Dış Uzay Tüm Yazılar

Yıldızların Ölümü 1: Kara Cüce

Fransız bilim insanı Lavoisier’in, karısıyla beraber giyotine gönderilmeden önce keşfettiği ünlü enerjinin korunumu yasası; “hiçbirşey yoktan var, vardan yok edilemez” der. Ak bıyıklı dehamız Einstein ise bunu geliştirir; “enerji ve madde aynı şeydir, birbirlerinin farklı görünümlerinden ibarettir” diye ekleme yapar. Buradan şu çıkar; bir cisim tüm kütlesi enerjiye dönüşse bile sonsuza kadar enerji üretemez. Önünde sonunda enerji üretmesini sağlayan mekanizma duracaktır.

Hayatta herhangi bir gayesi olmayan meteorlar ve gezegenler pratikte sınırsız bir ömre sahiptirler. Nasıl varolmuşlarsa, öyle yaşar giderler. Ancak yıldızlar için bu geçerli değildir. Bir yıldızı yıldız yapan şey, onun enerji üretip ışımasıdır. Enerji üretemez hale geldiğinde söner, kendini var eden dinamikler altında ezilir, başkalaşım geçirir ve yok olur. Bir yıldız enerji üretmeyi kestiğinde artık ondan geride kalan şeye yıldız diyemeyiz. Peki ne deriz?

Bir yıldızın yaşam süresi ve ölümü, hayata hangi kütlede başladığıyla sıkı sıkıya bağıntı içindedir. Kabaca şöyle diyebiliriz; “yıldızın kütlesi ne kadar küçük ise o kadar uzun ömürlüdür. Ne kadar büyük kütleye sahipse, o kadar çabuk ölür.” Yıldızın parlamaya başladığı kütle; sağlıklı bir biçimde enerji üreterek dengede kalacağı anakol evresi denilen evrenin uzunluğunu belirler. Güneş kütlesinde bir yıldızsanız, çekirdeğinizdeki hidrojeni tüketmek için yaklaşık 10 milyar yıllık bir süreniz var demektir. Eğer Güneş’in 1.5 katı kütleniz varsa, yakıtınız daha bol olmasına rağmen 2 milyar yıl içinde tüm hidrojeninizi tüketirsiniz.

Bunun nedeni, kütleniz büyükdükçe çekirdeğinizdeki basıncın artmasıdır. Basınç ne kadar yüksek ise, o kadar fazla hidrojen atomu nükleer reaksiyona girer. Ayrıca çekirdeğinizin çapı da büyüktür. Bu da zaten daha hızlı yaktığınız hidrojeni çok daha bol kullanacağınız anlamına gelir. Sonuç? Çok daha fazla enerji üretir, çok daha kısa yaşarsınız.

Sirius_A_and_B_artwork

Yakınımızdaki Sirius yıldızı Güneş’in sadece 2 katı kütleye sahip olmasına rağmen 25 kat daha fazla enerji yayar. Ancak toplam ömrü Güneş’in onda birinden kısa, yalnızca 500-600 milyon yıl kadar olacaktır.

 

Güneş’in 1,5 katı kütleye sahip bir yıldızın ürettiği enerji Güneş’in 1,5 katı değil, yaklaşık 7 katıdır. Kütleniz Güneş’in 4 katı ise, 180 kat fazla enerji üretirsiniz. 10 katı ise, 20 bin kat fazla ışıma gücünüz var demektir.

Benzer biçimde, eğer kütleniz Güneş’in %80’i kadarsa Güneş’in sadece %35’i kadar enerji üretebilirsiniz. Güneş’in yarısı kadar iseniz ürettiğiniz enerji Güneş’in %5’idir. Çeyrek Güneş kütlesine sahip bir yıldız iseniz, Güneş’in yaydığı enerjinin sadece %1’ini yayabilirsiniz.

