EVREN

1. Evrenin Yapıtaşları

Şu ana kadar evrende birçok gök cisminin varlığını gördük: asteroidler ve kuyruklu yıldızlar,cüce gezegenler, gezegenler, yıldızlar, çift yıldızlar, yıldız kümeleri, galaksiler vb… Şimdi bucisimlerden bazılarını büyüklükleriyle birlikte kısaca hatırlayalım.

Asteroidler: Güneş Sistemi’nde genellikle Mars ile Jüpiter arasında, Jüpiter’in yörüngesindeve Neptün’ün ötesindeki Kuiper Kuşağı olarak adlandırılan bölgede yer alırlar. Asteroidler iriliufaklı kaya parçaları gibidirler (Örn. Şekil 1). Genişlikleri iki metreden başlar ve yüzlercekilometreye kadar uzanır ve genellikle metal ve/veya kayalık bileşimlere sahiptirler.Asteroidler Güneş Sistemi’ne özgü cisimler olmayıp diğer yıldızların etrafında dabulunabilirler.

Şekil 1. 21 Lutetia asteroidiKaynak: https://www.flickr.com/photos/europeanspaceagency/4781143008/

Kuyruklu Yıldızlar: Kuyruklu yıldızların isimlendirilmesi hatalı olup gerçekte bu cisimlerinyıldızlarla hiçbir ilgisi yoktur. Kuyruklu yıldızlar da asterodilere benzerler ancak genellikleGüneş sisteminin daha dış kısmındaki Oort Bulutu olarak adlandırılan bölgede bulunurlar.Bu cisimler asteroidlerden farklı olarak çeşitli moleküllerin buzlarını içerirler. Bu nedenleGüneş’e yaklaştıklarında eriyerek/dağılarak kuyruklar oluştururlar (Şekil 2). Kuyuruklu yıldızlarda Güneş Sistemi’ne özgü cisimler olmayıp diğer yıldızların etrafında da bulunabilirler.

Şekil 2. 21 Halley Kuyruklu YıldızıKaynak: NASA

Cüce Gezegenler: Bir yıldız etrafında dolanan, küresel şekle sahip olan ve yörüngelerindeyer alan benzer cisimleri temizlememiş olan gök cisimleridir. Bilinen en küçük cüce gezegenCeres olup çapı yaklaşık 1000 km kadardır (Şekil 3). Plüto da bir cüce gezegen olup çapı2400 km kadardır. Cüce gezegenler de sadece Güneş’in etrafında değil diğer yıldızlarınetrafında da yer alabilirler.

Şekil 3. Bilinen en küçük cüce gezegen: CeresKaynak: Justin Cowart, https://flickr.com/photos/132160802@N06/22381131691

Gezegenler: Bir yıldızın etrafında dolanan, küreselleşmiş ve yörüngelerini kendilerine benzercisimlerden temizlemiş olan gök cisimleridir (Şekil 4). Güneş Sistemi’ndeki en küçük gezegenMerkür olup çapı yaklaşık 4 900 km kadardır. Yer’in çapı yaklaşık 13 000 km kadardır. GüneşSistemi’nin en büyük gezegeni Jüpiter olup çapı 140 000 km kadardır. Ancak şu ana kadardiğer yıldızların (veya yıldız kütleli cisimlerin) etrafında dolanan yaklaşık 4000 adet gezegendaha keşfedilmiştir (Şekil 5). Bu gezegenlere ötegezegenler adı verilmektedir.

Şekil 4. Güneş Sistemi’nde yer alan gezegenler

.

Şekil 5. Keşfedilmiş ötegezegenlerin bir bölümüTelif: Martin Vargic

Kahverengi Cüceler: Yıldızlar ile gezegenler arasında kalan cisimlerdir.

Yıldızlar: Merkezlerinde hidrojeni helyuma çeviren nükleer tepkimeleri başlatabileceksıcaklığa ulaşabilen gök cisimleridir. Yıldızların kütleleri kabaca 0.01 ile 300 M⊙ kadardır.Yıldızlar kütlelerine ve evrim durumlarına göre farklı yarıçaplara sahip olabilirler (bkz. Şekil 6).Bilinen en büyük çaplı yıldız UY Scuti olup çapı Güneş’in 1500 katından fazladır.

