Martin Greenwald
Uzaya baktığımız vakit gördüğümüz astrofiziksel objelerin tamamı manyetik alanlara gömülü haldedir. Bu durum yalnızca yıldızların ve gezegenlerin etrafında değil, galaksiler ve galaktik kümeler ortasındaki derin boşlukta da böyledir. Bu alanlar -tipik olarak bir buzdolabı mıknatısından çok daha- zayıftır lakin kozmik dinamikler üzerinde derin tesirleri olması nedeniyle, dinamik açıdan ehemmiyet taşırlar. Onlarca yıldır süren ağır ilgi ve araştırmalara rağmen, kozmik manyetik alanların kökeni, kozmoloji alanındaki en derin sırlardan biri olmayı sürdürüyor.
Daha eski araştırmalarda, bilim insanları, her tıp akışkanda ortak bir çalkalanma hareketi olan türbülansın, ‘dinamo süreci’ diye isimlendirilen süreç aracılığıyla hâlihazırda var olan manyetik alanları nasıl kuvvetlendirebileceğini anlamaya başladılar. Buna rağmen, bu inanılmaz keşif, bu sırrı bir adım daha karanlığa itti. Türbülanslı bir dinamo yalnızca mevcut olan bir alana güç katabiliyorsa, ‘tohum’ manyetik alanlar birinci basamakta nasıl oluştu?
Tohum alanların nasıl meydana geldiğini anlayana dek astrofiziksel manyetik alanların kökenine ait bütünlüklü ve kendi içinde dengeli bir karşılığa ulaşmamız mümkün değil. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden (MIT) yüksek lisans öğrencisi Muni Zhou, yeniden MIT’den onun danışmanı olan Nükleer Bilim ve Mühendislik Profesörü Nuno Loureiro ve Princeton Üniversitesi ve ABD’nin Boulder kentindeki Colorado Üniversitesi’ndeki meslektaşlarının gerçekleştirdiği yeni araştırma, hiçbir biçimde manyetize olmayan bir durumdan, dinamo düzeneğinin devreye girmesiyle alanı gözlemlediğimiz düzeylere dek manyetize etmesine yetecek düzeyde güçlü olduğu noktaya dek bir alan oluşturan temel süreçleri ortaya koyan bir cevap sunuyor.
MANYETİK ALANLAR HER YERDE
Doğal yollarla oluşan manyetik alanlara, kainatın her yerinde rastlarız. Dünyada birinci sefer binlerce yıl evvel, mıknatıs taşı üzere manyetize durumdaki minerallerle etkileşimleri sayesinde gözlemlendiler ve beşerler bunların tabiatları ya da kökenlerini anlamadan çok daha evvelce navigasyon hedefiyle kullanıldılar. Güneş’in sahip olduğu manyetizma, 20. yüzyılın başlarında, Güneş’in yaydığı ışık tayfı üzerinde yarattığı tesirler sayesinde keşfedildi. O devirden beridir, uzayın derinliklerini tarayan daha güçlü teleskoplar, bu alanların her yerde bulunduğunu keşfetti.
Bilim insanları, her türlü pratik uygulamaya müsait olan sabit mıknatısların ve elektromıknatısların nasıl üretileceğini ve kullanılacağını uzun vakitten beridir biliyor olsalar da, cihandaki manyetik alanların doğal kökenleri bir sır olarak kaldı. Yeni araştırmalar cevabın bir modülüne ulaşmamızı sağladı; ancak problemin pek çok istikameti hâlâ tartışmalı.
MANYETİK ALANLARIN DOĞUŞU-DİNAMO ETKİSİ
Bilim insanları, laboratuvar ortamında elektrik ve manyetik alanların nasıl yaratıldığını hesaba katarak bu sıkıntı üzerinde düşünmeye başladılar. Elektrik alanları, bakır tel ve gibisi iletkenler manyetik alanlar içerisinde hareket ettirilerek yaratılır. Daha sonra bu alanlar ya da tansiyonlar (voltajlar) elektrik akımlarını devam ettirebilirler. Her gün kullandığımız elektrik işte bu halde üretilir. Bu ‘indüksiyon’ süreci sayesinde, büyük jeneratörler, yani ‘dinamolar’ mekanik enerjiyi konutlarımıza ve iş yerlerimize elektrik sağlayan elektromanyetik güce dönüştürür. Dinamoların en değerli özelliklerinden biri, çalışmak için manyetik alanlara gereksinim duymalarıdır.
Peki, cihanda bu cins teller ya da büyük çelik yapılar yokken bu alanlar nasıl oluşuyor? Bu sorunla ilgili ilerleme yaklaşık bir asır evvel, bilim insanlarının Dünya’nın manyetik alanının kaynağını düşünmesiyle birlikte başladı. O vakte dek, sismik dalgaların yayılmasını bahis alan araştırmalar, daha soğuk olan yüzey katmanlarının altındaki manto katmanının, yani Dünya’nın büyük kısmının sıvı haldeki erimiş nikel ve demirden oluşan bir çekirdek olduğunu ortaya koydu. Araştırmacılar, bu sıcak ve elektriksel açıdan iletken sıvının konvektif hareketinin ve Dünya’nın dönüşünün, bir biçimde Dünya’nın manyetik alanını oluşturacak biçimde birleştiğini teori haline getirdi.
