Doğadaki En Güçlü 4 Parçacık Hızlandırıcısı Nedir?

Dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi (CERN) bünyesindeki Büyük Hadron Çarpıştırıcısıdır (LHC). LHC protonları ışık hızının yüzde 99,9999’uyla çarpıştırıyor ve 13 TeV (teraelektronvolt) enerji üretiyor. Bu da insanlığın üretebildiği en yüksek enerjidir. Oysa hiperaktif kara delikler LHC’den 11 milyar kat ve süpernovalar tam 44 trilyon kat daha güçlüdür! Biz de gama ışını saçan yıldırımlar, Van Allen radyasyon kuşakları, kuasarlar ve süpernovalar olmak üzere doğadaki en güçlü 4 parçacık hızlandırıcısını görelim. Doğal parçacık hızlandırıcıları fizikte yanıtsız kalan soruları yanıtlayacak.

4 doğal parçacık hızlandırıcısı

Gerçi doğal hızlandırıcıları bulmak için toplam enerji üretimi açısından LHC’den 44 katrilyon güçlü olan tipik bir süpernova patlaması veya kara deliklere gitmeye gerek yok. Gök gürültülü sağanak yağmurda çakan şimşekler de şiddetli ve beklenmedik gama ışınları üretiyor. Yalnızca bunları fark etmiyoruz. Şimşekler atomaltı parçacıkları ışık hızının yüzde 99,97’sine çıkarabiliyor! Nasıl hocam derseniz her şey fırtına bulutlarının arasında esen ve basınç farkından oluşan şiddetli rüzgarlarla başlıyor:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Yağmurda parçacık hızlandırıcısı

Yukarı esen rüzgarlar yağmur damlacıklarını Yeryüzüne yakın sıcak havadan alıp yükseğe taşıyor. Aşağı esen rüzgarlar da soğuk üst atmosferdeki buz taneciklerini yere taşıyor (zaten bunlar yere yaklaşırken ısınıp eriyerek yağmur damlacıklarına dönüşüyor). Oysa ters yönlerde esen iki hava akımı çarpıştığı zaman (su damlacıkları ve buz tanecikleri çarpıştığında), su damlaları donarak ebebulguru denilen özel bir dolu türüne dönüşüyor. Yeni oluşan dolu parçaları da yukarıdan yağan buz tanecikleriyle çarpışıyor.

İşte bu sırada dolu ve buzu oluşturan atomlar elektronlarını değiş tokuş ediyor. Elektronlar havada her yönde gidebilir ama diyelim ki doludan çıkıp buz taneciklerine gidiyorlar. Bu durumda ebebulguru dolu taneleri üst atmosfere yükselirken elektron eksikliği nedeniyle pozitif yüklü oluyor. Buz tanecikleri de aşağıya yağarken elektron fazlalığı sebebiyle negatif yük taşıyor. Böylece şimşek ve yıldırımdan oluşan doğal parçacık hızlandırıcısı çalışmaya başlıyor:

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

 

1. Yıldırım refleksli parçacık hızlandırıcısı

Dikkat ederseniz gökyüzünde iki ucu zıt yükler taşıyan bir pil oluşuyor (bunu lityum-iyon akıllı telefon piline benzetebilirsiniz) ama gerçek pillerin normal şartlarda patlamasını önleyen bir separatör vardır. Bu ayırıcı pilin pozitif ve negatif kısımlarının aniden temas ederek patlamasını önler fakat havada böyle bir şey yok! Pozitif yüklü bulutlar negatif yüklü alt buz taneciği yağışıyla temas ettiği anda elektrik potansiyeli aniden deşarj oluyor. Kısacası yıldırım düşüyor ve yıldırımlar gama ışını yayıyor:

Bilim insanları 1960’larda gök gürültülü yağış bulutlarından gama ışınları yayıldığını gördüler. Onlara kalsa görecekleri yoktu (kimin aklına gelir?) ama ABD o sırada Sovyetler Birliğiyle nükleer silahlanma yarışındaydı. Sovyetlerin üst atmosferde termonükleer bomba patlatıp gama ışınlarına bağlı EMP şok dalgasıyla Amerika’daki elektronik aletleri yakıp kızartmasından korkuyorlardı. Bu yüzden atmosferdeki gama ışını kaynaklarını dikkatle gözetliyorlardı ve yıldırımların gama ışını yaydığını tesadüfen buldular. 😊