Şekil 6. Hertzsprung-Russell diyagramı üzerinde yıldızlarKaynak: http://www.osservatoriofeynman.eu/kalos/wp-content/uploads/2014/10/h-r-diagram.jpg

Çeviri ve görsel düzenleme: Umut Yıldırım & Ögetay Kayalı

Çift Yıldızlar: Kütleçekim etkisiyle birbirleri etrafında dönen yıldızlardır (Şekil 7). Evrendekiyıldızların %85’inden fazlasının çift veya çoklu yıldız sistemlerinden oluştuğuöngörülmektedir. Bileşenlerin kütlelerine, evrim durumlarına ve birbilerine yakınlıklarına göreçift yıldızların çok sayıda farklı türleri vardır.

Şekil 7. Bir sıcak bir de soğuk bileşenden oluşan ve birbirleri etrafında dolanan bir çift yıldızKaynak: https://www.salt.ac.za/news/binary-star-systems/

Yıldız kümeleri: Kütleçekim etkisiyle birbirlerine bağlı çok sayıda yıldızın uzayın belirli birbölgesinde kümelenmesiyle oluşan gök cisimleridir. Yıldız kümelerinin içerdikleri yıldız sayılarıbirkaç desteden on milyona kadar uzanır. Açık ve Küresel olmak üzere iki türü vardır (Şekil8). Açık kümeler küresel kümelere göre daha az ve genç yıldızlar barındırırlar. En büyükyıldız kümelerinin çapı 150 ışık yılına (1.4 ·1015 km) kadar uzanabilir.

Şekil 8. Sol: Pleiades Açık Yıldız Kümesi, Sağ: Omega Centauri Küresel Yıldız KümesiKaynak: ESO

Galaksiler: Yıldızların ve yıldız kümelerinin içinde yer aldığı devasa yapılardır. İçerdikleri yıldızsayıları yüzbinlerceden (105) trilyonlara (1012) kadar uzanır. Galaksimiz Samanyolu’nun çapıyaklaşık 100 000 ışık yılı (30 000 pc veya 0.03 Mpc) kadar olup içerdiği yıldız sayısı yaklaşık100 milyardır. Kütlesi 6·1011 M⊙ kadardır. Güneş Samanyolu’nun merkezinde değildir vemerkezden kabaca 26000 ışık yılı uzaklıkta bulunur. Gözlenebilir evrende galaksimizdendaha büyük ve daha küçük olabilen tahminen 200 milyar galaksinin daha var olduğudüşünülmektedir (bkz. Şekil 9).

Şekil 9. Farklı türden galaksilere örneklerKaynak: https://futurism.com/galaxy-classifications-from-dwarfs-to-spirals-and-beyond

Evrende bilinen en büyük cisimler galaksiler değildir! Galaksiler de birbirlerine kütleçekimi ilebağlı olan galaksi kümelerini oluştururlar.

Galaksi Kümeleri: Kütleçekim etkisiyle birbirlerine bağlı çok sayıda galaksinin uzayın belirlibir bölgesinde kümelenmesiyle oluşan gök cisimleridir (örn. Şekil 10). Kütleleri 1014 – 1015 M⊙

ve yarıçapları ise 2 megaparsek (2 Mpc = 6 ·1019 km) kadardır.

Şekil 10. Virgo galaksi kümesi (görüntüde neredeyse her parlak nokta bir galaksidir)Kaynak: Chris Mihos/ESO

Galaksi kümeleri de birleşerek daha büyük yapılar olan süperkümeleri (bkz. Şekil 11)oluştururlar! Bunun sonu gelmeyecek gibi duruyor; ancak evrende süperkümelerin dahabüyük bir yapı oluşturdukları görülmez. Bu anlamda evrendeki en büyük yapılarsüperkümelerdir. Süperkümelerin evrendeki diğer cisimlere göre bazı ilginç farklılıkları vardır.Kütleçekimiyle birbirlerine bağlı olmayan bu yapılar sicim veya yaprak şeklindedirler.