Bu konu hakkında daha fazla bilgi almak için “yıldızları anlamak” yazı dizimize bakabilirsiniz. Biz şimdi belli kütle değerlerine sahip yıldızların yakıtları tükendiğinde neler olur, ona bakalım:

Cüce Yıldızlar:

Bir kırmızı cüce yıldızın ömrü çok uzundur. Güneş’in %60’ı kütleye sahip olanları 70 milyar yıl yaşarken, %40’ı kadar kütleye sahip olanları 160 milyar yıl, %10 ve daha küçük kütlesinde olanları 1 trilyon yıl ömre sahiptir. Bu sürelerin, sadece 10 milyar yıllık toplam ömre sahip Güneş gibi yıldızlara göre muazzam ölçülerde fazla olduğu görülebilir.

Cüce yıldızların çekirdeklerindeki nükleer füzyon gerçekleşen bölge küçük ve buradaki basınç daha büyük yıldızlara oranla düşüktür. Bu bölgede nükleer reaksiyon çok yavaş gerçekleşir. Yakıtlarını çok idareli kullanırlar. Bu da yıldızın son derece az enerji üretmesine neden olur. Olabilecek en küçük kırmızı cüce yıldızın yüzey sıcaklığı 2.300 santigrat derece kadar iken, iri bir kırmızı cüce yıldız 3.600 santigrat derecelik yüzey sıcaklığına sahip olabilir. Kıyaslama yapmanız için söyleyelim; Güneş’in yüzey sıcaklığı yaklaşık 5.500 derecedir.

5651-nature-lamp-800x600

Kırmızı cüceler astronomi yayınlarında “kırmızı” renk ile gösterilip öyle isimlendiriliyor olsalar da, yaydıkları ışık evlerimizde kullandığımız edison tipi ampullerin ışığı ile hemen hemen aynı renktedir. Burada astronomların kastettiği “kırmızı”, ışığın tayf üzerindeki yerini ifade eder.

 

Evrenin 13,8 milyar yıllık yaşı ve cüce yıldızların uzun ömürleri düşünüldüğünde, henüz hiçbir kırmızı cüce yıldızın ölümüne şahit olamadığımız gerçeği ile yüzleşiyoruz. Ancak, yaptığımız hesaplar gösteriyor ki, bir kırmızı cüce yıldızın yakıtı bittiğinde gerçekleşecek olan şey; yıldızın yavaşça soğuyarak gözden kaybolması.

970939_297464793733340_969347766_n

Güneş’in yaklaşık %15’i kadar kütleye sahip küçük bir kırmızı cüce yıldızın Güneş ve Jüpiter gezegeni ile boyut karşılaştırması. Bu yıldız Jüpiter’den sadece 2 kat büyük çapa sahip olmasına rağmen, kütlesi (ağırlığı) yaklaşık 100 kat daha fazladır.

 

Kırmızı cüce yıldızların kütleleri çok düşüktür. Bu düşük kütle nedeniyle yıldız enerji üretmeyi kestiğinde, yani çekirdeğindeki nükleer reaksiyona girebilecek hidrojen tükendiğinde, hidrostatik dengesini kaybeder ve çökmeye başlar. Ancak, kütlesi çok fazla sıkışmak için yeterli kütleçekimini üretebilecek kadar büyük olmadığından, bu sıkışma bir süre sonra durur. Yıldızın, hidrojen reaksiyonu sonucu yüzmilyarlarca yıl boyunca açığa çıkan ve çekirdeğinde biriken helyumu yakabilmesi için daha fazla sıkışması, çekirdek basıncının ve sıcaklığının 100 milyon santigrat dereceye kadar artması gerekir. Fakat belirttiğimiz gibi cüce yıldızların kütlesi bunu sağlayabilecek kadar yeterli değildir. Dolayısıyla çekirdeğindeki helyumu asla ateşleyemez ve yıldızda enerji üretimi bir daha başlamamak üzere sona erer.

