Manyetizma Galaksileri ve Evreni Nasıl Şekillendiriyor?

Manyetizma galaksileri ve evreni nasıl şekillendiriyor? Dünya’nın çekirdeğinden çıkıp galaksimizin merkezindeki süper kütleli kara deliğe ve galaksiler arası uzaya nasıl yayılıyor? Peki biz evreni manyetizmayla nasıl keşfediyoruz? Elektromanyetik kuvvetten türeyen elektrik alanının menzili sınırlıdır. Oysa aynı kuvvetten çıkan manyetik alanlarının menzili sonsuzdur. Öyle ki Dünya’nın çekirdeğinden başlayarak Güneş’e, gezegenlere ve galaksimizin merkezindeki süper kütleli kara deliğe uzanır. Manyetizma evrenin en uzak köşelerindeki galaksileri birbirine bağlar ve elektrik alanının dikkate almayacak kadar zayıfladığı mesafelerde bile etkisini gösterir. Manyetik evreni görelim.

Manyetizma ve Dünyamız

Pusulanın ibresi nereyi gösterir? Tabii ki Dünya’nın manyetik kuzey kutbunu. Oysa manyetik kuzeye ulaştığınız zaman pusula iğnesinin kendi çevresinde çılgınca dönmeye başladığını göreceksiniz. Neler oluyor derseniz pusula ibresi manyetik alan çizgilerini gösterir. Manyetik alan çizgileri de Dünya’nın manyetik alanını biçimlendirir fakat bu çizgiler manyetik kuzeyde Dünyamızı terk ederek uzaya yükselir! Gerçi yukarı çıkan şeyler genellikle geri döner. Manyetik alan çizgileri de uzayda geniş bir eğri çizip kıvrılarak Dünya’ya geri döner ama bu kez manyetik güney kutbuna doğru bükülür.

Kısacası kuzey kutbundan uzaya çıkan manyetik çizgiler güney kutbundan Dünya’nın içine girer. Mademki biz de evrenin manyetik alanını inceleyerek kozmik manyetizmanın galaksileri nasıl oluşturduğunu görmek istiyoruz ve mademki Dünya da evrenin bir parçası, öyleyse Dünya’nın manyetik alanıyla başlayalım. Ne de olsa Dünya’daki en güçlü manyetik alanı gezegenin çekirdeği üretir. Dünyanın Güneş Sistemi ve Güneş’in oluşumundan kalan zayıf bir manyetik alanı vardır.

Bunun dışında sıvı demir–nikel dış çekirdek Dünya ile ters yönde ve gezegenden biraz yavaş olarak iç çekirdek çevresinde döner. Katı demir–nikel çekirdek de Yeryüzüyle aynı yönde ama biraz hızlı döner. Dış çekirdeğin dönüşü dinamo etkisiyle güçlü bir elektrik alanı üretir. Bu da Dünya’nın orijinal statik manyetik alanıyla etkileşime girerek gezegenin dinamik manyetik alanını oluşturur. Dünya’nın güçlü manyetik alanı atmosferi güneş rüzgarı tarafından parçalanmaktan korur.

Manyetizma uzaya uzanıyor

Öte yandan manyetik alan çizgileri yün yumağı veya Arap saçı gibi birbirine dolanır. Bazen de aniden kopup statik elektrik alanına giren insan saçı gibi dikleşir. Dünya’nın manyetik çizgilerinin bir kısmı da kuzey kutbundan kopup uzaya çıkarak Güneş’in manyetik alanıyla birleşir. Güneş Sistemi’nin manyetik alanı galaktik manyetik alana ve o da galaksinin merkezindeki süper kütleli kara deliğe uzanır. Hatta galaksi diskinden galaksiler arası uzaya tel tel çıkarak diğer galaksilere ulaşır. Biz de bu yazıda evreni keşfetmek için kozmik manyetik alanının izini süreceğiz. Evrensel manyetizmada sörf yapacağız:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Manyetizma ve yerçekimi evreni şekillendiriyor

Evreni astronomik ölçekte şekillendiren iki fizik kuvveti vardır. Yerçekimi ve elektromanyetik kuvvet. Yerçekimi uzayı nasıl büküyor yazısında anlattığım gibi kütle uzayı büker ve biz de uzayın çarpılmasını yerçekimi olarak algılarız. Örneğin Dünyamız Güneş’in oluşturduğu üç boyutlu çukurun çevresinde döner ve buna yörüngede devinmek deriz. Kütlenin uzayı nasıl büktüğünü ise uzayı üç boyutlu bir ızgara gibi çizerek görselleştiririz. Resimdeki gibi kütle yerçekimi alanı çizgilerini büker ve bu çizgiler de uzayı büzerek çarpıtır. Yerçekimi alanlarını görebilseydiniz bunu da görecektiniz.