Şekil 11. Süperküme

Peki evrenin yapıtaşı bunlardan hangisi kabul edilebilir? Tıpkı maddenin yapıtaşının atomolması gibi galaksilerin yapıtaşlarının da yıldızlar olduğu düşünülebilir. Elbetteki tüm gökcisimleri evrende yer aldığından hepsi onun yapıtaşı olabilir. Ancak gözlenebilir evreninçapı ~29 000 Mpc (9·1023 km) dir. Yıldızların çapları milyon km mertebesinde olduğundanevrenin boyutlarının yanında çok küçük kalırlar. Galaksilerin çapı bile ~0.03 Mpc kadar olupevrenin çapına göre oldukça küçüktür. Evrene bu anlamda geniş ölçekte bakıldığındaevrenin yapıtaşlarının galaksiler ve hatta 2 Mpc çaplı galaksi kümeleri olduğu kabuledilebilir.

2. Geniş Ölçek

Evrene ne kadar uzaktan bakabiliriz? Evrenin neye benzediğini anlamak için evreninyapıtaşları olan galaksileri ve galaksi kümelerini gözleyerek onları bir grafiğe aktarmalıyız.Evrende milyarlarca galaksi olduğundan bu oldukça zahmetli bir iştir. Yapılan en detaylıçalışmalardan biri SDSS (Sloan Digital Sky Survey) projesidir (Şekil 12). Şekilde görülen yapılargalaksilerin ve galaksi kümelerinin oluşturduğu süper kümelerin üç boyutlu dağılımıdır. Bugörüntü şu anda evrenin en geniş ölçekli görüntülerinden biridir.

Evrenin geniş ölçekteki yapısına bakıldığında evrenin 200-300 Mpc’de bir kendini biranlamda tekrar ettiği ve her yerinin birbirine benzediği görülür. Evreni yapısı konumdan veyönden bağımsız olarak heryerde benzerdir. Elbette daha küçük ölçeklerde bakıldığındabüyük farklılıklar vardır. Burada söz ettiğimiz benzerlik 200-300 Mpc’lik parseller içindir. Belirlibölgelerde yoğunluğun artması veya azalması veya maddenin uzaklaştıkça azalması gibidurumlar söz konusu değildir.

Şekil 12. Evrenin en geniş ölçekte görüntüsüKaynak: Sloan Digital Sky Survey

3. Evrenin Yapısına İlişkin İpuçları ve Kabuller

3.1 Kozmolojik prensipler

Evrene geniş ölçekte bakıldığında şu iki durumun sağlandığı kabul edilebilir:

i) Evrene yeterince uzaktan bakıldığında her yöne doğru benzer olduğu görülür (evrenizotropiktir).ii) Evrene yeterince uzaktan bakıldığında her yerinin benzer olduğu görülür (evrenhomojendir).

Evrenin homojen ve izotropik olması “kozmolojik prensip” olarak bilinir ve evren buprensiplerin kabulüyle modellenir.

3.2 Kopernik prensibi

Bilindiği gibi eski çağlarda Yer’in evrenin merkezinde olduğu ve diğer gök cisimlerinin iseonun etrafında dolandığına inanılmaktaydı. Ancak Kopernik’in teorik çalışmaları veGalileo’nun gözlemsel kanıtları sistemin merkezinde Güneş’in olduğunu ve gezegenlerinonun etrafında döndüklerini ortaya koymuştur. Günümüzde net olarak biliyoruz ki:

i) Yer Güneş Sistemi’nin merkezinde değildir,ii) Güneş Sistemi Galaksinin merkezinde değildir,iii) Galaksimiz diğer galaksilere göre özel bir merkezi bir konumda değildir.

Özetle; “Yer evrende tercihli ve özel bir konumda bulunmaz”. Bu prensip Kopernik Prensibiolarak bilinir.