Gama ışınları ölümcüldür

Evrendeki en tehlikeli olaylardan biri gama ışını patlamalarıdır. Süpernovalar, yıldızlarla veya kendi arasında çarpışan nötron yıldızları, kara deliğe düşen yıldızlar, kara delik gaz jetleri hep gama ışını yayar. Gama ışınları bildiğimiz ışıktır. Sadece çok yüksek frekanslı, yani enerjik fotonlardan oluşur ama anlaşılan yıldırım çatallarında hızlanan elektronlar da gama ışını yayıyordu. Fizikçiler önce Sovyetlerden kuşkulandılar ama sonra bunun doğal hızlandırıcı olduğu anlaşıldı ama bir sorun vardı: Bulutlar ışınların enerjisini emer. Peki en yüksek enerjili gama ışınları nereden geliyordu?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Atmosferik gama ışınları

Normalde şimşek çakınca önüne hava ve su molekülleriyle buz tanecikleri çıkar. Bunlar elektronlar ve yaydıkları fotonların görünürdeki hızını keser. Oysa en şiddetli gama ışınlarını üretmek için yıldırımın 100 milyon kere milyar yüksek enerjili elektron taşıması gerekir. Bilim insanları bunu açıklamanın bir yolunu buldular: Elektronlar ne kadar hızlı giderse atmosferde sürtünmeye bağlı yavaşlama o kadar azalır; çünkü elektronlar havayı adeta delip geçer.

Elektronlar hızlanır ve pozitif yüklü bulutların yarattığı elektrik alanı sayesinde daha da hızlanır. En hızlı elektronlar hava molekülleri, kar ve toz tanecikleriyle çarpıştığı zaman bunları oluşturan atomların elektronlarını da o kadar güçlü bir şekilde koparır ki onları da hızlandırmış olur. Bu da elektronlardan oluşan bir heyelana yol açar. Böylece pozitif geri besleme gerçekleşir, gittikçe daha fazla elektron hava moleküllerinden sökülür ve elektron enerjisi gittikçe artar.

Sonuçta gama ışınları saçan yıldırımlar düşer. Neyse ki yıldırım kaynaklı gama ışını yoğunluğu düşüktür. Bu da gama ışınlarının öldürücü olmasını önler. Öte yandan Dünya’daki en enerjik doğal hızlandırıcılar şimşek ve yıldırım değildir. Bunun için 100 km’den yükseğe, uzaya çıkmamız lazım.

Manyetik dalga

Dünyamız güçlü bir manyetik alan üretiyor ve güneş rüzgarıyla gelen yüklü parçacıklar manyetik alanla çarpışınca bir şok dalgası oluşturuyor. Bu parçacıklar Dünya’nın soğan kabuğuna benzeyen ve onun gibi soyulan çok katlı manyetik kabukları arasında sıkışarak tuzağa düşüyor. Parçacıklar manyetik katmanlar üzerinde hızlanıyor ve böylelikle yerden 1600 km ile 13 bin km yukarıda iki radyasyon kuşağı oluşuyor. Bunlar Van Allen kuşakları olup astronotlar için de tehlikeli yaratabilir:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

2. Parçacık hızlandırıcısı Van Allen kuşakları

Van Allen kuşaklarındaki parçacıklar ışık hızının yüzde 99,7’sine ulaşabilir. Bilim insanları uzun zaman boyunca nasıl bu kadar hızlanabildiklerini merak ettiler. İlk başta sadece manyetik alan tarafından hızlandırıldıklarını düşündüler. Nitekim güneş rüzgarı yüksek hızlı elektronlar da içerir ve bunlar Dünya’nın manyetik alanına kapıldığında daha da hızlanacaktır. Yine de bu ışık hızına yaklaşmalarına yeterli olmaz. Bunun için 2013’teki uydu verileriyle keşfettiğimiz başka bir etken gerekir:

O yıl oldukça güçlü bir güneş fırtınası yaşanmış ve manyetik alanda normalde pek görülmeyen fiziksel etkileşimler gerçekleşmişti. Oysa gördük ki elektronlar Dünya’ya yakın olan iç Van Allen kuşağında değil, dış kuşakta daha hızlı gidiyordu. Bu da manyetik alan hızlandırmasıyla açıklanamıyordu ki asıl sebebinin Dünya’nın manyetik kuyruğu olduğu anlaşıldı.

Sonuçta manyetik alan gezegenimizi kusursuz bir küre gibi sarmaz. Güneş rüzgarı karşıdan çarpınca Dünya’nın güneşe bakan yüzündeki manyetik kabukları ezip yassılaştırır. Gece yüzünde ise manyetik alanın musluktan kopan su damlası gibi kuyruk yapmasına yol açar. Güneş rüzgarı parçacıkları gece yönüne geçerek bu kuyruğa katılır ve kuyruk boyunca bir plazma yaprağı oluşturarak Dünya’dan kopup gider. Oysa güneş rüzgarı hızlandığı zaman bu kuyruğa yeni elektronlar yükleyerek türbülansa yol açar.