Nasıl ki yerçekimi alanları kozmik ızgara çizgileriyle birbirine bağlanır manyetizma çizgileri de işte öyle bağlanır ama bir farkla… Evrenin dokusu olan uzayzamanın kumaş gibi bükülüp kıvrılmasını doğrudan göremez ama manyetik alan çizgilerini görebilirsiniz. Sonuçta resimdeki gibi Güneş’in güçlü plazma akışı görünmez manyetik alan çizgilerini izler ve onları açığa çıkarır. Dahası bir mıknatısın üzerine kağıt koyup üstüne demir tozu serperseniz manyetizma çizgilerini yine görürüsünüz. Üstelik manyetizma elektromanyetik kuvvetin bir parçasıdır dedik. Elektromanyetik kuvvet de bizzat evreni görmemizi sağlar; çünkü ısı ve ışığı oluşturan fotonlar elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır.

Oysa yerçekimi alanı sıkıcıdır. Sadece maddenin topaklanarak yıldızlar ve gezegenler oluşturmasını sağlar. Elektromanyetizma ise maddeyi şekillendirir. Eğer yerçekimi bir seramik ustasının bir çuval ıslak kili yere pot gibi bırakmasını sağlıyorsa, manyetizma da ustanın kile şekil vererek onu muhteşem bir vazoya dönüştüren maharetli elleridir. Özetle manyetizma maddeye ince ayar ve rötuş yapar. Bu yüzden yerçekimi yerine manyetik çizgileri görmek isterim. Peki manyetizma neden uzun menzillidir?

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

 

Manyetizma ve fizik kuvvetleri

Öncelikle bütün fizik kuvvetlerinin menzili sonsuzdur: Güçlü ve zayıf nükleer kuvvet, elektromanyetizma ve yerçekimi… Buna karşın fizik kuvvetlerinin şiddeti sonludur; yani fizik kuvveti sonsuza ulaştıkça o kadar seyrelip zayıflar ki artık ölçülemez olur. Oysa bazı fizik kuvvetleri daha yakın mesafelerde zayıflar. Bazıları da yerçekimi gibi milyarlarca ışık yılı uzaktan bile ölçülür. Üstelik her fizik kuvvetinin zayıflama nedeni başkadır. Örneğin atom çekirdeklerini bir arada tutan güçlü çekirdek kuvveti elastik olması sebebiyle atom çekirdeği çapının hemen dışında zayıflar (Bkz. kuarklar).

Elektromanyetik kuvvetin diğer görünümü olan elektrostatik kuvvet ise artı ve eksi elektrik yüklerinden oluşur. Bu yükler uzun mesafede ortalama eş sayıda olup birbirini sıfırladığı için elektrostatik etkileşim kısa menzillidir. Nitekim Fizik Bozan Çıplak Tekillikler yazısında anlattığım gibi kara deliklerin net yükü sıfırdır; çünkü içine düşen madde uzun vadede eş miktarda pozitif ve negatif iyon içerecektir. Manyetizma ise bu açıdan yerçekimiyle kardeş sayılır. İkisi de sonsuz uzaklıkta ölçülebilir etki gösterir:

Mesela yerçekimi on milyar ışık yılı uzaktaki galaksi kümelerinin birbirini çekmesini sağlar. Manyetizma ise çok daha ilginçtir! Elinizdeki mıknatıs tabii ki Güneş’i kendine çekmez veya Güneş mıknatısı çekmez. Oysa ikisi manyetik alan çizgileriyle birbirine bağlıdır ve maddeyi moleküler, hatta atomik ölçekte ince ince şekillendirir. Bu biraz da elektrik alanında eş yüklerin birbirini itmesine benzer. Atomlarınızdaki elektronlar birbirini itmese seyrek bir gaz bulutundan farkınız kalmazdı ve bir sandalyeye dahi oturamazdınız. Hayalet gibi içinden geçip yerin içine batardınız. Peki manyetizma nasıl çalışır?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Ve manyetizma neden sonsuzdur?

Manyetik alanlar elektron gibi elektrik yüklü parçacıklar uzayda hareket ederken oluşur. Bir elektrik kablosunda olduğu gibi elektronların içinden geçtiği telin atomları elektriksel açıdan nötr olabilir. Oysa artı ve eksi yüklü parçacıklar kabloda ters yönlerde gidiyorsa halka şekilli kesiti olan doğrusal manyetik alan oluşturur. Bu da manyetik alan çizgilerinin birbirine eklenmesini sağlar.

