Kozmik Parçacık Işınları Nedir ve Nasıl Çalışır?

Evrendeki en hızlı kozmik parçacık ışınlarının kaynağı nedir? Kozmik parçacıklar evrenin enerji sınırını aşıyor? Kozmik parçacık ışınları kırmızıya kayarken evrenin genişlemesi hakkında bize ne öğretiyor? Peki kırmızıya kayma nasıl gerçekleşiyor ve en uzun menzilli, en yaşlı kozmik ışınlar uzaya nasıl yayılıyor? Dünya’ya neredeyse ışık hızında ulaşarak bizi nasıl etkiliyor?

Kozmik parçacık kaynakları

Evrenin hız sınırını herkes bilir: Hiçbir parçacık ışık hızını aşamaz ve kütleli hiçbir parçacık ışık hızında gidemez. Öte yandan uzay boşluğu bile tümüyle boş değildir. Bırakın boş uzayı saran kuantum alanlarını, evren henüz yeterince genişlemediği için uzay boşluğunda seyrek de olsa atomlar ve parçacıklar vardır. Üstelik bunlar kütlesinin artması pahasına ışık hızına yaklaşabilir.

Nitekim kütle enerjiye denktir. Kozmik ışınlar da ışık hızına yakın hızlarda yol alan yüksek enerjili protonlar ve atom çekirdeklerinden oluşur. Güneş rüzgarı, özellikle de diğer yıldızların güneş rüzgarı kozmik ışınların ana kaynağıdır. Bunun dışında uzaya gaz püskürten aktif nötron yıldızları ve kara delikler, kuasarlar, birleşen kara deliklerle nötron yıldızlarının ürettiği gama ışını patlamaları başlıca kozmik ışın kaynaklarıdır. Kozmik ışınlar fotonlardan başka her şey olup özünde parçacık ışınlarıdır.

Kısacası ışık hızına yaklaşan parçacıkların enerjisinin artmasını beklersiniz. Parçacıklar ne kadar hızlıysa ve ne kadar kütleliyse o kadar enerjik olacaktır. Kütleli parçacıklar ışık hızına ulaşamayacağı için her parçacığın kütlesine oranla evrende ulaşabileceği bir maksimum hız ve enerji düzeyi olduğunu düşünürsünüz. Işık hızından esinlenerek buna kozmik enerji sınırı diyebiliriz ama bazı parçacıklar bu sınırı aşar. Peki nasıl aşar ve bu hız ihlali bize evrenin genişlemesiyle kırmızıya kayma hakkında ne öğretir? Sonuçta Dünya atmosferine giren parçacıkların etkisini görmek için bunu bilmek gerekir.

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

 

Kozmik parçacık ve fotonlar

Dünya’daki en güçlü parçacık hızlandırıcısı CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’dır (LHC). Yaklaşık 7 TeV (teraelektronvolt) enerji üreten LHC, protonları ışık hızının yüzde 99,999999’una çıkarır. Böylece proton kütlesinin ~7000 kat artmasına neden olur. Saniyede tam olarak 299.792,455 km gitmek size hızlı gelebilir. Oysa kozmik lazerler gibi doğal kaynakların ürettiği kozmik parçacık ışınları çok daha hızlıdır. Peki protonların çok hızlı gitmesini neden önemsiyoruz?

Bunun nedeni evrendeki en yaygın enerji kuantumu, yani parçacık olan fotonlardır. Tabii ki fotonların büyük kısmı yıldızlardan gelir ama evren 13,78 milyar yaşındadır. İlk yıldızlar da 80 milyon yaşındayken oluşup o zamandan beri foton üretmiştir. Öte yandan, evren 380 bin yaşına gelip de büyük patlamadan kalan ışık uzaya yayılmadan önce evrende çok daha fazla foton vardı. Büyük patlamanın ışığını oluşturan fotonların sayısı proton ve nötron sayısının milyar katıydı. Biz de kozmik parçacık ışınlarını anlamak için önce ilk foton radyasyonunu yakından tanıyalım.

Uzayda her Planck anında (10^-43 sn), yüzük parmağınızın dip eklemi kadar bir oylumdan büyük patlamadan kalan 411 foton geçer. Öyle ki uzayda yüzük parmağınızın üst kısmını çıplak sallasanız (önermem) o hacimden saniyede 1 trilyondan fazla büyük patlama fotonu geçerdi. Bunlar mikrodalga boyunda olup (kozmik mikrodalga artalan ışıması, yani CMB) sadece ~200 mikroelektronvolt enerji taşır.