Manyetik türbülans kuyruktaki plazma yaprağını yırtar ve uzaya kaçması beklenen elektronların ortaya dökülmesine neden olur. Bu elektronlar gece yüzünden Dünya’ya geri döner, yolda yankı dalgaları denen şiddetli elektromanyetik dalgalar yayar ve sonunda dış Van Allen kuşağına çarpar. Yankı dalgaları kuşakta tuzağa düşmüş olan elektronlarla çarpışınca bunların enerjisi dalgalara geçer.

Elektron iten dalgalar

Bu da yankı dalgalarını güçlendirir ama bazen yankı dalgaları da dış Van Allen kuşağındaki elektronların hızlanarak ışık hızına yaklaşmasına neden olur. Bu durumda güneş rüzgarıyla etkileşen Van Allen kuşakları doğal parçacık hızlandırıcısına dönüşür ve aynı nedenle elektronlar dış kuşakta daha hızlı gider. Oysa uzayın derinliklerindeki parçacık hızlandırıcı daha güçlüdür ve bunlara kozmik ışınlar deriz:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Kozmik ışınlar ve parçacık hızlandırıcısı

Uzaydan gelip yüksek hızlarda Dünya atmosferine çarpan parçacıklar kozmik ışınlara neden olur. Bunlar güneş rüzgarı gibi bulut halinde gelmez ve aslında başka yıldızlardan gelen tek tük protonlarla elektronlardan oluşur. Kozmik ışın denmesinin sebebi ise ışık hızına yakın bir hızda çarpmalarıdır ki bu sırada Çerenkov radyasyonu yayarlar. Uzaydan parçacık ışını olarak bize ulaşmalarından ziyade Dünya atmosferine çarparken ışın yaydıkları için bunlara kozmik ışın deriz.

Kozmik ışınlar 1912’de keşfedildi ama o yıllarda kaynağı bilinmiyordu. Günümüzde yıldız püskürmeleri, kuasar gaz jetleri ve süpernovaların kozmik ışınlara yol açan parçacıklar yaydığını biliyoruz. Yazının başında belirttiğim gibi evrendeki en güçlü gökcisimleri hiperaktif süper kütleli kara deliklerdir. Bunlar büyük miktarda gaz yutarken boğazına takılanları ışık hızına yaklaşan gaz jeti halinde uzaya püskürten kuasarlardır.

Kuasarların toplam enerjisi süpernovalardan yüksektir; çünkü süpernovalar bir kez patlar ama kuasarlar sürekli patlar (binlerce, hatta yüz milyonlarca yıl). Öte yandan anlık patlama açısından süpernovalar daha güçlüdür. Tipik bir süpernova bir saniyede standart bir kuasardan 40 milyon kat daha fazla enerji açığa çıkarabilir. Patlayan yıldızlara süpernova deriz ama bunlar da tek başına parçacıkları ışık hızına yaklaştıracak kadar güçlü değildir; çünkü enerjisini hızlandırdığı bütün parçacıklara bölüştürmek zorundadır. Peki süpernova parçacık hızlandırıcısı nasıl çalışır?

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

3. Süper parçacık hızlandırıcısı

Süpernovaların nasıl patladığını yeni Starbasekozan videosunda anlattım ama burada konumuzla ilgili ek bilgi vereceğim: Yıldız patlarken iç gaz katmanları dış katmanlardan daha hızlı genleşir ve dış uzaya püskürür. Bu yüzden alttan gelen gaz, üst gaz katmanın alt yüzüne şiddetle çarparak bir şok dalgası ve yüksek basınç oluşturur. Oysa bu uzaya yayılan basit bir mekanik dalga değildir. Yüklü parçacıklardan oluştuğu için aynı zamanda gittikçe genişleyen güçlü bir elektromanyetik alandır. Süpernova kaynaklı doğal parçacık hızlandırıcısı işte burada devreye girer:

Basınç dalgası sakin su moleküllerinden oluşan neredeyse pürüzsüz bir deniz dalgası değil, her yöne sıçrayan aşırı enerjik parçacıklardan oluşan çalkantılı bir elektromanyetik dalgadır. Dahası hızlandırdığı yüklü parçacıklar da kendi manyetik alanını üretir. Bu da basınç dalgası kaynaklı elektromanyetik alanın daha fazla dalgalanmasına neden olur. Hızlandırılan parçacıklarla dalganın etkileşimi böyle sürüp gider. Yine pozitif geri besleme ve yapıcı girişim (rezonans) oluşur. Elektronlar ışık hızına yaklaşır.