3.3. Evrenin genişlemesi (Hubble kanunu)

Edwin Hubble 1929’yılında evreni anlamaya yönelik çok büyük bir adım attı. Hubble,yaptığı gözlemlerden şu sonuca vardı: “Bir galaksi bizden ne kadar uzaksa o denli büyük birhızla bizden uzaklaşmaktadır”. Hubble’ın bu kanunu aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:

v=H×d (v < 6000 km s-1 için)

Burada v uzaklaşma hızı, d galaksinin uzaklığı, H ise Hubble sabiti olup güncel değeri 72 km s-1 Mpc-1 tir. Bu tuhaf birimli sabitin nasıl kullanıldığını bir örnekle açıklayalım.

Soru 1: Bizden 1200 km s-1 hızla uzaklaştığı belirlenen bir galaksinin uzaklığı kaç Mpc dir?

Cevap 1:

v=H×d

d=vH

d=1200 km s−1

72 km s−1 Mpc−1

d=16.7 Mpc

olarak bulunur.

Herşey Yer’den uzaklaşıyor gibi görüldüğünden Hubble’ın kanunu ilk anda sanki Yer’inevrenin merkezinde olduğu izlenimi yaratmaktadır. Ancak bu durum Kopernik prensibineaykırıdır. Bu uzaklaşma hareketinin gerçekte daha akla yatkın bir açıklaması vardır: “Evreningenişlemesi”. Bu noktada evreni bir üzümlü keke benzetebiliriz. Kek kabardıkça tüm üzümlerbirbirlerinden uzaklaşmaktadır. Gözlemi hangi üzümden yaparsanız yapın diğer üzümlerinsizden uzaklaşmakta olduğunu ve en uzakta olan üzümlerin sizden en büyük hızlauzaklaştığını görürsünüz. Hubble yaptığı bu gözlemlerle evrenin genişlediğini ortaya koyarakevrenin yapısının anlaşılması adına büyük bir keşifte bulunmuştur.

4. Kozmoloji: Evreni Modelleyelim

İlk olarak evreni tek boyutlu bir çizgi olarak düşünelim (Şekil 13). Bu çizginin üzerindehomojen ve izotropi olacak şekilde galaksiler (noktalar) yerleştirelim ve bu galaksilerinisimleri altlarında yazan numaralar olsun.

Şekil 13. Tek boyutlu bir evren (çizgi evreni)

0 1 2 3 4-1-2-3-4

a a a a a aaa

Böyle bir evrende ardışık iki galaksi (gerçekte iki koordinat noktası) arasındaki mesafe aolsun. Eğer evren genişliyorsa a zamana göre değişecektir: a(t). Örneğin evren iki katgenişlediğinde a iki kat artacağından çizgi evrenimizin görüntüsü Şekil 14’teki gibi olacaktır.

Şekil 14. Şekil 13’de verilen evrenin iki kat genişlemiş görüntüsü

Burada ki a parametresine ölçek çarpanı adı verilir. Şekil 13’teki evrenle Şekil 14’teki evrenikıyasladığımızda başlangıçta kaç numaralı galakside olursak olalım ikinci evrende bütüngalaksilerin bizden uzaklaşmış olduğunu görürüz. Yani bir anlamda Hubble kanunu çizgievrende de işlemektedir. Elbette ki için de yaşadığımız evren tek boyutlu olamaz.Etrafımızda gördüğümüz herşeyin eni, boyu ve derinliği, yani üç adet boyutubulunmaktadır. Buna ilave olarak bir de zaman boyutunun olduğunu da söyleyebiliriz.Böylece içinde bulunduğumuz evren toplamda dört boyut içermektedir.

Evrenin şeklini anlamak için onun dört boyutlu şeklini çizmemiz gerekir. Ancak insan beynisadece üç boyutlu şekilleri algılayabilme yeteneğine sahiptir. Dördüncü bir boyutun nasılbir görüntü oluşturacağını hayal etmemiz pratikte olanaksızdır. Her ne kadar zihnimizdecanlandıramasak da dört ve daha fazla boyuta sahip olan evrenler için her türlümatematiksel hesabı yapabiliyoruz. Evrenin şeklini hiçbir zaman tam olarak hayaledemesek de onun ne yapıda olduğunu bu matematiksel denklemlerle ortaya koyabiliriz.Bu sayede evrenin başlangıcının nasıl olduğunu ve sonunun nasıl olacağını kestirebiliriz.