Manyetik çizgiler birbirine bağlanırken manyetik alanı şiddeti artar. Gerçi manyetizma sürekli uzaya yayıldığı için manyetarlar ve kara delikler gibi istisnai örnekler dışında çok güçlü manyetik alanlar üretmez. Oysa ne demiştik? Manyetizmanın menzili sonsuz ama şiddeti sonludur. Manyetik çizgiler birbirine bağlandığına göre manyetizmanın ölçülebilir etkisi astronomik uzaklıklara ulaşacaktır. Manyetizma menzilinin sonsuz olma sebebi budur. Aynı sebeple manyetizma evrendeki maddeyi şekillendirir. Aşağıda bunu nasıl yaptığını da göreceğiz.

Oysa Youtube’daki sözde bilim kanallarının iddia ettiği gibi evreni asıl şekillendiren kuvvet manyetizma değildir. Yerçekimi maddeyi toparlar ve manyetizma ancak bundan sonra büyük ölçekte ölçülebilir etkiler oluşturur. Dolayısıyla manyetizma yerçekiminin rakibi değil, tamamlayıcısıdır. Astrofizikçilerin galaksiler, yıldızlar ve gezegenlerin nasıl oluştuğunu anlaması için de bu yüzden önemlidir. Şimdi gelelim elektronların nasıl manyetik alan ürettiğine… Elektrik kuvvetinin taşıyıcısı olan elektronlar mikroskobik birer çift kutuplu mıknatıstır. Bu nedenle hareket eden elektronlar manyetik alan üretir.

Manyetizma halkaları ve iki kutupluluk

Üstelik manyetik alan çizgileri resimdeki gibi hareket eden elektronların çevresinde eşmerkezli halkalar yaratır. Bunun sebebi manyetik alan ve elektrik alanının birbirine hep dik açı yapmasıdır. Ayrıca nasıl ki elektronların manyetik çizgileri manyetik kuzey kutbundan çıkıp manyetik güneye batıyor, Dünya’nın manyetik çizgileri de kuzeyden çıkıp güneye batıyor. Neden derseniz dış çekirdeğe bakalım. Dış çekirdek saat yönünde dönerken içindeki demir–nikel atomlarının elektronları da ekvatora paralel dönüyor. Bu da Dünya’nın tıpkı dev bir elektron gibi iki kutuplu bir manyetik alan oluşturmasını sağlıyor:

İlgili yazı: Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soru

 

Elektrik alanı ve manyetizma

Resimde Dünya’nın iki kutupla manyetik alanını görüyorsunuz. Öncelikle elektronlar dış çekirdekle birlikte Dünya çevresinde ve ekvator hizasında halka şeklinde döner. Manyetik alanlar da halka şekilli bu elektrik alanının çevresine elektromıknatıs bobinleri gibi sarılır. Nitekim soğan kabuğu gibi çok katmanlı beyaz çizgiler manyetik alanın kesitini gösteriyor. Şimdi manyetik çizgilerin birbirine bağlanarak manyetizmayı ve Dünya’nın manyetik alanını güçlendirmesinin asıl sebebini görelim

Ne de olsa elektrik mühendisleri şunu soracaktır: “Mademki elektronlar başlı başına birer mıknatıs, neden sadece hareket ettiği zaman birbirine bağlanarak güçlenen manyetik alan çizgileri üretiyor?” Güzel soru. Öncelikle hareketsiz elektron yoktur. Belirsizlik ilkesi nedeniyle tüm kuantum parçacıklar gibi elektronlar da titreşir. Ayrıca kendi çevresinde bir nevi döner (Bkz. Elektron spini). Böylece birbirine bağlanan manyetik alanlar yaratır.

Dahası nasıl ki manyetik alan elektrik alanı çevresinde sarılmak ister, elektrik alanı da manyetik alan çevresinde sarılmak ister. Bu da Dünya’nın manyetik çizgilerinin Güneş’in çizgileriyle nasıl birleştiğini anlamak için çok önemlidir. Örneğin bir elektromıknatısın bobinlerinden (sargılarından) geçen elektrik akımını oluşturan elektronlar dairesel hareket yapar. Keza kuzey–güney yönünde mıknatıslanan bir metalin mıknatıslanma sebebi de metaldeki elektronların manyetik kutuplarının o yönde hizalanmasıdır. Peki manyetik alana sarılan bu halka şekilli elektrik alanları nasıl hareket eder?

İlgili yazı: Çernobil Nükleer Reaktörü Neden Patladı?

 

Manyetik çizgilerin uzaya kaçması

Dünya’nın iki kutuplu manyetik alanında halka şekilli elektrik alanları oluşur. Bu halkalar manyetik çizgileri takip ederek kuzey kutbuna yükselir. Oysa dairesel olarak hareket eden bu elektronlar kendi iki kutuplu manyetik alanını da üretir! Böylece kuzey kutbundan yükselen diğer halka şekilli elektrik alanlarını mıknatıslı bir hortum gibi kendine çeker (anımsayın: manyetik alan elektrik alanına diktir).

