4 milyar yıl boyunca proton zinciri tepkimelerini sürdürecektir.

İlgili yazı: Süperiletkenler Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Proton-Proton zinciri

Güneşimiz hidrojeni en çok proton zinciriyle kaynaştırıp helyum 4 (He⁴) sentezler ve nükleer füzyonla enerji üretir. İlk aşamada iki proton kaynaşarak diproton oluşturur. Diprotonlar genellikle kısa sürede yeniden protonlara ayrılır ama bunların küçük bir kısmı döteryuma dönüşür. Döteryum fazladan nötronu olan hidrojen çekirdeğidir. Bu sırada protonlardan biri beta+ bozunumuyla nötrona dönüşür 1 pozitron (pozitif yüklü anti elektron) ile elektron nötrino salar. Ayrıca döteryumun küçük bir kısmı burada anlatmaya gerek olmayan pep tepkimesiyle ortaya çıkacak.

Pozitron Güneş’in çekirdeğinde serbestçe yüzen elektronlardan biriyle çarpışır ve iki parçacık yok olurken iki gama ışını fotonu yayar. Gama fotonları ve nötrino enerjisiyle birlikte net olarak 1,442 MeV enerji açığa çıkar.

Bu yolla üretilen enerji PEP ile üretilen enerjiye eşittir. Öte yandan nötrino ve gama fotonları toplam enerjiyi kendi arasında farklı oranlarda paylaşır.

Önemli olan nükleer füzyondaki bu aşamanın zayıf nükleer kuvvete bağlı radyoaktif bozunumla (beta +) gerçekleşiyor olmasıdır. Öyle ki Güneş’in çekirdeğindeki bir protonun başka bir protonla bu şekilde kaynaşarak döteryum üretmesi için gereken ortalama süre 9 milyar yıldır. Dolayısıyla bu tepkimeyi ölçemez, ancak nükleer fizik teorisinden çıkarabiliriz. Döteryum ise oluştuktan sonra başka bir hidrojen çekirdeği, yani protonla kaynaşarak helyum 3 izotopu üretir (He³).

Güçlü kuvvet devreye giriyor

Bu tepkime zayıf kuvvetle değil, güçlü nükleer kuvvetle gerçekleşir ve ilk aşamaya göre çok ama çok hızlı gerçekleşir. Güneş’in çekirdeğinde üretilen her yeni döteryum çekirdeği sadece 1 saniye içinde helyum 3’e sentezlenir. Şunu da belirtelim: Güneş çekirdeğindeki 1 adet protonun onu döteryuma dönüştürecek tepkimeye girmesi ortalama 9 milyar yıl sürer ama Güneş’in çekirdeğinde bol miktarda proton vardır. Dolayısıyla Güneş ilk oluştuğu andan itibaren hidrojen yakar ve çekirdekteki hidrojenin aşağıdaki aşamalardan geçerek tümüyle helyuma dönüşmesi 9 milyar yıl sürer. Güneş uzun ömürlü bir yıldızdır. 😊

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Helyum 3 ile devam edelim

Öncelikle yukarıdaki tepkimeyle üretilen helyum 3 çekirdekleri helyum 4’e dönüşene dek 400 yıl kadar varlığını sürdürür. Helyum 3’ün de helyum 4’e dönüşmesinin dört yolu vardır. p–p I yolunda 2 helyum 3 kaynaşarak helyum 4 üretir. p–p II ve p–p III yolunda helyum 3 çekirdekleri mevcut helyum 4 çekirdekleriyle kaynaşarak berilyum 7 üretir. Berilyum 7 Güneş’in ana yakıtı hidrojen mi yazısında anlattığım gibi iki helyum 4 çekirdeği üretir.

Toparlayacak olursak genç yetişkin Güneşimizin ürettiği nükleer füzyon enerjisinin yüzde 99’u proton zinciriyle ve sadece yüzde 1’i aşağıda anlatacağım CNO döngüsüyle açığa çıkıyor. Bir modele göre helyum 4’ün yüzde 83,3’ü p–p I yoluyla, yüzde 16,68’i p–p II yoluyla ve binde 2’si de p–p III yoluyla ortaya çıkar. Ayrıca p–p II ve p–p III yollarıyla üretilen nötrinoların yarısı döteryum sentezinden geldiği için Güneş’in ürettiği nötrinoların yalnızca yüzde 8,35’i sonraki aşamalarda üretilecektir (bazı hesaplara göre yüzde 7,14’ü).

Oysa buraya kadar proton zincirinde sadece p–p I, p–p II ve p–p III yollarını gördük. Bir de çok nadir olan p–p IV yolu var:

4 ¹H⁺ + 2e^– → ⁴He²⁺ + 2ν_e

p–p IV yolunda tepkime başına 26,73 MeV enerji açığa çıkar ve bunun bir kısmı nötrino üretimiyle ziyan olur. Güneş çok daha nadir tepkimelerle de nükleer füzyon enerjisi ortaya çıkarır ama istisnalar kaideyi bozmaz. Yine de proton zinciri tepkimeleri Güneş’in ömrünü belirler:

Neden derseniz

Genç Güneş’in çekirdeği daha çok hidrojen içerdiği için sadece 3 milyon derecelik çekirdek sıcaklığında füzyon tepkimeleri başlar. Hidrojen yandıkça reaksiyonlar durur; çünkü çekirdek henüz helyum yakacak kadar sıcak değildir. Çekirdek soğur, kendi ağırlığıyla büzülerek sıkışır ve büzülme sırasında yerçekimiyle dışarıdan bir miktar hidrojen çekerek füzyonu yeniden başlatır.

