EVRENİN VE YERKÜRENİN EVRİMİ:
Canlı Öncesi Ortam
Prof. Dr. Osman Demircan
Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Fizik Bölümü- 17020 ÇANAKKALE Tel:02862180612,
e-mail:demircan@comu.edu.tr
ÖZET
Evrende madde ve enerji birlikte evrimleşir ve uygun ortam ve koşullarda biri diğerine dönüşür. Daha çok kütle çekimi ve elektromanyetik kuvvetler etkisindeki madde kümelenme özelliği gösterir ve kütle çekimiyle oluşan her küme bir büyük kümenin üyesidir ve küme üyeleri ortak kütle merkezleri etrafında yörünge hareketi yapar. Yıldız oluşumu gezegen oluşumuna da yol açar. Yıldız oluşumunda madde miktarının büyüklüğü nedeniyle merkezde yoğunluk, basınç ve sıcaklık çok yüksek değerlere çıkarak nükleer reaksiyonlarla enerji üretimine (maddenin enerjiye dönüşmesine) yol açar. Evrenin çok büyük bir kısmı (~%99.9) çarpışmalar ve kinetik enerji fazlalığı nedeniyle plazmadır. Plazma ortamlarda nötr atomlar ve moleküller bulunamaz. Evrende canlı varlıkların oluşumu için gerekli olan ortamlar öncelikle nötr atomların ve moleküllerin varlıklarını koruyabileceği plazma olmayan soğuk ortamlardır. Gözlemlere göre böyle ortamlar sadece bazı gezegenlerde ve molekül bulutlarında bulunmaktadır. Bu ortamlar da sürekli değişim içinde olduklarından sabit fiziksel koşulları uzun süre koruyamazlar. Bu çağrılı tebliğde evrendeki maddenin büyük patlama sonrasındaki evrimi, galaksi oluşumu, yıldız ve gezegenlerin oluşumu ve canlı öncesi evrimi özetlenecektir.
1. Giriş
Evrendeki maddenin evrimi konusundaki bilgilerimiz önemli bilimsel öngörülere ve gözlemsel bulgulara dayanmaktadır. Bu gelişmeler kabaca şöyle sıralanabilir: (i) 1610 yılında teleskobun keşfedilmesiyle evrende madde yapılarının ve hareketlerinin incelenmeye başlaması, (ii) kütle çekiminin keşfiyle 18. yüzyıldan itibaren gök mekaniğinin hızla gelişmesi, (iii)1800’lü yıllardan itibaren büyük teleskopların kullanılması, (iv)maddenin yapısına ilişkin kuramsal öngörüler ve deneysel bulgular, (v)Doppler kaymasının tayfsal gözlemlerde uygulamaları sonucu evrenin genişlemesine ilişkin gözlemsel bulgular , (vi) görelilik kuramı ve gözlemlerle desteklenmesi, (vii) 20. yüzyılın ilk yarısında yıldızların nükleer reaksiyonlarla enerji üretimine ilişkin bulgu ve yıldız oluşumu ve evriminin anlaşılması, (viii) galaksi oluşumu ve evrimine ilişkin bulgular, ve (ix) büyük patlamanın kanıtı olan arka fon ışınımının keşfi ve bu ışınımda yöne bağlı küçük değişimler (bu değişimler ilk galaksi kümelerinin oluşum kanıtı olarak gösterilmiştir). Bu gelişmeler, çoğu Nobel ödülü alan büyük bilimsel gelişmelerdir. Bundan sonraki bölümlerde özetleyeceğimiz evrenin yapısı ve evrimi ile ilgili büyük resim ancak bu bilimsel bulgularla tutarlı biçimde açıklanabilmektedir.