Yine de evrendeki en yaygın parçacık büyük patlama fotonlarıdır. Şimdi diyeceksiniz ki hani yıldız fotonları daha boldu? Yıldızlararası uzayda daha bol ama galaksiler arası uzayda değil… Öyleyse uzay gemisiyle Samanyolu’nu terk edip örneğin Andromeda’ya doğru yola çıkarsanız ne olur?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Işık hızı, kütle ve enerji

Arabayla giderken parmağınızı pencereden çıkardığınızda olan şey olur. Rüzgarsız bir günde parmaklarınızda esinti hissetmezsiniz. Oysa arabayla giderken pencereyi açarsanız kuvvetli bir rüzgar eser. Hava molekülleri durağandır ama arabayla giderken onlara çarparsınız. Bu yüzden araba hızında rüzgar eser gibi olur. Aynı şey uzayda ışık hızına yaklaşırken geçerlidir. Örneğin uzay gemisiyle ışık hızının yüzde 70’iyle giderseniz uzaydaki her atom gemiye çelik ceketli 9 mm’lik Parabellum tabanca mermisi gibi çarpar. Evet, parçacıklar uzayda seyrektir fakat ışık hızına yaklaşırken ölümcül Çerenkov radyasyonuna yol açar. Hızınız iki kat artarsa gemiye çarpan parçacık sayısı (enerji) dört kat artar.

Tabii ışık hızına yaklaşan (rölativistik) hızların kendine özgü özellikleri vardır. Birincisi ışık hızına yaklaşırken hızların eklenmesi yavaşlar. Neden derseniz: Bir parçacık ışık hızına ne kadar yaklaşırsa onu daha fazla hızlandırmak o kadar zorlaşır. Buna karşın enerjiyi yok edemezsiniz. Dolayısıyla hızlanma enerjisi kendini kütle olarak, yani hızlanmaya direnç artışı olarak gösterir. E=mc² gereği kütle enerjiye denktir ve ışık hızına yaklaşan parçacıkların kütlesi artar derken kastımız budur.

Yazının başındaki gibi “kozmik parçacıklar ışık hızını aşamaz ama hızına göre enerji sınırını aşabilir” derken kütle artışını akılda tutun. Bir ipucu daha verelim: Işık bile ışık hızını aşamaz fakat fotonların kütlesi yoktur. Dolayısıyla foton enerjisi artarken hızı artmaz. Bunun yerine frekansı artar ve ışığı maviye kayar. Fotonlar yavaşlarken de enerjisi (frekansı azalır) ve ışığı kırmızıya kayar. Buna karşın kütleli parçacıklar asla ışık hızına ulaşamadığından hızları az da olsa birbirine eklenecektir. O zaman ne olur?

Kozmik parçacık ve ışık hızı

Bu durum otomobil kazalarına benzer. Saatte 100 km ile giden iki otomobil kafa kafaya çarpışınca saatte 200 km hızla değil, ters yönden geldiği için saatte 100 km hızla çarpışır. Uzay gemisiyle en şiddetli çarpışan parçacıklar da tam karşıdan gelen parçacıklardır. Yandan gelen parçacıkların gemiye göre hızı daha yavaştır. Oysa hem uzay gemisi hem de parçacıklar ışık hızına yakın hızda gidiyorsa bunun etkileri hızların birbirine eklenmesinden çok, kütle artışıyla kendini gösterir. Kısacası uzay gemisi ve parçacıklar ne kadar hızlı gidiyorsa kütlesi o oranda artar. Bu yüzden rölativistik hızlarda yandan gelen çarpışmalar bile düşük hızlardan daha enerjik ve şiddetlidir. Öyleyse kozmik parçacık çarpışmalarını görelim:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Parçacıklar çarpışınca 3 şey olur

• Elastik olarak çarpışırsa geri seker veya çevreye saçılırlar. Bu durumda parçacıklar birbirine enerji ve momentum aktarır. Buna karşın verdiği kadarını aldığından enerjiyle momentumu değişmez.
• Elastik olmayan şekilde çarpışır ve momentumunu korur ama enerji kaybederler. Bu durumda birbirine kısmen veya tamamen yapışırlar (Bkz. Dünya çakıl taşlarından nasıl oluştu?).
• Işık hızına yakın hızlarda çarpışırlarsa enerji fazla hız artışına yol açmaz. Bunun yerine kütle artışı olur ve yeni kütle çarpışan parçacıkların kütle aralığını aşarsa yeni parçacıklar oluşur; çünkü kütle enerjiye ve enerji kütleye denktir.

Bu üçüncü seçenek çok önemlidir!