Evrenin dört boyutlu şeklini bir kenara bırakarak evrenin şekline en yakın olan üç boyutlu bircisim bulmaya çalışalım. Şekil 15’e bir küp ve küre şekli görülmektedir.

Şekil 15. Küp ve küre

Öncelikle ilk şekilden başlayalım. Evren bir küp şeklinde olabilir mi? Şimdi bu küp şekillievrenin merkezinde olduğunuzu ve etrafınızdaki galaksileri gözlediğinizi düşünün.Merkezden küpün bir kenarının tam ortasına doğru baktığınızda D uzaklığına kadargalaksileri gördüğünüzü kabul edelim. Eğer merkezden kenara doğru değil köşeye doğrubakarsanız D uzaklığından daha büyük mesafelerde de galaksiler görmeniz gerekir. Bukozmolojik prensiplerden izotropiklik ilkesine aykırıdır. Ayrıca, küpün dışına çıktığınızda evrenbittiğinden hiçbir galaksinin gözlenmemesi gerekir. Bu durum da bir diğer kozmolojikprensip olan homojenlik ilkesine aykırıdır. Şu ana kadar küp evrenin hep merkezindeolduğunuzu düşündünüz. Ancak Kopernik prensibi bizim evrenin tercihli ve özel bir yerinde

0 1 2-1-2

a a a a

olmadığımızı söylemektedir. Küpün merkezinde olmadığımızda homojenlik ve izotropiklikdaha da bozulmaktadır. Sonuç olarak Kopernik prensipi ve kozmolojik prensiplersağlanamadığından dolayı evrenin şekli muhtemelen bir küp değildir.

Benzer yorumlar küre şekilli bir evren için de yapılabilir. Küre şekilli bir evrende tek istisnaeğer gözlemci kürenin merkezindeyse evrenin izotropik olmasıdır. Ancak gözlemcininevrenin merkezinde olması Kopernik prensibine aykırı olduğundan önemli bir anlam ifadeetmemektedir. Sonuç olarak evrenin şeklinin muhtemelen bir küre olmadığını dasöyleyebiliriz.

Gerçekten de evrenin şekline benzeyen üç boyutlu bir şekil bulmak çok zordur (gerçekteimkansızdır!). İşleri biraz daha kolaylaştırmak için evrenin üç boyutlu bir cisim değil ikiboyutlu bir yüzey olarak düşünelim. Örneğin evren yukarıda örneğini verdiğimiz küreninyüzeyi olsun. Başka bir değişle, evrendeki herşey bu kürenin yüzeyinde yer alıyor olsun (örn.Şekil 16).

Şekil 16. Bir kürenin yüzeyinde evren

Bir kürenin yüzeyine homojen olarak galaksileri dağıtır ve etrafımıza bakarsak evrenin heryöne doğru aynı olduğunu (izotropik olduğunu) ve her yerinin aynı olduğunu (homojenolduğunu) görürüz. Görüldüğü gibi evreni üç boyutlu geometrik bir şekil olarak hayaletmektense iki boyutlu ama kavisli bir yüzey olarak hayal etmek daha kolaydır. Buradailave üçüncü boyut evrenin eğriliğini (küre şeklini) göstermektedir. Burada evreningenişlemesi bu kürenin yarıçapının artması demektir. Küre büyüdükçe yüzeyindeki herşeybirbirlerinden uzaklaşacak ve seyrekleşecektir. Elbette evren ille de bir kürenin yüzeyi olmakzorunda değildir. Bir evrenin şekli eğriliğine göre belirlenir (Şekil 17).

