KÜÇÜK SİMYA MERKEZİ: GÜNEŞ

Üstte anlattığımız helyum-karbon dönüşümü, kırmızı devlerin simyasıdır. Bizim Güneşimiz gibi daha küçük yıldızlarda ise, daha mütevazi bir simya işlemi gerçekleşir. Başta da belirttiğimiz gibi, Güneş, hidrojen atomlarını helyuma dönüştürür ve sahip olduğu enerjiyi de bu nükleer reaksiyondan elde eder.

Güneş'teki bu nükleer reaksiyon da, bizim yaşamımız için en az kırmızı devlerdeki reaksiyon kadar zorunludur. Dahası, Güneş'teki nükleer reaksiyon da, kırmızı devlerdeki kadar "ayarlanmış bir iş"tir.

Güneş'teki nükleer reaksiyonun ilk elementi olan hidrojen, daha önce de belirttiğimiz gibi evrendeki en basit elementtir. Çekirdeğinde sadece tek bir proton yer alır. Helyumun çekirdeğinde ise iki proton ve iki nötron bulunur. Güneş'te gerçekleşen işlem ise, dört hidrojenin birleşip bir helyum yapmasıdır. Bu işlem sırasında çok büyük bir enerji açığa çıkar. Dünya'ya gelen ısı ve ışık enerjisinin neredeyse tamamı, Güneş'in içindeki bu nükleer reaksiyonla oluşmaktadır.

Ancak, aynı kırmızı devlerde olduğu gibi, bu nükleer reaksiyon da aslında pek beklenmedik bir işlemdir. Rastgele etrafta gezen dört atomun bir araya gelip bir anda helyum yapmaları mümkün değildir. Bunun için, yine aynı kırmızı devlerde olduğu gibi, iki aşamalı bir işlem gerçekleşir. Önce iki hidrojen birleşir ve bir proton ve bir nötrona sahip bir "ara formül" meydana getirirler. Bu ara formüle "dötron" adı verilir.

Güneş gerçekte dev bir nükleer reaktördür. Sürekli olarak hidrojen atomlarını helyuma dönüştürür ve bu sayede ısı enerjisi üretir. Ancak önemli olan, Güneş’in içindeki bu reaksiyonların olağanüstü bir hassasiyetle ayarlanmış oluşudur. Reaksiyonları belirleyen kuvvetlerdeki en ufak bir farklılık, Güneş’in ya hiç yanmamasına, ya da birkaç saniye içinde havaya uçmasına neden olacaktır.

Peki dötronu birarada tutan, iki ayrı atom çekirdeğini birbirine yapıştıran kuvvet nedir? Bu kuvvet, bir önceki bölümde değindiğimiz "güçlü nükleer kuvvet"tir. Evrenin en büyük fiziksel kuvveti budur. Yerçekiminden milyar kere milyar kere milyar kere milyar kat daha güçlüdür. Bu gücü sayesinde iki hidrojen çekirdeğini birbirine yapıştırabilmektedir.

Ancak araştırmalar göstermiştir ki, güçlü nükleer kuvvet, bu işi yapmaya ancak yetebilmektedir. Eğer şu anda sahip olan değerinden biraz bile daha zayıf olsa, iki hidrojen çekirdeğini birleştiremeyecektir. Yan yana gelen iki proton, hemen birbirlerini itecekler ve böylece Güneş'teki nükleer reaksiyon başlamadan bitecektir. Yani Güneş hiç var olmayacaktır. George Greenstein, bu gerçeği "eğer güçlü nükleer kuvvet birazcık bile daha zayıf olsaydı, o zaman Dünya'nın ışığı hiçbir zaman yanmayacaktı" diye açıklar. 38

Peki acaba güçlü nükleer kuvvet birazcık daha güçlü olsa ne olur? Bu soruya cevap vermeden önce, iki hidrojenin bir dötrona dönüşmesi işlemine bir daha bakalım. Dikkat edilirse, bu işlemin iki ayrı yönü vardır: Önce bir proton, yükünü kaybederek nötrona dönüşmektedir. Sonra da bu nötron bir başka protonla birleşip dötron atomunu oluşturmaktadır. Birleşmeyi sağlayan güç, belirttiğimiz gibi güçlü nükleer kuvvettir. Protonu nötrona dönüştüren güç ise bundan farklıdır; bu "zayıf nükleer kuvvet"tir. Zayıf nükleer kuvvetin bir protonu nötron haline getirmesi yaklaşık 10 dakika sürer. Bu, atom düzeyinde çok uzun bir süredir ve Güneş'teki nükleer reaksiyonun "yavaş yavaş" sürmesini sağlar.