Uzaya çıkan diğer halka şekilli elektrik alanları da kendi iki kutuplu manyetik alanını üretir. İşte bu nedenle iki kutuplu manyetik alan çizgileri hep diğer iki kutuplu manyetik kaynakların ürettiği çizgilere bağlanmak ister. Böylece Dünya’nın manyetik çizgilerini uzaya çeken güçlü bir çekim etkisi oluşur.

Buna rağmen manyetik çizgilerin büyük kısmı gezegen çevresinde bükülerek güney kutbundan yerkabuğunun içine batar. Oysa bir kısmı Dünya’dan kopup uzaya kaçar ve Güneş’in manyetik alanıyla birleşir. Nasıl ki Hohmann transfer yörüngeleri Dünya yörüngesini Ay yörüngesine bağlar, Dünya’dan yükselen manyetik çizgilerle uzaya çıkan elektrik alanlarının ürettiği yeni manyetik çizgiler de gezegenin manyetik alanını Güneş’e bağlar. İşin ilginci Dünya’nın öz manyetik alanı da böyle oluşur!

İlgili yazı: Biontech gibi Covid19 mRNA Aşıları Nasıl Çalışıyor?

 

Güneş Dünya’yı nasıl mıknatısladı?

Gezegenimizin oluşumu sırasında Güneş’in manyetik alanı yerkabuğundaki metalleri mıknatıslamıştır. Dış çekirdeğin elektrik alanı da manyetik alana dikey dönerken kendi iki kutuplu manyetik alanını oluşturmuştur. Bu da Dünya atmosferini koruyan asıl güçlü manyetik alandır. Hatta Mars’ın manyetik alanını kaybetmesinin sebebi bu olabilir. Belki de Mars’a 4 milyar yıl önce çarpan dev asteroitler Mars kabuğunun çok büyük bir kısmını eritti. Bu da mıknatıslanmış metallerin manyetik tavını bozdu.

Metaller mıknatıs özelliğini yitirince Mars’ın o zamanlar sıvı olan demir–nikel çekirdeğinin elektrik alanı, etkileşim kurup güçlendirecek bir manyetik alan bulamadı. Böylece gezegeni koruyan asıl manyetik alanı üretemez oldu. Nitekim Donuk Mars’ta anlattığım gibi Mars manyetik alanını çekirdeği soğumadan çok önce kaybetmiştir. Tabii ki çekirdek soğuyup katılaşınca manyetik alan üretimi durur ama yeterince sıcakken manyetik alanın yok olmasının sebebi büyük olasılıkla asteroit çarpışmalarıdır.

Öyleyse manyetizma bir gezegenin yaşama uygun olması çok önemlidir. Bir gezegenin manyetik alanı yok veya zayıfsa atmosferi korumasız kalır ve güneş rüzgarı atmosferi tüketir. Hem yaşama uygun gezegenler yeterli ısı ve ışık almak için yıldızına yakın olmak zorundadır. Bu nedenle güneş rüzgarından etkilenir ve atmosferi koruyacak manyetik alan şart olur. Biz de buraya dek zayıf bir manyetik alanda oluşan elektrik alanının, manyetik alanı nasıl güçlendirdiğini gördük. Buna ek olarak manyetik alan çizgilerinin birbirine neden ve nasıl bağlandığını da öğrendik. Şimdi pusula ibresine geri dönelim:

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Manyetizma ve Güneş

Pusula ibresi mıknatıslanmış bir metaldir ve Dünya’nın manyetik çizgilerine hizalanarak manyetik kuzey kutbunu gösterir. Peki Dünya’dan kopan manyetik çizgiler nereye gidiyor? Evrenin manyetik alanını anlatacağımı söylemiştim ama buraya dek Dünya’nın içinde dönüp durduk. Artık kanatlarımızı açıp uzayda sörf yapma zamanı geldi. Dünya’nın manyetik alanı kendi üzerine kıvrılır. Oysa bazı manyetik alan çizgileri uzaya çıkarak Güneş, Güneş Sistemi ve galaksimizin manyetik çizgileriyle birleşir:

Güneş’in manyetik alanı çılgındır; çünkü Dünya’nın sıvı ve katı çekirdeği manyetik alanımızı stabilize eder. Güneş ise aşırı sıcak bir gaz ve plazma topudur. Öyle sıvı metal bir çekirdeği yoktur. Buna karşın Güneş, yaşadığımız yıldız sistemi kütlesinin yüzde 98’ine sahiptir. Dolayısıyla büyük miktarda madde içerir. Bunun sonucunda da çok güçlü ve çalkantılı bir manyetik alan oluşturur (resme bakın). Bu alan o kadar güçlüdür ki belirttiğim gibi Güneş Sistemi oluşurken gezegenleri uzaktan mıknatıslamıştır.