Dolayısıyla Güneş yaşlandıkça çekirdeği ısınır. Mesela bugün 3 milyar yıl öncesine göre yüzde 10 daha sıcak ve parlaktır. Günümüzde çekirdek sıcaklığı 15 milyon derecedir. Oysa çekirdek Güneş yaşlandıkça gittikçe ısınacak. Nihayet sıcaklığı 100 milyon dereceye ulaşınca yıldızımızı kırmızı deve dönüştürecek olan helyum füzyonu başlayacaktır. Ayrıca Güneş yaşlandıkça proton zincirinin yerini CNO döngüsü almaya başlar. Yaşlanan Güneş enerjisinin büyük kısmını CNO ile üretecektir. Peki CNO nükleer füzyonu nasıl çalışır?

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

CNO döngüsü

CNO karbon-azot-oksijen döngüsünün İngilizce kısaltmasıdır. Bu döngüde Güneş’in çekirdeği karbon, azot ve oksijen atomlarını kullanarak altı aşamada helyum 4 sentezler. Yine de bunu Güneş’in kırmızı dev aşamasıyla karıştırmayın. Güneş uzak gelecekte helyum yakarak karbon ve oksijen sentezlemeye başlayacaktır. Buna karşın CNO döngüsü Güneş çekirdeğinde hali hazırda sürmektedir. Nasıl derseniz:

• Karbon 12 atomu bir proton yakalayarak gama fotonu yayar ve azot 13 izotopu üretir.
• Azot 13 kararsız olup beta parçacığı yayarak karbon 13’e bozunur.
• Karbon 13 bir proton yakalayarak gama fotonu yayar ve azot 14 üretir.
• Azot 14 proton yakalayarak gama fotonu yayıp oksijen 15 izotopu üretir.
• Oksijen 15 beta bozunumuyla azot 15 üretir.
• Azot 15 de proton yakalayıp helyum 4 ve karbon 12 çekirdeği üretir. Karbon 12’yle birlikte CNO döngüsü yeniden başlar. Böylece Güneş’in ömrünün sonuna yaklaşıyoruz. Artık kırmızı dev aşaması yaklaşıyor:

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

Güneş neden kırmızı dev olacak?

Okullarda hidrojen yakıtını tüketen yıldızların kırmızı deve dönüştüğünü öğretirler. Bu kısmen doğrudur ama gerçekte Güneş’in çekirdeği yıldızın içerdiği hidrojenin tamamına ulaşamaz. Bunu ancak küçük kırmızı cüce yıldızlar yapar. Kırmızı cüceler de tıpkı Güneş gibi yüzde 80 hidrojenden oluşur ve 100 milyar yıl ila 1 trilyon yıl boyunca hidrojenin tamamını yakar. Buna karşın Güneş farklı sıcaklık ve yoğunluklardaki gaz katmanlarına ayrılacak kadar büyük ve kütleli bir yıldızdır.

Güneş’in ömrü sadece 10 milyar yıl olup 5 milyar yıllık ömrü kalmıştır; çünkü yıldızımızın çekirdeği yalnızca kendi içindeki ve yakındaki hidrojene erişir. Çekirdek yıldızımızın içerdiği hidrojenin küçük bir kısmını, yüzde 12’sini barındırır. Dış katmanlardaki hidrojene erişemediği için çekirdekteki hidrojen tükendiğinde Güneş kırmızı deve dönüşecektir. Güneş yaşlandıkça çekirdekteki hidrojenin azalarak helyuma dönüşeceğini, bu sırada çekirdeğin büzülerek sıcaklığının artacağını hatırlayın. Nitekim 1 milyar yıl içinde Güneş’in sıcaklığı ve parlaklığı yüzde 10 artacak ve bu da okyanusların buharlaşmasına yol açacaktır.

O zamana dek insanlık yok olmazsa galaksiye yayılmış ve evrim geçirerek üstün bir canlı türüne dönüşmüş olacaktır ya da soyumuz tükenecektir. Her durumda sıcaktan kavrulmuş olan ölü Dünya varlığını sürdürecektir. 1 milyar yıl sonra Güneş Dünya’yı pratikte yok etmiş sayılacak ama gezegenimizi tümüyle yok etmesi için bir şansı daha olacaktır: Kırmızı dev aşaması.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Birinci kırmızı dev evresi

9 ila 10 milyar yıl sonra Güneş çekirdekteki hidrojenin tamamını helyuma dönüştürmüş olacak. Öte yandan helyum 15 milyon derecede yanmaz. Bu nedenle çekirdek büzülecek ve resimdeki gibi çekirdeği saran en alt katman olan ışınım bölgesindeki hidrojen yanmaya başlayacak. Buna çekirdeğin dış kısmının yanmaya başlaması diyebiliriz. Bu bağlamda Güneş’in yaşlanırken parlaklığının artmasının bir nedeninin de hidrojeni daha hızlı yakması olduğunu belirtelim.

