Güneş'in çevresindeki 'boş' uzayın ilk ısı haritası: Gazın yüzde 41'i kararsız

Yıldızların arasındaki karanlık boşluk gibi görünür; oysa orası son derece seyrek ama hareketli bir gaz ve toz ortamıdır. Quanta Magazine'in aktardığına göre NASA'nın New Horizons sondası, Plüton'un yörüngesinin ötesinde litre başına yaklaşık 130 hidrojen atomu ölçtü. Soluduğumuz havanın bir litresinde ise yaklaşık 25 milyar trilyon molekül bulunur. Bu seyrek maddeye yıldızlararası ortam deniyor; yeni yıldızlar ve gezegenler ondan doğuyor.

İsrail'deki Technion'dan Jonathan Shelest ve Shmuel Bialy'nin yürüttüğü bir çalışma, bu ortamın Güneş çevresindeki bölümünü ilk kez üç boyutlu bir "ısı durumu" haritasına döktü. Sonuç, ders kitaplarındaki düzenli tabloya uymuyor: Galaksi düzlemine yakın gazın kütlece yüzde 41'i, kuramın ancak geçici olarak var olabileceğini söylediği kararsız bir ara durumda.

Ders kitabındaki iki katlı tablo

Yıldızlararası gaz iki etki arasında dengelenir. Yıldızlardan gelen uzak morötesi ışık, toz tanelerinden elektron koparır ve bu elektronlar gazı ısıtır. Gaz ise yaydığı ışıkla soğur. George Field, Donald Goldsmith ve Harm Habing 1969'da bu dengenin yalnızca iki kararlı çözüm verdiğini gösterdi: yoğun bulutlarda toplanan yaklaşık 100-300 kelvinlik soğuk nötr ortam ve bulutların arasını dolduran yaklaşık 6.000-9.000 kelvinlik ılık nötr ortam. Christopher McKee ve Jeremiah Ostriker 1977'de bu tabloya süpernovaların ısıttığı çok daha sıcak, iyonlaşmış gazı ekledi.

Bu iki kararlı durumun arasındaki gaz, kuramda bir tepenin zirvesindeki top gibidir: en küçük dürtüyle ya soğuk tarafa ya ılık tarafa yuvarlanmalı, bu yüzden toplam kütlede küçük bir pay tutmalıdır. Sorun şu ki bugüne kadarki ölçümlerin neredeyse tamamı nötr hidrojenin yaydığı 21 santimetre dalga boyundaki radyo ışımasına dayanıyordu. Bu yöntem bir bakış doğrultusu boyunca dizilmiş her şeyi üst üste toplar; gazın hangi durumda olduğunu istatistiksel olarak söyler ama nerede durduğunu göstermez.

Haritanın üç malzemesi

Ekip, adını P3D koyduğu yeniden yapılandırmayı üç parçadan kurdu. Birincisi, Gordian Edenhofer ve arkadaşlarının 2024'te yayımladığı üç boyutlu toz haritası. Bu harita, Avrupa Uzay Ajansı'nın Gaia uydusunun yıldız uzaklıklarına ve yıldız ışığının tozdan geçerken ne kadar sönükleştiğine dayanıyor; toz, gazın nerede olduğunu gösteren bir iz sürücü işlevi görüyor. İkincisi, Stanford Üniversitesi'nden Troy Porter'ın hazırladığı ve 1 kiloparsek içindeki tek tek sıcak, parlak yıldızları hesaba katan yeni bir uzak morötesi ışık haritası. Üçüncüsü, belli bir yoğunlukta ve ışık şiddetinde gazın hangi duruma yerleşeceğini hesaplayan ısıl-kimyasal bir model.

Harita, Güneş merkezli ve yaklaşık 3.300 ışık yılı çaplı (1 kiloparsek) bir bölgeyi 2 parseklik, yani yaklaşık 6,5 ışık yıllık küplere bölüyor ve her küpü soğuk, kararsız ya da ılık diye etiketliyor.

Ne çıktı?