Öyle ki Dünya’nın yaşama uygun olmasını sağlayan manyetik alanının asıl sorumlusu Güneş’tir! 😮 Bu da manyetizmanın gezegenleri nasıl şekillendirdiğine çok iyi bir örnektir. Çalkantılı manyetik alan derken Güneş birçok açıdan türbülanslı sıvı gibi davranır. Üstelik Dünya kendi çevresinde ekvatorda saatte 1600 km hızla dönerken Güneş 720 bin km hızla döner! 😮

Türbülans çağı

Bu yüzden manyetik alanı aşırı sıktığınız bir bez gibi burulup adeta düğüm olur. Manyetik çizgiler birbirine dolanarak iyice gerilir ve büyük miktarda enerji biriktirir. Sonra aniden kopar ve önceki yazıda gördüğümüz taçküre kütle atımları (CME) tetikler. Manyetik alan çizgileri yeniden bağlanıp düğümlenirken CME’ler güneş rüzgarını tehlikeli güneş fırtınalarına çevirir. Siz de Dünya ve Güneş’in manyetik alanlarının nasıl birleştiğini resimde görebilirsiniz. Peki sonra? Sonra galaktik manyetik alana bağlanıyoruz:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Manyetizma ve güneş sistemi

Manyetik alanı yıldızlararası uzayda izlemek için Güneş Sistemi’nin sınırlarına uzanmamız gerekiyor. Bu bağlamda Plüton’un Güneş’e ortalama uzaklığı ~5,9 milyar km’dir. Yine yaklaşık 18 milyar km uzakta Güneş’in manyetik alanı yıldızlararası uzaya egemen olan galaktik manyetik alanla birleşir. Uzayda hava olmadığı için güneş rüzgarının Güneş’in manyetik çizgileri üzerinde “estiğine” dikkat edelim. Güneş rüzgarının etkili olduğu su damlası şeklindeki alana günküre deriz. Neden su damlası derseniz:

Güneş rüzgarının galaktik merkez çevresinde dönen Güneş’in hareket yönünde başka yıldızların rüzgarıyla çarpışıp bir cephe vardır. Bunu pruva şoku olarak adlandırırız. Öyle ki güneş rüzgarı pruva şoku yönünde karşıdan esen yıldız rüzgarına çarparak yassılaşır. Karşıdan esen rüzgarın etkisiyle ve Güneş’in hareket yönü tersine doğru, güneş rüzgarı tıpkı aerodinamik bir su damlası gibi kuyruk yaparak uzar. Günkürenin adı gibi küresel değil de su damlası şeklinde olmasının sebebi budur.

Günküre yüzeyine günkılıfı ve güneş rüzgarının günkılıfı içinde her iki yönde de sesten yavaş esmeye başladığı bölgeye gündurak deriz (resme bakın). Pruva şokunun ötesinde güneş rüzgarı hiç esmez. Bunun yerine karşıdan esen yıldız rüzgarıyla geriye ve kuyruğa doğru sesten hızlı savrularak sonlanma şoku bölgesine ulaşır. Günkılıfı damlasının arkasına uzanan sonlanma şoku bölgesinde, önden savrulan güneş rüzgarı hızı yine ses hızının altına düşer. Sonuç olarak güneş rüzgarı manyetik alanlar üzerinde taşınır. Özetle günkılıfı Güneş’in manyetik alanının etki sınırını çizer. Bu da Güneş’in yerçekimini saymazsak günkılıfı Güneş Sistemi’nin sınırlarını oluşturur.

Güneş sisteminin manyetik şekli

Peki Güneş Sistemi’nin su damlası şeklinde olduğunu nereden biliyoruz? Voyager 1 ve 2 adlı iki yıldızlararası pusulayı, pardon sondayı 2012’de oraya gönderdik de ondan! Buna karşın Voyagerların asıl görevi Güneş Sistemi’nin şeklini çıkarmak değildi. Bunu 2020 yılında NASA’nın IBEX sondası (Yıldızlararası Sınır Kaşifi) yaptı. 2008’de fırlattığımız ve Dünya’ya ortalama 200 bin km uzakta dönen IBEX bir güneş rüzgarı sonarı gibi çalıştı. Güneş rüzgarı şok dalgalarını izleyerek günkılıfı haritasını çıkardı. Oysa günküre ötesinde manyetik alan çizgilerini izlemek zorlaşıyor. Neyse ki Samanyolu’nda birçok doğal mıknatıs var da bu sorunu çözüyoruz:

İlgili yazı: Yerçekimi Uzayla Zamanı Nasıl Büküyor?