Aslında elektronlar süpernova şok dalgası içinde ileri geri gider. Geri giderken patlamayla alttan gelen parçacıklarla çarpışıp yavaşlar, ileri giderken de dalgada sörf yaparak hızlanırlar. Pozitif rezonans böyle oluşur ama bu bile süpernovanın tüm parçacıkları ışık hızına yaklaştırmasına yetmez. Sonuçta elektronların büyük kısmı plazma dalgasında sıkışıp kalır ama kuantum fiziğinde belirsizlik kaynaklı rastlantısallık vardır. Bazı elektronlar ışık hızının yüzde 99’uyla plazmadan çıkıp uzaya fırlar. Oysa kuasar parçacık hızlandırıcıları süpernovalardan daha güçlüdür:

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

4. Kuasar parçacık hızlandırıcısı

Kuasarlar toplam güç açısından süpernovalardan güçlüdür ve süpernovalar da anlık enerji salımı açısından daha güçlüdür dedik. Oysa bir karşılaştırma daha yapabiliriz: Kuasarların ışık hızının yüzde 70-90’yla püskürttüğü rölativistik gaz jetlerindeki parçacıklar süpernova patlamasından daha hızlı olabilir! Bu nedenle kuasarlar kesinlikle evrendeki en güçlü doğal parçacık hızlandırıcısıdır. Ne de olsa bunlar 20 – 100 milyar Güneş kütlesine sahip süper-hiper kütleli kara deliklerden oluşur.

Bilinen Evrenin En Aşırı Üç Kara Deliği yazısında kuasarların neden ve nasıl gaz püskürttüğünü anlattım. Burada yalnızca parçacık hızlandırıcı özelliğine odaklanacağız. Kuasarlar ultra yüksek enerjili kozmik ışınlar yayar. İşte bunlar gerçek parçacık ışınlarıdır; çünkü içindeki parçacıklar uzaya lazer ışını gibi sıkı parçacık demetleri halinde püskürür ve daha baştan gama ışını yaymaya başlar. Sonuçta uzaydaki gaz ve toz bulutları sürekli olarak kara deliğe düşerken aşırı hızlanır ve bu da kara delik çevresinde manyetik alan çizgileri oluşturur.

Bu çizgiler ekvatordaki bazı parçacıkları kara deliğin kutuplarına taşıyarak uzaya gaz jeti halinde püskürtür. Yalnız burada çözmemiz gereken bir sorun var: 1) Kara delik jetleri parçacıkları baştan ışık hızına yaklaştırıyor mu? 2) Yoksa parçacıklar süpernova geri beslemesinde olduğu gibi uzaydaki gaz ve toz bulutlarıyla çarpıştığı zaman mı ışık hızına yaklaşıyor? Bunun için evrendeki en güçlü blazarları (jeti bize dönük olduğu için aşırı parlak görünen kuasarları) incelememiz gerekiyor.

İlgili yazı: Demir Yıldızlar: Siyah Cüce Süpernovası Nedir?

 

Sonsöz

Böylece evrendeki en güçlü 4 doğal parçacık hızlandırıcısını gördük ve neden LHC’den bile güçlü olduklarını öğrendik. Bu da çok yararlı olacak; çünkü doğal hızlandırıcılar kuantum fiziğinde yanıtsız kalan sorunları çözmemizi sağlayacak. Örneğin elektrozayıf kuvvetin kuantum renk dinamiğine uygun olarak aşırı yüksek sıcaklıkta güçlü nükleer kuvvetle nasıl birleştiğini anlamamızı sağlayabilirler. Bu da tüm evreni açıklayan her şeyin teorisini geliştirmemize yardım edecektir.

Nasıl ki evrenin genişleme hızını artık süpernova ve kuasarlarla değil, çok daha hassas olan galaktik yerçekimi mercekleriyle ölçmeye başladık, doğal hızlandırıcılar da kuantum kütleçekim kuramı geliştirmemizi kolaylaştırabilir. Peki antiyerçekimi varsa insanlık galaksi imparatorluğu kurarak tip 4 uygarlığa dönüşebilir mi? Onu da şimdi okuyabilir, LHC’den 10 kat güçlü olan gelecek kuşak parçacık hızlandırıcısına bakabilir ve nükleer füzyon lazerlerini bile soluk ışığa benzeten en güçlü kozmik lazerleri hemen görebilirsiniz. Her zaman olduğu gibi sağlıcakla ve bilimle kalın. 😊

Kara delik parçacık hızlandırıcısı

¹Efficient Nonthermal Particle Acceleration by the Kink Instability in Relativistic Jets
²Baade and Zwicky: “Super-novae,” neutron stars, and cosmic rays
³Electron acceleration in laboratory-produced turbulent collisionless shocks
⁴The relationship between the macroscopic state of electrons and the properties of chorus waves observed by the Van Allen Probes