Büyük patlamadan kalan fotonların bizim gibi otomobille giden ölümlüleri etkilemesi imkansızdır; çünkü ikimizin de enerjisi çok düşüktür. Öte yandan ışık hızına yaklaşan bir uzay gemisine çarparsa kuantum etkileri devreye girer ve 3. şık gereği ilginç şeyler olmaya başlar. Örneğin LHC enerjisinin 1 milyon katına sahip protonlarla çarpışan fotonlar neredeyse parçalanacak kadar salınmaya, yani elektron–pozitron çiftleri gibi davranmaya başlar. Peki protonlar 100 milyar katar daha enerjikse ne olur?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

100 milyar kat daha enerjik protonlar

Proton enerjisi 100 katrilyon elektronvolta ulaşınca ve proton momentumu açısından bakarsak: Protonların karşısına enerjisi 200 mikroelektronvolt yerine 1 milyon elektronvolt enerjisi düzeyindeki fotonlar çıkar. Fotonlar daha çok pozitron–elektron çiftleri gibi davranacaktır dedik ya her iki parçacığın durağan kütlesi de 500 bin elektron volttur. Kısacası fotonlar elektron ve pozitronlara dönüşecektir. Protonlarla da fotonlar yerine onlardan türeyen bu parçacıklarla çarpışacaktır.

Galaksiler arası uzayda parçacıklar seyrek ve radyasyon şiddeti düşüktür. Yine de her elektron ve pozitron çarpışmasında protonlar enerjisinin binde birini kaybeder. Elbette evren gençken mesafeler kısaydı. Oysa bugün iki büyük galaksi arasında ortalama 2 milyon ışık yılı mesafe vardır. 13,78 milyar yılda fotonlar galaksiler arası uzayda 32 milyar ışık yılı kadar mesafe kaydeder. Aradaki uzay genişlerken ışık dalgaları ip gibi gerilir. Dalga boyu uzar ve ışığın frekansı (enerjisi) azılır. Işık kırmızıya kayar.

Benzer bir şey protonların başına gelir. Tabii protonlar kütlelidir ve elektron–pozitron çarpışmalarıyla daha çok enerji kaybeder. Pekala… Protonlar kozmik ışın türlerinden biridir ve kozmik ışınların evrenin enerji sınırını aştığını söyledik. Öyleyse protonların normal enerji sınırı nedir? Bu, protonların evrenin oluşumundan bu yana galaksiler arası galaksiler arası uzayda ne kadar yol aldığına bağlıdır. Bu da galaksilerin aradan geçen zamanda birbirinden ne kadar uzaklaştığına bağlıdır. Uzaklık arttıkça protonlar daha çok parçacıkla çarpışır ve daha fazla enerji kaybeder.

Kozmik protonların enerjisi

Protonlar ne kadar hızlı giderse o kadar enerjik olur. Yoluna çıkan parçacıklarla o kadar yüksek enerjide çarpışır. Öyle ki foton çarpışmasından sonra pion parçacığı üretecek kadar serbest enerjisi olur. Dahası pionlar proton enerjisini binde bir değil, yüzde 20 azaltır. Galaksiler arası uzayda 100-200 milyon yıl yol aldıktan sonra. Bu, evrenin 13,78 milyar yıllık ömründe çok kısa bir süredir. Protonların enerjisi 5 x 10¹⁹ elektronvoltun altına düşer. Bu da büyük patlama, evrenin genişlemesi ve uzay boşluğundaki parçacık sayı açısından bir protonun ulaşabileceği üst enerji sınırıdır. Oysa ultra yüksek enerjili kozmik ışınlar bu sınırı sıklıkla aşar. Peki bu nasıl olur? Evren kendisiyle çelişir mi?

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Ultra enerjik ışınlar

Buna karşın ultra enerjik kozmik ışınların bu sınırın çok üstüne çıktığını biliyoruz. Protonun evrendeki en kararlı parçacık olduğunu düşünürsek (foton gibi bozunmadan milyarlarca yıl yolculuk edebilir) bu sınır önemlidir. Dolayısıyla proton enerji sınırının ihlal edilmesi daha da önemlidir. Örneğin 30 yıl önce Utah’taki Sinek Gözü kamerası 3,2 x 10²⁰ elektronvolt gücünde bir kozmik bir parçacık gözlemledi. Bilim insanları da buna Aman Tanrım parçacığı dediler. HiRes adlı sonradan kullanıma giren detektör de bu enerji eşiğini aşan yaklaşık 15 parçacık gördü.