 

Doğal mıknatıslar ve galaktik manyetizma

Doğal mıknatıs derken uzay süpernova kalıntısı toz tanecikleriyle kaplıdır. Metalik toz tanecikleri ise galaksinin manyetik alanına göre mıknatıslanır. Tıpkı mıknatıstan etkilenen demir tozu gibi…. Üstelik ışık ışınları mıknatıslı bulutun içinden geçerken toz taneciklerine çarpar. Bu sırada toz tanecikleri kendi manyetik alanıyla ışığı oluşturan fotonları etkileyerek ışığı polarize eder. Gerçi elektrik alanı ve manyetik alan hep birbirine dik açı yapar.

Öte yandan polarize olmuş ışıkta sadece belirli yönlerde dik açı yapar (Bkz. Aynalar Neden Sadece Sağı Sola Çevirir?). Biz de ışığın nasıl çarpıldığına bakarak galaksinin manyetik alan çizgilerini açığa çıkarırız. Galaktik manyetik alan haritasını çıkarırız. Bunu da 2013’te göreve başlayan Planck uzay teleskopu çok iyi yaptı. Planck’ın evreni oluşturan büyük patlamadan kalan ışığı görmesi gerekiyordu. Bunun için de galaksimizin manyetik alanını fondan silmek zorundaydı.

Planck önce manyetik alanı ölçtü ve sonra veri kümesinden silerek kozmik mikrodalga artalan (CMB) ışımasını görüntüledi. Yeri gelmişken evrenin manyetik alan haritasını da çıkardı. Biz de galaktik manyetik alanla kozmik manyetizmayı birleştirince Van Gogh eserlerine benzeyen izlenimci bir tabloyla karşılaştık (resme bakın. Gerçi galaktik manyetik alanı görmenin daha geleneksel yolları da var:

Manyetizma ve polarizasyon

Galaktik manyetik alan çizgilerini birçok gökcismi üretir. Başta galaksinin en büyük süper kütleli kara deliği Yay A* olmak üzere aktif kara delikler, nötron yıldızları, yıldızlar, iyonize gaz ve süpernova patlamaları ana manyetik alan kaynaklarıdır. Güneş rüzgarı ve iyonize gazdan kaynaklanan tekil elektronlar ise yıldızlararası uzayda bu çizgilerin üzerinde yolculuk eder. Atarcalar gibi doğal radyo kaynakları olan gökcisimlerinin ürettiği radyo dalgaları elektronlara çarptığı zaman polarize olur. Şimdi radyo dalgalarının polarizasyonu ile galaksinin manyetik alan haritasını nasıl çıkardığımıza bakalım:

İlgili yazı: Oda Sıcaklığında Süper İletkenler Ne Zaman Geliyor?

 

Manyetizma ve Faraday rotasyonu

Yalnız bu kez polarizasyon ışığın hızını yavaşlatır. Gerçi ışık suda ve camda nasıl kırılır yazısında anlattığım gibi sadece bir anlamda ve camdan çok daha az yavaşlatır. Yine de ışığın görünürdeki yavaşlaması polarizasyon türüne bağlıdır ki bu durumda yıldızlararası elektronlar ışığı dairesel olarak polarize eder. Aynalar neden sağı sola çevirir yazısında belirttiğim üzere fotonlar uzayda hareket yönü çevresinde sarmallar çizerek gider. Tıpkı gezegenlerin uzayda giden Güneş çevresindeki dönüşü gibi…

Öyle ki ışığı veya radyo dalgalarını oluşturan tüm fotonlar aynı yönde sarmal çizerse buna dairesel polarizasyon deriz. Fotonlar hareket yönüne göre sağ veya sol elli, yani saat yönünde ya da saatin ters yönünde dönebilir. Üstelik resimdeki gibi fotonun çizdiği sarmallar bir turunu fotonun hareket yönüne belirli bir açıda tamamlar ki bunu radyan cinsinden yazarız. (Aşağıdaki dart örneğine bakın).

Öte yandan elektronlar uzayda giderken kendi manyetik alanını yaratır. Bu nedenle radyo dalgalarını oluşturan fotonları polarize ettikleri zaman yavaşlar ve fotonlar sarmallar çizdiği için dairesel polarizasyonun turunu tamamladığı açıda yavaşlar. Bu da elektronlarla fotonların birlikte ürettiği özel bir elektro–optik olay yaratır ki elektronların manyetik alanı ışığın hareket yönüyle aynı hizaya gelir.

Böylece radyo dalgalarının dairesel polarizasyonunun dönme ekseni ve elektronların manyetik alan ekseni radyo dalgalarının hareket yönüne paralel olur. Üç eksenin çakışmasıyla ortaya bir dairesel polarizasyon bileşkesi çıkar. Biz de bu kompozit polarizasyona doğrusal polarizasyon deriz; çünkü radyo dalgalarını oluşturan fotonların hareket yönü doğrusaldır. Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam elektrik alanı manyetik alana hep dikey olmaz mı? Öyleyse üç eksen nasıl hizalanıyor?”

