Kozmik Ağır Elementler Nasıl Oluştu?

Gezegenlerden terliksilere kadar kimyasal elementlerin çoğu, Güneşimiz gibi yıldızların nükleer süreçleri sonucu oluştu. Fakat altın, gümüş, kurşun ve uranyum gibi ağır ve nadide elementlerin kozmik kökeni, altmış yıldan fazladır bilim insanlarının kafasını karıştırmaktaydı. Şimdi ise, uzaktaki cüce bir galaksiden iletilen zayıf bir yıldız ışığı yardımı ile yakın zamanda yapılmış bir araştırmanın cevabı var.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MIT) öğretim görevlisi ve MIT Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü (MKI) üyesi Anna Frebel, Kavli Vakfı’na yaptığı konuşmada, “r-process” elementlerin oluşumunun nükleer fizikteki en büyük problemlerden biri olduğunu, bu ağır elementlerin deneysel olarak oluşturmanın gerektirdiği çok yüksek enerjiden dolayı neredeyse imkansız olduğunu ve bu yüzden de yıldızlar ile diğer objeleri laboratuvar olarak kullanmak zorunda olduklarını belirtti.

Ayrıca bulgular, yıldızın içeriğini belirlemenin, onu barındıran galaksinin geçmişine nasıl ışık tutabileceğini de göstermekte. Küçük ölçekli yıldızlarla büyük ölçekli galaksiler arasındaki ilişkiyi birbirine bağladıklarını söyleyen Frebel, bu bulguların galaksi evrimi çalışmalarına yeni bir kapı açtığını düşünüyor. 1950'lerin sonunda, nükleer fizikçiler, uzayda bir yerdeki nötron adı verilen atomaltı parçacıklarıyla dolu ekstrem durumların, aynı zamanda uranyum ve kurşun gibi benzer maddelerin de dahil olduğu r-process elementlerine atölye görevi gördükleri üzerinde araştırma yapmışlar. Bu durum için dev yıldızların patlaması ve nadir görülen nötron yıldızların birleşimi en olası kaynaklardı. Fakat gözlemsel kanıtlar tamamen yetersiz kalmış.

Birleşen nötron yıldızlarının sanatçı tarafından temsili gösterimi
(Kaynak: Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.)

MIT Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü’ndeki araştırmacılar bu gözlemsel açığı kapattı. Dünya’dan 100,000 ışık yılı uzaklıkta bulunan Reticulum II isimli galaksiden analiz edilen en parlak yıldızlar bu r-process elementlerinden bol miktarda içerdiklerini gösteriyorlar. Yıldızlar ağır elementleri kendiliğinden oluşturamadıklarından Reticulum II’nin geçmişinde bazı olaylar bu yıldızlara bu maddeyi “tohumlamış” ve zenginleştirmiş olmalı. Bu yıldızlardaki element bollukları da doğrudan iki nötron yıldızının çarpışmasını akla getiriyor.

Frebel’in yüksek lisans öğrencisi Alexander Ji, Şili’deki Las Campanas Gözlemevi’nde Magellan teleskobunu kullanarak zenginleştirilmiş yıldızları keşfetti. Teleskobun doğru yıldıza doğrultulduğunu anlamak için çok uzun süre harcadığını belirten Ji, Reticulum II’de gözlemlediği ilk yıldızın r-process içeriğini incelediklerinde, sadece bu galaksiden gelemeyecek kadar garip göründüğünü de söylüyor.  

r-process (rapid neutron) nedir?

r-process, ani nötron yakalama işlemidir. 109 Kelvin sıcaklık ve santimetreküp başına 1022 tane nötron gerektirir. Çok yaşlı yıldızlarda gözlenebilir. Bu da kozmik tarih boyunca bu kaynağın neredeyse hiç değişmediğini gösterir. İlk defa 1957’de nükleer fizikçiler tarafından demirden daha ağır elementlerin doğal oluşumunu açıklamak için kullanıldı. Tip II süpernova patlamalarında ve nötron yıldızlarının birleşiminde gözlemlenir ve bu işlemler sırasında çok fazla sayıda serbest bulunan nötronlar demir atomlarına bağlanır. Atomun çekirdeğinde gittikçe daha fazla nötron birikir ve belli bir limitten sonra radyoaktif bozunmaya uğrayarak protonlara dönüşürler. Dolayısıyla, daha ağır yeni elementler oluşur (elementleri birbirinden çekirdeklerindeki proton sayıları ayırır). Adından da anlaşılacağı üzere bu işlem nötron zengini elementleri oluşturmak için hızlıca gerçekleşmeli. Böylece sonrasında bu elementler, 96 tane protona sahip uranyum gibi ağır elementlere bozunabilir. Teorik açıklaması akla yatkın görünse de, bilim insanları bu işlemin gerçekten oluşabileceği astrofiziksel koşulları ve bölgeleri halen tartışmaktalar.

Ağır elementleri oluşturan süpernova patlamasının sanatçı tarafından temsili gösterimi.
(Kaynak: Supernova illustration: Akihiro Ikeshita/Particle CG: Naotsugu Mikami (NAOJ))

İlgili makale:
Alexander P. Ji, Anna Frebel, Anirudh Chiti, Joshua D. Simon. R-process enrichment from a single event in an ancient dwarf galaxy. Nature, 2016; 531 (7596): 610 DOI: 10.1038/nature17425
http://arxiv.org/pdf/1512.01558v3.pdf

Kaynaklar
The Kavli Foundation. "Cosmic heavy metals help scientists trace the history of galaxies: Astrophysicists discuss how the collisions of the densest stars in the universe can forge heavy metals such as gold and platinum and help trace the histories of entire galaxies." ScienceDaily. ScienceDaily, 19 May 2016. www.sciencedaily.com/releases/2016/05/160519120931.htm

http://www.kavlifoundation.org/science-spotlights/cosmic-heavy-metals#.V0GbSFffG1u
https://www.physics.ohio-state.edu/~ntg/6805/slides/rprocess.pdf
http://www.astro.sunysb.edu/lattimer/PHY521/nucleo.pdf

Kavli vakfı
http://www.kavlifoundation.org/about-foundation