Şekil 17. Farklı eğriliklere (k) sahip evrenler: küresel, hiperbolik, düz.Kaynak: NASA/WMAP Science team

Günümüzde yapılan gözlemler “gözlenebilir evrenin” daha çok Şekil 17’de en alta yer alandüz şekle benzer olduğunu ortaya koymuştur. Ancak evrenin sadece gözlenebilir kısmınındeğil tamamının yukarıdaki şekillerden hangisine daha çok uyduğu henüz kesinlikkazanmamıştır. Yine de evreni bir kürenin yüzeyi olarak düşünmek ve bu yüzeyin sadeceçok küçük bir kısmını gözleyebildiğimizi bilmek onun şeklini zihnimizde kolaycacanlandırabilmemize olanak tanır.

Farklı şekillere sahip olan evrenlerin farklı hayat hikayeleri vardır. Şekil 18’de farklı geometriyesahip olan evrenlerde ölçek çarpanının (a) zaman göre değişimi verilmektedir. Bir başkadeyişle evrenin zamanla nasıl genişlediğini/daraldığını göstermektedir.

Şekil 18. Evrenin zamana göre genişlemesi için önerilen modellerKaynak: Ka Chun Yu, Lecture Notes for Introduction to Cosmology, Curator of Space Science, 2005, https://scientists.dmns.org/sites/kachunyu

k=0

k=-1

k=+1

Şekil 18’de k=+1 durumu (sarı eğri) biraz önce sözünü ettiğimiz küre yüzeyindeki evrenekarşılık gelir. Eğri incelendiğinde böyle bir evrenin bir büyük patlamayla hızla genişlemeyebaşladığı, sonra bir tepe değere ulaştığı ve ardından tekrar daralmaya başladığı görülür. Ensonunda evren yeniden tek bir noktada toplanmaktadır. Bu toplanma hareketi büyükpatlamanın tam tersi olup “büyük çatırtı” olarak isimlendirilir. Bu evren modelinin (k=+1)yakın zamana kadar içinde bulunduğumuz evren için doğru olduğu düşünülmekteydi.

Şekil 18’de k=0 durumunda (mavi eğri) ise evren düzdür. Böyle bir evren yine büyükpatlama ile başlamakta ve sürekli genişlemektedir. Ancak genişlemenin hızı gittikçeyavaşlamakta ve zaman geçtikçe sıfıra yaklaşmaktadır. Böylece zaman geçtikçe evrendurağan bir hale gelmekte ve genişleme hareketi son derece azalmaktadır.

Şekil 18’de k=-1 durumu da (kırmızı eğri) evrenin hiperbolik bir yapısının olduğu durumdur(bkz. Şekil 17’de ortada yer alan geometri). Böyle bir evren de büyük patlamaylabaşlamakta ve sürekli genişlemektedir. Önceki modelden farklı olarak genişlemenin hızıyavaşça azalır ancak sıfıra doğru yaklaşmaz. Böylece evren bir süre sonra neredeyse sabitbir hızda genişlemeye devam eder.

En güncel çalışmalar ne yazık ki üstteki üç modelin de tam olarak içinde yer aldığımızevreni temsil etmediğini göstermiştir. Evrenin hikayesi yine büyük patlama ile başlamaktadır;ancak evrende henüz yapısı tam olarak ortaya konamayan ve şimdlilik karanlık enerji veyavakum enerjisi (Λ) olarak adlandırılan bir itici gücün varlığı keşfedilmiştir. Bu enerjininnereden ortaya çıktığı halen kozmolojinin ve kuantum fiziğinin en önemli araştırmaalanlarından biridir. Bu enerjinin varlığı nedeni ile içinde bulunduğumuz evren ivmeligenişleyen bir evrendir (genişleme hızı sürekli olarak artmaktadır). Böyle bir evren modeliŞekil 18’de k=0 ve Λ>0 modeli ile (yeşil eğri) gösterilmektedir.

Evrenimiz yaşlandıkça soğuyacak, karanlıklaşacak ve gittikçe seyrekleşecektir. Evrenintekrardan daralarak bir noktada toplanması ve yeniden hayat bulması bu modelde sözkonusu değildir. Bu durum evrende gelecekte başka tür yaşam formlarının ortaya çıkmaolasılığını da gittikçe azaltmaktadır.

Hayatınızın değerini bilin! :-]