Dart örneğiyle anlatalım

Bunun için elinize bir dart alıp kanatçıklarına bakın. Kanatçıklar dartın gövdesine dik açı yapabilir ama siz dartı biraz döndürerek kanatçık kesitini + yerine x işareti gibi gösterebilirsiniz. Şimdi elektronların manyetik alanının foton dairesel polarizasyonunun kendi çevresinde dönme ekseniyle aynı hizada olduğunu hatırlayın ve bu bileşik eksenleri tornavida gibi döndürdüğünüzü hayal edin. Bileşik doğrusal polarizasyonun radyan cinsinden dönmesi budur. Doğrusal polarizasyonun bu şekilde dönmesine Faraday rotasyonu deriz ve bu olay da galaktik manyetik alan haritasını çıkarmamızı sağlar:

İlgili yazı: Kuantum Çoklu Dünyalardaki Paralel Evrenler Nerede?

 

Manyetizma ve astrofizik

Biz de Faraday rotasyonu yönüne bakarak normalde göremeyeceğimiz galaktik manyetik alan çizgilerinin haritasını çıkarırız. Sonuçta bu çizgileri elektronlarla etkileşmedikçe göremeyiz. Sözünü ettiğim geleneksel galaktik manyetik alan haritası çıkarma yöntemi budur. Bu sayede uzaktaki birçok sarmal galaksinin manyetik alan haritasını da çıkarmayı başardık. Neden özellikle spiral galaksiler derseniz bunların parlak birer diski vardır. Bu diskler galaktik merkez çevresinde dönerken yıldızlararası iyonize gazı (plazma) sıkıştırır. Bu sırada plazma manyetik alanını da çay karıştırır gibi çekip sürükler.

Gerçi galaksinin doğal mıknatıslarını, yani manyetik alan kaynağı olan gökcismi türlerini biliyoruz. Oysa galaktik manyetizmanın tam olarak nasıl oluştuğunu bilmiyoruz. Galaksi ölçeğindeki en büyük manyetik çizgiler birbirine Arap saçı gibi karmakarışık dolanarak dinamo oluşturuyor. Nasıl ki Dünya’nın sıvı dış çekirdeği dönerken Coriolis kuvvetiyle dışa savruluyor ve bu da elektronların sürtünmesini artırarak güçlü bir elektrik dinamosu yaratıyor, galaksilerde de benzer bir süreç astronomik ölçekte görülüyor.

Üstelik Dünya’nın içinde dönen dış çekirdeğin tersine, galaksimiz uzay boşluğunda döner. Bu yüzden galaksideki gaz ve toz bulutlarının çalkantıları suyun içine karışan boya gibi dönmez. Bunun yerine kendi yerçekiminden etkilenip yoğunluk dalgaları oluşturarak döner. Bu da galaktik manyetik alanın nasıl oluştuğu ve evrildiğini takip edemeyeceğimiz kadar karmaşık bir türbülans oluşturur. Galaksinin manyetik çizgileri suyu akıtmak için aşırı sıktığınız ıslak bez gibi burulup birbirine dolanır. Bu yün yumağını anlamak ve çözmek de çok zordur. Siz de kolaylık olsun diye galaktik manyetik alanı Dünya’nın manyetik alanı gibi ama salkım saçak olarak düşünün (resme bakınız). Şimdi gelelim süpernovalara:

İlgili yazı: Güneş Sistemindeki 300 Yıllık Gizem Nasıl Çözüldü?

 

Süpernovalar ve manyetizma

Bu bağlamda süpernova patlamalarının saçtığı iyonize gazın manyetik alan çizgilerini galaktik dinamo güçlendirir. Bazen de merkezdeki süper kütleli kara deliği saran plazma bulutu çizgilerine bağlar. Diğer yandan evrende yıldız oluşum hızı yüzde 5’e düşmüştür. Oysa galaktik dinamo gaz akışını hızlandırarak Samanyolu’nun yaşama uygun olabilecek yeni yıldızlar oluşturmasını geç yaşına rağmen kolaylaştırır.

Nasıl ki Güneş’in manyetik alan çizgileri iyonize plazmayı manyetik kafese sıkıştırıp titreşimini sınırlandırarak soğutur (güneş lekeleri), galaktik manyetik alan da gaz ve toz bulutlarına aynısını yapar.

Böylece gazı manyetik kafeslerle sıkıştırıp yeni yıldızlar oluşturmasını hızlandırır. Dahası süpernovanın uzaya üflediği gazlardan oluşan şok dalgasını iyonize gazın manyetik alan cephesi de güçlendirir.