Çekirdek büzülürken sıcaklığı ve basıncı arttığı için azalan hidrojen rezervlerini de daha hızlı yakacak. Çekirdekten sonra yanmaya başlayacak olan dış katmandaki hidrojen de bu yüzden daha hızlı tükenecek. Güneş’in çekirdek dışındaki kesimlerinin yanmaya başlamasıyla radyasyon basıncı iyice artacak. Bu da yıldızımızın dev gibi şişmesine neden olacak. Güneş şişerken yoğunluğu azalacak, ışığı solup kırmızıya kayacak ve yüzey sıcaklığı 2200 dereceye kadar düşecek. Böylece Güneş kırmızı deve dönüşecek ve Venüs gezegenini yutacak.

Aynı zamanda gökyüzünde devleşerek okyanuslarını çoktan buharlaştırdığı Dünya’yı iyice yakıp kavurmaya başlayacak. Böylece ışınım bölgesinde helyum birikecek, ağır helyum dibe çökecek ve atıl helyum çekirdeğini besleyecek. Hidrojen tükendiği için bir süredir yanmayan helyum çekirdek daha da büyüyecek. Özetle Güneş’in birinci kırmızı dev aşaması 1 milyar yıl sürecek.

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

İkinci kırmızı dev evresi

Çekirdek ağırlaştıkça büzülecek ve sıcaklığı artacak. Oysa helyum 20, hatta 50 milyon derecede bile yanmaz. Dolayısıyla çekirdek büzülmeye devam edecek. Sıcaklık 100 milyon dereceye çıktığında Güneş bu kez helyum yakmaya başlayacak. Güneş ürettiği az miktardaki helyumu 100 milyon derecede hidrojenden çok daha hızlı yakacak. Öte yandan helyum çekirdek sıcaktan genişleyecek ve dış kesimlerin sıcaklığı 100 milyon derecenin altına düşecek. Bu nedenle helyum füzyonu yavaşlayacak ve Güneş’i genleştiren radyasyon basıncı azalacak. Böylece Güneş tekrar küçülerek eski haline geri dönecek.

Güneş artık kırmızı cüce değildir. Çıplak gözle bakınca eski halinden farkı yoktur ama bu bir göz aldanmasıdır. Güneş’in çekirdeği artık üç katmandan oluşuyor. 1) En içte helyum füzyonuyla oluşan ama 100 milyon derecede bile yanmayan atıl karbon ve oksijen çekirdek var. 2) Bunun dışında helyum füzyonu ve 3) en dışta da hidrojen füzyonu sürüyor. Sıcaklık ve basınç dıştan içe doğru artıyor. Kısacası çekirdek çökmeye devam edecek. Karbon-oksijen topu büyürken en dıştaki hidrojen de helyuma dönüşecek. Bu kez çekirdeğin dış katmanında helyum yanmaya başlayacak. Böylece Güneş son kez şişerek kırmızı dev olacak.

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Güneş’in ölümü ve Dünya’nın sonu

Sonunda Güneş bütün helyumu yakacak ve bu sırada daha büyük bir kırmızı deve dönüşecek. Güneş’in sıcaklığı öyle artacak ki zamanla dış gaz katmanlarının tamamını güçlü güneş rüzgarlarıyla uzaya üfleyecek. Bu sırada Dünya’nın iki kaderi olacak… Ya Güneş kütle kaybettiği için Dünya’nın yörüngesi genişleyecek ve gezegenimiz Güneş çevresinde dönmeyi sürdürecek ya da Güneş Dünya’yı yutacak. Dünya’nın atmosferi yanacak ama Güneş’in içi o kadar sıcak olmadığı için gezegenimiz hemen yok olmayacak. Milyonlarca yıllık sürede önce yerkabuğu tümüyle eriyecek ve ardından Dünya yavaş yavaş buharlaşarak yok olacak.

Peki Güneş’ten geriye ne kalacak? Artık sönen Güneş’ten geriye çıplak karbon-oksijen çekirdek kalacak. Dünya büyüklüğü ve kırmızı cüce yıldız ağırlığındaki bu çekirdeğe beyaz cüce diyoruz. Siz de beyaz cüceleri şimdi okuyabilir ve sürekli patlayarak nihayet nötron yıldızına dönüşen tekrarlayan novaları görebilirsiniz. Evrendeki son kara delik buharlaştıktan sonra geriye kalacak demir yıldızlara bakıp uzak gelecekte süper gelişmiş uygarlıkların kara deliklerle nasıl enerji üreteceğine de göz atabilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın.

Kırmızı devlerin yaşam döngüsü

¹Surface convection: from the Sun to red giant stars
²Asteroseismology of red giant stars
³Mass loss on the red giant branch: plasmoid-driven winds above the RGB bump