Neticede, konvektif hareketin hâlihazırda var olan bir alanı nasıl güçlendirebileceğini gözler önüne seren modeller ortaya çıktı. Bu olgu, küçük ölçekli dinamiklerin kendi kendine büyük ölçekli yapılara dönüştüğü karmaşık dinamik sistemlerde sıkça gözlemlenen bir özellik olan “kendi kendine örgütlenmeye” bir örnektir. Bununla birlikte, tıpkı bir elektrik santralinde olduğu üzere, bir manyetik alan yaratmak için manyetik alana gereksiniminiz vardır.
Benzer bir süreç kainatın tamamında işler. Öte yandan, yıldızlar, galaksiler ve bunların ortasında kalan boşlukta, elektriksel açıdan iletken olan sıvı haldeki erimiş metal değil, plazma bulunur; plazma, elektronların atomlarından ayrıldığı çok yüksek sıcaklıklarda oluşan bir unsur halidir. Yeryüzünde, plazmalar şimşeklerde ya da neon ışıklarında görülebilir. Bu cins bir ortamda, dinamo tesiri, en düşük düzeyde başlaması şartıyla, var olan bir manyetik alanı güçlendirebilir.
İLK MANYETİK ALANLARIN OLUŞUMU
Peki, bu tohumlanmış alanlar nasıl ortaya çıktı? Zhou ve meslektaşlarının 5 Mayıs’ta PNAS isimli mecmuada yayınlanan son araştırmaları burada devreye giriyor. Zhou, temel teoriyi geliştirdi ve tohum alanının nasıl oluşabileceğini ve hangi temel süreçlerin devrede olduğunu açığa çıkaran güçlü üstün bilgisayarlar üzerinde sayısal simülasyonlar gerçekleştirdi. Yıldızlar ve galaksiler ortasında uzanan plazmanın değerli bir özelliği, harikulâde derecede dağınık olmasıdır ve tipik olarak metreküp başına yaklaşık bir parçacıktır. Bu, parçacık yoğunluğunun yaklaşık 300 kat daha yüksek olduğu yıldızların iç kısmından çok farklı bir ortamdır. Düşük yoğunluklar, kozmolojik plazmalarda bulunan parçacıkların asla çarpışmaması manasına gelir; bu durum ise araştırmacıların geliştirdikleri modele, parçacıkların davranışlarına dair dahil etmesi gereken kıymetli tesirler içerir.
MIT araştırmacılarının gerçekleştirdiği hesaplamalar, güzel düzenlenmiş dalgalardan gelişen ancak genleşme büyüdükçe türbülanslı bir duruma geçen ve etkileşimlerin güçle doğrusal olmayan bir hale geldiği plazmalardaki bu dinamikleri takip etti. Araştırmacılar, plazma dinamiğinin küçük ölçeklerdeki makroskopik astrofiziksel süreçler üzerinde yarattığı detaylı tesirleri de hesaplamalarına dahil ederek, birinci manyetik alanların ‘kayma akımı’ kadar kolay, genel geniş ölçekli hareketlerle resen yaratılabileceğini ortaya koydular. Tıpkı yeryüzünde gördüğümüz örnekler üzere, mekanik güç manyetik güce de dönüştürüldü.
Hesaplamalarının önemli sonuçlarından biri, bizatihi oluşması beklenen manyetik alanın büyüklüğüydü. Bunun ortaya koyduğu konu, alan genişliğinin sıfırdan, plazmanın ‘manyetize hale geldiği’, yani plazma dinamiklerinin alanın varlığından güçlü biçimde etkilendiği bir seviyeye yükselebilmesiydi. Tam da bu basamakta, aşina olduğumuz dinamo düzeneği devreye girerek alanları gözlemlenen düzeylere dek genişletebilir. Bundan dolayı, grubun araştırması, kozmolojik ölçekte manyetik alanların üretilmesi bağlamında kendi içinde dengeli bir modeli temsil ediyor.
ABD’nin Madison kentinde bulunan Wisconsin Üniversitesi’nden Profesör Ellen Zweibel, “Kozmoloji alanındaki onlarca yıllık dikkat cazip ilerlemeye rağmen, cihandaki manyetik alanların kaynağı şimdi bilinmiyor. Son teknoloji eseri plazma fiziği teorisinin ve sayısal simülasyonun bu temel sorunu merkezine aldığını görmek muhteşem” diyor.
Zhou ve meslektaşları, kendi modellerini ilerletmeye ve tohum tarlasının ortaya çıkışından dinamonun genişleme kademesine geçişini incelemeyi sürdürecekler. Gelecekte yapılacak araştırmalarının büyük bir kısmı, sürecin astronomik müşahedelerle dengeli bir vakit ölçeğinde işleyip işlemeyeceğini tespit etmek olacak. Araştırmacılardan, “Bu araştırma, cihanda bulunan manyetogenezi anlamak için yeni bir paradigmanın oluşturulma sürecinde birinci adımı atıyor” diye yazıyor.
Yazının özgünü Big Think sitesinden alınmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)