2. Evrenin genel yapısı
Genişleyen evrende yüz milyarlarca yıldız ve gaz-toz bulutları içeren galaksiler kümeler oluşturmaktadır. Galaksi kümeleri plazma bulutlarıyla birbirine bağlı görünmekte, kümelerin arasında da büyük boşlukların varlığı gözlenmektedir (Şekil 1). Dönme nedeniyle disk biçiminde basık görünen galaksiler yaşlarına göre farklı oranlarda gaz-toz bulutu içermektedir (Şekil 2). Yıldızlar gaz-toz bulutlarından oluştuğu için yaşlı galaksilerde gaz-toz miktarı az, yıldıza dönüşen madde miktarı fazladır. Yıldızlar farklı kütlelerde kümeler halinde oluşur (Şekil 3). Zaman geçtikçe kümeler dağılır. 0.01 ve100 Güneş kütlesi aralığında kütleye sahip yıldızlar oluşabilir. Küçük kütleli yıldızların sayısı oldukça fazladır. 20-30 Güneş kütleli bir yıldızın çevresinde 1000 kadar küçük kütleli (bir Güneş kütlesinden daha küçükkütleli) yıldız oluşur. Yıldızların etrafında gezegenler ve kuyruklu yıldızlar ve asteroitler gibi gezegenimsi kalıntı maddeler vardır. Yıldızlar nükleer reaksiyonlarla merkezlerinde (15 106 K dereceden daha sıcak ortamda)enerji üretirler ve bu enerji elektromanyetik dalgalar şeklinde uzaya yayılır. Yıldızların yüzeyleri de birkaçbin K dereceden 70-80 bin K dereceye kadar olabilir. Plazma olan yıldız yüzeylerinden dönmeyle oluşan manyetik alanın da etkisiyle büyük kütleler yıldız rüzgarı olarak uzaya atılır. Bu madde yıldız çevrelerindeki yakın uzayı etkiler. Yıldızdan yayılan radyasyon ve enerjinin yoğunluğu uzaklığın karesi ile ters orantılı olarak azaldığı için özellikle küçük yıldızların etrafındaki gezegenler moleküllerin oluşabileceği soğuk ortamlarda yeralabilir. Yaşam ancak buralarda mümkündür.
3. Büyük patlama sonrası evren
Bugün gözlenmekte olan ‘genişleyen evren’ genişleme hız ve yönleri dikkate alınarak Newton yasalarına göre geri götürüldüğünde tüm evrenin 13.6 milyar yıl önce küçük bir hacım içide olması gerekmektedir. Buna göre evren 13.6 milyar yıl önce küçük bir hacımdan büyük bir güçle genişlemeye başlamış olmalı; Bu olaya büyük patlama (big-bang) diyoruz. Fizik yasalarına göre büyük patlama sırasında evren çok yoğun ve çok sıcak olmalı. Bu ortamda atom ve moleküllerin oluşması mümkün değil. Ortam enerji ile dolu, enerji fotonları madde ve antimadde parçacıkları (leptonlar ve kuarklar ) ile yoğun bir çorba oluşturmakta (Şekil 4). Parçacıklar ve antiparçacıklar etkileşerek birbirlerini yok ediyor ve açığa büyük enerjiler çıkıyor. Başlangıçta parçacık sayıları antiparçacık sayılarından biraz fazla olmalıki etkileşmeler sonunda geriye kalan parçacıklar çok sonra bugünkü madde evrenini oluşturuyorlar. Başlangıçta genişledikçe soğuyan evrende sıcaklık 1013 K dereceye düştüğünde kuarklar birleşip proton ve nötronları oluşturuyor. Başlangıçtan sadece 3 dakika sonra sıcaklık 109 K’e düşüğünde kararsız nötronlar da bozunup yok oluncaya kadar döteryum (ağır hidrojen), helyum ve lityum çekirdekleri oluşuyor; diğer atom çekirdekleri oluşamıyor. Bu arada yüksek enerjili fotonlar çarpışmalarla sürekli enerji yitiriyor ve başlangıçtan 300 000 yıl geçtikten sonra sıcaklık elektronların atomlara bağlanmasını engelleyemez hale geliyor. Elektronların çekirdeklere bağlanmasıyla hidrojen, helyum ve lityum atomları ancak bu dönemde oluşabiliyor. Elektronların hızlı hareketlerle doldurduğu ortamın boşalmasıyla fotonlar da artık serbestçe yayılabiliyor.Böylece evren şeffaf hale geliyor. Astrofizik gözlemleriyle evrenin oluşum tarihi ancak bu noktaya kadar izlenebilmektedir. Hatırlarsanız büyük teleskoplarla evrenin derinlerine bakmak zamanda geçmişi izlemek demektir. İşte bu şekilde evrenin 13.6 milyar ışık yılı uzaktaki derinlikleri yani13.6 milyar yıllık geçmişi izlenebilmektedir.