Bu da iki büyük gaz bulutunun şiddetle çarpışıp sıkışarak yıldız doğurmasına yardım eder. Öte yandan tıpkı Dünya’nın kuzey kutbundan fışkıran manyetik çeşme çizgileri gibi galaktik kutuplardan da uzaya manyetik alan çizgileri fışkırır. (Galaksilerin manyetik kutupları vardır). Öyle ki bu çizgilere kapılan elektronlar galaksiyi terk ederek yıldızlararası uzaya çıkar. Bu da bizi kozmik manyetik alana getirir:

İlgili yazı: Evrende Beşinci Fizik Kuvveti Var mı?

 

Kozmik manyetizma ve kara delikler

Galaktik plazma çeşmeleri üç türlü işler: 1) Galaksinin kutuplarından fışkıran plazma galaksilerin manyetik alanlarını birbirine bağlar. 2) Böylece galaksiden galaksiye gaz akışı sağlayarak galaksilerin yıldız ham madde stoklarını kısmen yeniler. 3) Merkezdeki süper kütleli kara delik yeterince büyük ve aktifse galaksinin gazını uzaya püskürtür. Böylece kara delikler galaksinin yıldız ham maddesini ziyan ederek o galaksideki yıldız oluşumunu durdur.

Oysa bu gaz jeti başka galaksilerle çarpışırsa orada yıldız oluşumunu hızlandırır. Belki de 27 km’lik halka şekilli parçacık hızlandırıcısı LHC gözünüze büyük geliyordur. Öyleyse çevresi yaklaşık 630 bin ışık yılı olan Samanyolu’nu doğal parçacık hızlandırıcısı olarak düşünün. Kısacası bir galaksinin uzaya gaz püskürtmek için kutuplara veya kara deliğe ihtiyacı yoktur. Manyetik alan çizgileriyle galaksinin tamamından; özellikle de diskin altı, üstü ve kenarından gaz fışkırtabilir.

Galaksiler ışık hızının yüzde 90’nından hızlı giden elektronlar, protonlar ve alfa çekirdekleriyle kendi kozmik ışınlarını da yayar. Gerçi kozmik ışınlar daha çok galaksilerin kara deliklerle dolu aşırı yoğun çekirdeklerinden yayılır. Sonuçta aktif kara delikler kutuplarından uzaya ışık hızına yakın hızlarda püskürttüğü plazma jetleriyle kozmik ışınlara büyük katkı yapar (Fermi Köpükleri). Tabii en aktif galaktik çekirdekler yukarıda anlattığım hiperaktif süper kütleli kara deliklerdir, yani galaksi öldüren kuasarlar. Oysa bir de kara deliklerin kendi manyetik alanı var:

İlgili yazı: Morötesi Felaket: Kuantum Mekaniği Nasıl Keşfedildi?

 

Manyetizma için sonsöz

Dünya çapında teleskop Olay Ufku, 2017’de M87 galaksisi merkezinde yer alan 6,5 milyar Güneş kütlesindeki kara deliğin fotoğrafını çekti. Bu da çektiğimiz en detaylı kara delik fotoğrafı oldu. Öyle ki kompozit görüntülerde kara deliği saran plazmanın ürettiği manyetik alan çizgilerini bile gördük.

Sonuç olarak evrensel manyetizma galaksiler ve galaksi kümelerinin nasıl oluştuğunu gösteriyor. Galaksilerdeki yıldız oluşum hızını artırıyor ve gezegenlerin yaşama uygun olmasını sağlayacak manyetik alanlar üretmesine yardım ediyor. Ayrıca galaksi diskindeki gaz akışını da şekillendiriyor ve böylece galaksinin haritasını çıkarmamızı sağlıyor. Siz de Güneş’te ne zaman yağmur yağdığına şimdi bakabilir ve güneş fırtınalarının ne kadar tehlikeli olduğunu görebilirsiniz.

Güneş rüzgarıyla giden elektrikli yelkenle Güneş Sistemi’nin dışına çıkıp güneş rüzgarından 1000 yottawatt enerji üreten uyduyu hemen inceleyebilirsiniz. Jüpiter gezegenini ikinci güneş yaparsak ne olur diye sorup lazer yelkeniyle yakın yıldızlara ulaşabilirsiniz. Hızınızı alamayarak uzaydan güneş enerjisi ışınlamanın ne kadar ekonomik olduğunu da araştırabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Yaşam için manyetik alan şart mı?

¹The solar magnetic field
²Magnetic Fields of Extrasolar Planets: Planetary Interiors and Habitability
³Black Hole Magnetic Fields and Their Imprint on Circular Polarization Images
⁴The Linkage between the Core Mass and the Magnetic Field of an Extrasolar Giant Planet from Future Radio Observations
⁵The Interstellar Boundary Explorer (IBEX)