Galaksi düzleminin 150 parsek altı ve üstünde kalan katmanda üç durumun kütle payları birbirine yakın çıktı:

Değerler arXiv'deki makaleden. Kararsız gaz rastgele dağılmamış; soğuk bulutların çevresini kılıf gibi saran tutarlı katmanlar oluşturuyor. Düzlemden yaklaşık 100 parseğe kadar en büyük bileşen bu kararsız gaz; yukarı çıkıldıkça gaz seyrekleşip ısınıyor ve 150 parsekten sonra ılık gaz baskın hale geliyor.

Shelest, Quanta Magazine'e sonucu ilk gördüğünde kendi hesabından şüphelendiğini anlattı: "Yanıldığımı düşündüm. Danışmanına gidip bu kadar çok kararsız gaz bulduğunu nasıl söylersin?"

Yazarların hesabına göre gaz, soğuk ve ılık durumlar arasında yaklaşık 2,9 ila 6 milyon yılda bir döngü tamamlıyor. Florida Üniversitesi'nden Adam Ginsburg da Quanta'ya, durağan kurama göre iki kararlı durumdan birinde oturması gereken maddeyi bir şeyin karıştırdığını ve durum değiştirmeye zorladığını söyledi. Makale bu karıştırmayı türbülansa bağlıyor; San Diego Eyalet Üniversitesi'nden Anna Rosen ise Quanta'ya, yıldızların çevrelerine verdiği enerjinin gazı ısıtıp ittiğini ve yıldız oluşumunu bu yüzden verimsiz kıldığını hatırlattı.

Yıldız oluşumu için anlamı

Makalenin ikinci bulgusu yıldız oluşumu kuramlarını ilgilendiriyor. Soğuk gazın yoğunluk dağılımı beklenenden dar; bu da soğuk bulutların içinde ses hızını pek aşmayan, görece sakin hareketlere işaret ediyor. Yaygın modeller ise soğuk gazı ses hızının çok üstünde çalkalanan tek başına bir ortam sayıyor. Yazarlara göre soğuk rezervuar yalnız bir sistem değil, daha büyük ve çok durumlu bir akışın parçası; modellerin buna göre yeniden değerlendirilmesi gerekiyor.

Sınırlar ve itirazlar

Çalışma henüz hakem değerlendirmesinden geçmedi; arXiv notuna göre Nature Astronomy'de inceleniyor. Quanta'nın aktardığına göre UC Berkeley'den Christopher McKee, soğuk ve ılık bölgelerin haritanın ayırt edemeyeceği kadar iç içe olması durumunda kararsız payın olduğundan büyük görünebileceğini söyledi. Stanford'dan Philipp Frank da harita üretiminde kullanılan ortalama alma yönteminin keskin yoğunluk geçişlerini yumuşatabileceği uyarısında bulundu.

Yazarlar bu riski makalede kendileri de kabul ediyor. Farklı bir toz haritası ve farklı ısıl-kimyasal modellerle tekrarlanan analizde kararsız pay yaklaşık 5 puan oynadı. Kararsız payı 21 santimetre ölçümlerinin verdiği yüzde 24'e indirseler bile döngü süresi yaklaşık 6 milyon yıla çıkıyor, tablo değişmiyor. Sonuçlar yalnız Güneş'in yakın çevresi için geçerli; sarmal kollara ya da galaksinin iç bölgelerine taşınamaz.

Sırada ne var?

Asıl sınav çözünürlük olacak. Toz haritaları inceldikçe, bugün kararsız diye etiketlenen kılıfların ne kadarının gerçekten geçiş halindeki gaz, ne kadarının çözülemeyen küçük soğuk bulutçuklar olduğu netleşecek. Eğer yüzde 41'e yakın bir pay korunursa, yıldızların arasındaki "boşluk" ders kitaplarındaki durağan iki katlı yapı yerine sürekli ısınıp soğuyan bir ortam olarak anlatılacak.

Fotoğraf: © ESA/Gaia/DPAC;, CC BY-SA 3.0 igo, Wikimedia Commons