4. Galaksilerin ve yıldızların oluşumu
Büyük patlama başlangıcından bir milyar yıl sonra evrende küçük yoğunluk dalgalanmaları kütle çekiminin etkisiyle bölgesel madde yoğunlaşmalarına ve giderek galaksi kümelerinin oluşumuna yol açıyor. Kütle çekiminin neden olduğu bölgesel yoğunlaşmalarda boyut küçülürken küçük türbülans hareketleri açısal momentumun korunumu gereğince büyük dönme hızlarına ulaşarak kutuplardan basık disk biçimli galaksileri oluşturmuştur (Şekil 5). Daha bu oluşumların başlangıçlarında yapılar küresellikten disk biçimine dönüşmeden yapı içinde yine bölgesel yoğunlaşmalarla küresel yıldız kümeleri oluşmaya başlamıştır. Buralardaki ilk nesil yıldızlar sadece hidrojen, helyum ve lityum içermektedir. Daha sonra galaksi diskinde oluşacak olan büyük kütleli yıldızlar hızla evrimleşip süpernova olarak patlayıp saçılarak galaksinin disk bölgesini ağır element bolluğu açısından zenginleştirirler. Süpernova artıklarından oluşan ikinci, üçüncü, nesil yıldızlar metal bolluğu açısından zengin olurlar (Şekil 6).
5. Yıldızların oluşumu ve evrimi
Yıldızlar galaksi içindeki dev molekül bulutlarından yine kütle çekimsel çökmeyle kümeler halinde oluşurlar. Oluşan bir yıldız ne kadar büyük kütleli ise merkez bölgesi de o kadar yoğun ve sıcaktır. Yıldız merkezlerinde nükleer reaksiyonlarla hafif elementler birleşerek ağır elementleri oluşturur ve bu arada yıldız nükleer enerji üretmiş olur. Büyük kütleli yıldızlarda nükleer enerji üretimi yani maddenin enerjiye dönüşümü daha hızlıdır. Bu nedenle büyük kütleli yıldızların ömürleri kısa olur. Yıldızlar nükleer evrimlerinin sonunda patlayarak uzaya saçılırlar. Geriye kalan küçük çekirdekler artık enerji üretemeyen ölü yıldızlardır. Kütlelerine ve fiziksel yapılarına bağlı olarak bu ölü yıldızlara beyaz cüce, nötron yıldızı veya kara delik denir. Yıldızlar ürettikleri nükleer enerjiyi uzaya yayarak çevrelerini ısıtırlar ve parlak görünürler.Yıldızlarda Lityumdan demire kadar tüm ağır elementler sadece ve sadece yıldızların merkezlerinde yıldız kütlesine bağlı olarak sırasıyla üretildiği için büyük kütleli yıldızların iç yapıları içten dışa doğru gittikçe daha ağır elementler içeren kabuklar oluşturur (Şekil 7). Süpernova patlamasıyla bu kabuklar uzaya atılarak yıldızlararası maddeye karışır ve bir sonraki nesil yıldız oluşumuna malzeme olur.
6. Güneş sistemi ve Yer’in oluşumu ve evrimi; Canlı öncesi ortam, sonuç ve tartışma
Güneş evrenin bu köşesinde yıldızlararası maddeden kütle çekimsel çökme ile oluşurken boyut küçülmüş, dönme hızı artmış, kutuplardan basıklaşarak disk biçimini almıştır (Şekil 8). Büyük kısmı disk merkezinde biriken madde merkezde bir yıldız olarak Güneş’i, disk içinde de yine bölgesel yoğunlaşmalar ve kartopu modeline göre çarpışmalarla madde birikimi sonucu farklı yerlerde gezegenleri oluşturmuştur. Başlangıçta disk içinde yoğun olan elastik olmayan çarpışmalarla gezegen kütleleri artmış ve radyoaktivite enerjisiyle ısınan yarı-sıvı haldeki madde içinde ağır elementler merkeze çökerek farklı yoğunlukta katmanlar oluşturmuştur. Disk içinde büyük gezegenlerin arasında ve dışında yörünge hareketi yapan hala gezegenlere çarpmadan varlığını korumuş olan küçük madde yapıları vardır. Mars ve Jupiter gezegenleri