Şimdi bu bilgi üzerine tekrar aynı soruyu soralım: Eğer güçlü nükleer kuvvet birazcık daha güçlü olsa ne olur? Eğer böyle olsa, Güneş'teki reaksiyon tamamen değişecektir. Çünkü bu durumda, zayıf nükleer kuvvet tamamen devre dışı kalacaktır. Güçlü nükleer kuvvet, bir protonun 10 dakika içinde nötrona değişmesini beklemeden, anında iki protonu birbirine yapıştıracaktır. Bunun sonucunda da dötron yerine iki protonlu tek bir atom çekirdeği oluşacaktır.

Ortaya çıkacak olan bu yapıya bilim adamları "di-proton" adını verirler. Gerçekte böyle bir şey yoktur, bu hayali bir elementtir. Ama eğer güçlü nükleer kuvvet biraz daha güçlü olsa, o zaman Güneş'in içinde di-proton ortaya çıkacaktır. Bu ise "yavaş yavaş" yanmakta olan Güneş'in yapısını tamamen değiştirecektir. George Greenstein, "güçlü kuvvetin biraz daha güçlü olması durumunda" olacakları şöyle açıklar:

Güneş böyle bir durumda tamamen değişecektir, çünkü artık Güneş'teki reaksiyonun ilk aşaması dötron üretimi değil, di-proton üretimi olacaktır. Zayıf nükleer kuvvetin rolü ortadan kalkacak ve sadece güçlü nükleer kuvvet devreye girmiş olacaktır... Ve bu durumda Güneş'in yakıtı aniden çok çok etkili bir yakıt haline gelecektir. O kadar iyi bir yakıttır ki bu, Güneş ve ona benzer diğer tüm yıldızlar, birkaç saniye içinde havaya uçacaktır. 39

Tek protonlu hidrojen çekirdekleri İki proton ve iki nötronlu helyum çekirdekleri

1) Güneş'te dört ayrı hidrojen çekirdeği birleşip tek bir helyum oluşturur. (yandaki şekil) 2) Ama bu iki aşamalı bir işlemdir. Önce iki hidrojen birleşir ve "dötron" çekirdeği ortaya çıkar (sol alttaki şekil) 3) Ancak eğer güçlü nükleer kuvvet birazcık bile daha güçlü olsa, bu kez dötron yerine "di-proton" oluşacaktır (sağ alttaki şekil) Bu durumda ise, nükleer yapı aniden değişecek ve Güneş birkaç saniye içinde korkunç bir patlama ile havaya uçacaktır. Birkaç dakika sonra ise tüm Dünya korkunç alevlerle yanıp kömürleşecektir.

Tek protonlu hidrojen çekirdekleri Bir proton ve bir nötrona sahip "dötron" çekirdeği

Tek protonlu hidrojen çekirdekleri Bir proton ve bir nötrona sahip "dötron" çekirdeği

Güneş'in havaya uçması ise, birkaç dakika sonra tüm Dünya'yı ve üzerindeki tüm canlıları alevlere boğacak, mavi gezegen birkaç saniye içinde kömür haline gelecektir. Ama güçlü nükleer kuvvetin gücü, tam olması gerektiği düzeyde olduğu için, Güneşimiz dengeli bir nükleer reaksiyon gerçekleştirir ve "yavaş yavaş" yanar.

Tüm bunlar, güçlü nükleer kuvvetin gücünün, tam insan yaşamına imkan verecek biçimde ayarlanmış olduğunu göstermektedir. Eğer bu ayarlamada bir hata olsaydı, Güneş gibi yıldızlar ya hiç var olmazlar, ya da oluştukları andan çok kısa bir süre sonra korkunç birer patlamayla yok olurlardı.

Bir başka deyişle, Güneş'in yapısı da rastlantısal, amaçsız bir yapı değildir. Aksine, Allah, "Güneş ve Ay, belli bir hesap iledir" ifadesiyle (Rahman Suresi, 5) Kuran'da bizlere bildirmiş olduğu gibi, bu yıldızı insanın yaşamı için özel bir şekilde yaratmıştır.