Günümüzde de Pierre Auger Gözlemevi teorik maksimumun üzerinde enerji değerleri kaydetmeye devam ediyor. Kozmik parçacık ışınları nasıl oluyor da bu kadar enerjik oluyor? Görelilik teorisinin yanlış olduğunu düşünmeden önce aşağıdaki akla yatkın seçenekleri değerlendirin:

• Kozmik ışın parçacıkları çok yakında oluştuğundan teorik maksimumun altına düşecek kadar enerji kaybetmemiş olabilir.
• Bu parçacıklar protondan bile ağır (kütleli) olup daha yüksek bir enerji limitine sahiptir.
• Hiperaktif süper kütleli kara delikler (kuasarlar) protonları sandığımızdan daha yüksek hızlarla enerjiye çıkarabilir. O zaman da bize gelene dek teorik maksimumun üstünde kalırlar.
• Bu parçacıkların galaksi dışından geldiğini teyit edebiliriz.

Oysa ikinci şıkkın gerçek olma olasılığı artıyor. Bunlar hidrojen çekirdekleri olan protonlar ve helyum çekirdeği olan alfa parçacıklarından daha büyük çekirdeklerdir. Örneğin 56 proton ve nötron içeren demir çekirdekleri ~10²¹ elektronvoltu aşan enerji değerlerine ulaşacaktır. Bu da gözlemlerle uyumludur.

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Kozmik parçacık için sonsöz

Özetle bir çekirdek ne kadar ağırsa üreteceği kozmik parçacık ışınları da o kadar enerjiktir. Oysa hızlı giden çekirdekler elbette ki hızlı giden protonlardan azdır. Bu nedenle 10¹⁹ elektronvolt eşiğinin (protondan pion üretim eşiği) üzerinde kozmik ışınların yaygınlığı büyük ölçüde azalır. Peki neden ağır çekirdeklerin yüksek hıza çıkması daha zor olduğu halde protonlardan daha uzun mesafeleri rölativistik hızlarda kat edebiliyorlar?

Bunun sebebi 50-60 proton–nötron içeren ağır çekirdeklerin yavaşlaması için galaksiler arası uzayda protonlardan çok daha fazla büyük patlama fotonuyla çarpışmasının gerekmesidir. Yyıldızlar arası uzaydaki çok sayıda yüksek enerjili yıldız fotonu bile bunları yavaşlatmakta yetersiz kalır. Peki bunlar bize evrenin genişlemesi hakkında ne söyler? Öncelikle fotonların kırmızıya kayma ölçümlerini kütleli parçacıklarla rafine etmemizi sağlar. Kısacası evrenin genişleme hızını daha kesin ölçeriz.

Ayrıca yüksek hızlı ağır çekirdeklerini ancak süpernova patlaması, nötron yıldızı ile kara delik birleşmeleri ve kuasarlarla aktif nötron yıldızları üretir. Dolayısıyla ağır çekirdek sayısı bunların sayısını gösterir. Böylece evrende nötron yıldızları ve kara deliklerin yıldızlara oranını daha kesin saptarız. Bu da bize ilk yıldızlardan bu yana hangi galaksilerde yıldız oluşum hızının ne ölçüde azaldığını ve evrenin genelinde ne ölçüde azaldığını gösterir.

Bütün bunlar evrenin nasıl oluşup genişlediğine ve kaç milyar yıl boyunca Dünya benzeri yaşama elverişli olacağına işaret eder. Elbette komşu yıldızlara nükleer füzyon motoruyla robot sonda veya insan göndermeye kalkarsak maruz kalacağımız Çerenkov radyasyonu şiddetini de gösterir. Bu sayede en uygun radyasyon kalkanlarını geliştirip ve güvenli ivmelenme sınırlarını belirleyebiliriz. Evren bizimle milyarlarca farklı dilde konuşur. Biz de evrenin söylediklerini deney ve gözlemlerle duyarız.

Astrofizik ve kozmoloji sürüyor

Siz de felsefe nedir? nasıl akıl yürütür ve fikir geliştiririz diye sorarak ilk canlıların ne zaman ve nasıl ortaya çıktığını merak edebilirsiniz. Büyük patlamanın nasıl gerçekleştiğinden yola çıkarak Dünya’da olmayan tek element teknesyumu inceleyebilir ve elementlerle atomların nasıl oluştuğunu okuyabilirsiniz. Hızınızı alamayarak periyodik elementte keşfedecek daha kaç element kaldığına da bakabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Aman tanrım parçacığı

¹Detection of a Cosmic Ray with Measured Energy Well Beyond the Expected Spectral Cutoff due to Cosmic Microwave Radiation
²On the Discovery of the GZK Cut-off
³Search for patterns by combining cosmic-ray energy and arrival directions at the Pierre Auger Observatory