arasında milyarlarca olan bu yapılara asteroitler denir. Pluto gezegeni dışında da yer alan bu yapılar Güneş Sistemi’nin dış sınırlarında bir ışık yılı uzaklığa kadar Kuiper ve Oort kuşaklarını oluşturur. Zaman zaman bu kuşaklardan kopup Güneş Sistemi’nin iç kısımlarına gelen soğuk madde yapıları Güneş’in ışınım basıncı etkisiyle kuyruklu yıldızları oluşturur. Uçucu gazları tükenmiş olan kuyruklu yıldız parçaları ve yer yörüngesini kesen asteroitler zaman zaman Yer’e çarpabilir. Bu parçaların Yer atmosferinde sürtünmeyle ışıklı çizgi oluşturmasına yıldız kayması denir. Çoğu zaman sürtünmeyle atmosferde ufalanan asteroit veya kuyruklu yıldız artığı toz halinde yere dökülür. Evlerde ve sokaklarda süpürdüğümüz tozların bir kısmı bu tozlardır. Yeryüzüne bu şekilde her gün ortalama yüzbinlerce ton toz yağmaktadır. Atmosferde ufalanmadan Yer yüzüne ulaşabilen asteroit veya göktaşı parçalarına da göktaşı denir. Yer yüzüne çarpma hatta yaşam için tehlike oluşturan böyle büyük göktaşları oldukça fazladır (Şekil 9). Hatta her jeolojik dönemin bir büyük göktaşı çarpmasıyla son bulduğu iddia edilmektedir. Bu çarpmaların ne kadar çok ve tehlikeli olduğunu anlamak için Ay’ın yüzeyindeki çarpma kraterlerine bakmak yeter (Şekil 10). Yeryüzünde bu çarpma kraterlerinin izini meteorolojik koşullar ve erozyon nedeniyle fazla göremiyoruz ama yine de Yeryüzünde çok sayıda büyük çaplı çarpma krateri bulunmaktadır. Çok büyük olasılıkla Ay’ın kendisi de Yer’in geçirdiği büyük bir çarpışma sonucu Yer’den kopan bir parça tarafından oluşturulmuştur. Güneş Sistemi ve Yer’in oluşumunda birkaç milyar yıl sonra büyük çarpışmalar azaldığında Yer kabuğu da soğumaya başlamış ve Yer içinden volkanlarla çıkan gazlar atmosferi oluşturmuş soğuyan gazlar yağış olarak yüzeye inip denizleri ve gölleri oluşturmuştur. Okyanusların oluşumunda Yer’e çarpan büyük kuyruklu yıldız parçalarındaki donmuş gazlardan gelen katkının büyük olduğu sanılmaktadır. Çarpma ve volkanik olaylar azalınca atmosferde meteorolojik olay döngüsü ve okyanusların oluşumu atomlar ve moleküller arası kimyasal süreçleri hızlandırmış olmalı. Karmaşık organik moleküllerin oluşumu da Yer yüzünde yaşam için zemin hazırlamıştır. Böylece evrende maddenin 13.6 milyar yıllık evriminin son aşamalarında yaşam, Yer yüzünde uygun koşullar bularak oluşmuş ve gelişmiştir (Şekil 11). Evrende maddenin bu uzun evrim sürecinde yadsınamayan rastlantıların evrenin başka köşelerinde de meydana gelmiş olması kaçınılmazdır, ancak gerekli rastlantı olasılıklarının çok düşük olması, plazma olmayan böyle ender ortamların azlığı ve aralarındaki inanılmaz uzaklıklar evrende olası başka yaşam merkezleri arasındaki iletişimi bile engellemektedir.
Kaynakça
1. Aslan, Z., Aydın, C., Demircan, O., Kırbıyık, H., Derman, E. : 1993, Astronomi ve Uzay Bilimleri (Ders Kitabı), Tekışık Yayıncılık, Ankara
2. Özdemir, S., Gürol, B., Demircan, O. (editör): 2006,Astronomi ve Asrofizik, BRC Basım, Asil Yayın Dağıtım Ltd. Ankara
3. Pasachoff, J.M. : 1995, Astronomy, Saunders Coll. Publ., New York
4. De Loor, C.W.H., Doom, C. : 1992, Structure and Evolution of Single and Binary Stars, Kluwer Acad.Publ., London
5. Kaufmann, W.J. : 1991, Universe, W.H. Freeman and Company, New York
0 Yorumlar