SİMYA MERKEZLERİ: KIRMIZI DEVLER

Elementleri birbirine dönüştürmek için gereken ısı, yaklaşık 10 milyon derecedir. Bu yüzden gerçek anlamda bir "simya", sadece yıldızlarda gerçekleşir. Bizim Güneşimiz gibi orta büyüklükte yıldızlarda sürekli olarak hidrojen helyuma çevrilmekte ve böylece yüksek enerji açığa çıkmaktadır.

Şimdi belirttiğimiz bu temel kimya bilgilerini düşünerek Big Bang sonrasını hatırlayalım. Big Bang'den sonra evrende sadece hidrojen ve helyum atomlarının ortaya çıktığını belirtmiştik. Astronomlar, bu atomlardan oluşan dev bulutların, özel olarak ayarlanmış koşulların etkisiyle sıkışarak Güneş tipi yıldızları oluşturduklarını öne sürerler. Ama bu durumda bile evren yine iki tür elementten oluşan ölü bir gaz yığını olmaya devam edecektir. Bir başka işlemin, bu iki gazı daha ağır elementlere çevirmesi gerekmektedir.

Bu ağır elementlerin üretim merkezleri, kırmızı devlerdir, yani Güneş'ten ortalama 50 kat daha büyük olan devasa yıldızlar.

Kırmızı devler, Güneş tipi normal yıldızlardan çok daha sıcaktırlar ve bu nedenle de normal yıldızların yapamadığı bir şey yaparlar: Helyum atomlarını karbon atomlarına dönüştürürler. Ama bu dönüşüm pek öyle basit bir şekilde gerçekleşmez. Amerikalı astronom Greenstein'in ifadesiyle "bu yıldızların derinliklerinde çok olağanüstü bir işlem gerçekleşmektedir." 30

Helyumun atom ağırlığı 2'dir; yani çekirdeğinde 2 proton yer alır. Karbonun atom ağırlığı ise 6'dır; yani 6 protonu vardır. Kırmızı devlerin olağanüstü sıcaklıkları içinde, üç helyum atomu biraraya gelir ve bir karbon atomu oluşturur. Bu, Big Bang'den sonra evrenin ağır elementlere kavuşmasını sağlayan en temel "simya" sürecidir.

Ancak bir noktayı hemen belirtmek gerekir. Helyum atomları, yan yana geldiklerinde birbirleriyle mıknatıs gibi birleşen maddeler değildirler. Hele üç tanesinin yan yana gelip bir anda tek bir karbon atomu oluşturmaları imkansız gibidir. Peki o zaman karbon nasıl üretilir?

İki aşamalı bir işlemle. Önce iki helyum atomu birbiriyle birleşir ve böylece ortaya dört protona ve dört nötrona sahip bir "ara formül" çıkar. Üçüncü bir helyum da bu ara formüle eklendiğinde, ortaya altı protonlu ve altı nötronlu karbon atomu çıkmış olur.

Bu ara formüle "berilyum" denir. Kızıl devlerde ortaya çıkan berilyum, dört protondan ve dört nötrondan oluşmaktadır. Ancak bu berilyum, berilyumun Dünya'da bulunan normal yapısından farklıdır. Periyodik tabloda yer alan normal berilyum, fazladan bir nötrona sahiptir. Kırmızı devlerin içinde oluşan berilyum ise farklı bir versiyondur. Buna kimya dilinde "izotop" denir.

Konuyu inceleyen fizikçileri uzun yıllar boyunca şaşkınlığa düşüren nokta ise, kırmızı devlerin içinde oluşan bu berilyum izotopunun anormal derecede kararsız olmasıdır. O kadar kararsızdır ki, oluştuktan tam 0.000000000000001 saniye sonra parçalanmaktadır!

Peki ama nasıl olmaktadır da, oluştuğu anda yok olan bu berilyum izotopu, yanına bir tane helyumun tesadüfen gelip kendisiyle birleşmesiyle karbona dönüşmektedir? Bu, tesadüfen üst üste geldiklerinde 0.000000000000001 saniye içinde birbirini fırlatan iki tuğlanın üzerine bir üçüncü tuğlanın daha eklenmesi ve bu şekilde ortaya bir inşaat çıkması gibi imkansız bir şeydir. Peki ama bu iş kızıl devlerde nasıl olmaktadır? Bu sorunun cevabını on yıllar boyunca dünyanın tüm fizikçileri merak ettiler. Kimse bir cevap bulamadı. Bu konuya ilk kez ışık tutan kişi ise, Amerikalı astrofizikçi Edwin Salpeter oldu. Salpeter ilk kez bu sorunu "rezonans" kavramıyla açıkladı..