Bu durumun bir istisnası olabilir tabi. Eğer cüce yıldızımız metal bakımından zengin ve yeterince büyük kütleye sahipse, çekirdeğinde birikmiş olan helyum’u ateşleyebilecek sıkışma oranına ve çekirdek sıcaklığına ulaşabilir. Yarı Güneş kütlesine sahip cüce yıldızlar az da olsa bu şansa sahiptir. Ancak çoğu için süreç aşağıda anlatacağımız biçimde işler:

mr_2995_3

Cüce yıldızlar, çekirdeklerindeki helyumu yakabilecek kadar büyük kütleye sahip değildirler. Hidrojen bittiğinde, enerji üretimi de biter.

 

Bundan sonra olabilececek tek şey, sıcaklığı nedeniyle hala parlak olan yıldızın çok yavaş biçimde, milyarlarca yıl boyunca soğuması ve yavaşça gözden kaybolmasıdır. Özetle, kırmızı cüceler öldükten sonra “kara cüce” yahut “siyah cüce” (Black Dwarf) ismi verilen (daha doğrusu milyarlarca yıl sonra verilecek olan) cisimlere dönüşürler.

Bir kara cüce, başlangıçta binlerce derecelik bir gaz topundan ibarettir ve hala büyük çoğunluğunu hidrojen gazı meydana getirir. Bu kızgın hidrojen ve çekirdekteki helyum, enerji üretimi durduğu için kütleçekimini dengeleyecek güçten mahrumdur ve çekirdekten başlayarak kütlesinin büyük kısmı oldukça yoğun biçimde, neredeyse bir beyaz cüce kadar sıkışır. Yüzeyinde sadece birkaç yüz km kalınlığa sahip olan “atmosferi” dışında katı bir özellik kazanır. Güneş’in yarı kütlesi civarındaki kırmızı cücelerin nihai kaderi, yüzeyi birkaç bin derece sıcaklığa sahip “soğuk sahte bir beyaz cüce”ye dönüşmektir.

Ancak, ölen kırmızı cücenin kütlesi yeterince yüksek değilse, yıldızın yüzeyi ve oldukça kalın olan binlerce km derinliğe sahip dış zarfı hala akışkan plazma özelliğini korur. Çoğu kırmızı cücenin kütlesi oldukça düşük olduğu için, bu sıkışma yıldızın dış kısımlarında beyaz cüce gibi katı bir cisim özelliği gösterebileceği seviyeye ulaşamaz.

Kara cüce, 10 milyar yılı aşacak olan soğuma süreci sonunda, çekirdeği hala çok sıcak ve çok yoğun, fakat yüzeyi daha az yoğunlukta soğuk gazlardan oluşan bir yapıya bürünür. Hatta şunu diyebiliriz ki, bir kara cücenin gerçekte “kahverengi cüce” denilen yıldızlardan “geçmişteki görkemli günleri haricinde” tek farkı sadece daha ağır olmasıdır. Bu sırada soğumakta olan yıldız çevresine eskisi kadar olmasa da giderek azalan biçimde enerji yaymayı sürdürür.

2MASS2139_ArtByJonLomberg

Kara cücemiz, tümüyle soğuyup kararana kadar bir kahverengi cüce gibi ışıldamaya devam eder.

 

Onlarca milyar yıl geçtikten sonra yüzeyi iyice soğuyan kara cücemiz artık ne bir yıldız, ne bir kahverengi cücedir. O artık bir gaz devi gezegen gibi davranmaya başlar. Hala sıcak olan çekirdeğinden yayılan ısı yüzeyinde “artık atmosfer diyebileceğimiz bölgede” hava olaylarının gerçekleşmesine neden olur. Basit ifadesiyle, yıldızımız artık jüpiter benzeri (tabi çok daha ağır) bir gezegen gibi davranmaya başlar. Kara cüceyi kızılötesi dalga boyunda incelediğimizde hala çok az da olsa enerji yaydığını görebiliriz.

Yüzlerce milyar yıl sonra kara cücenin çekirdeği de artık tümüyle soğumuştur. Atmosferindeki hava hareketleri de çekirdekten gelen enerji kesildiği için son bulur ve termodinamik açıdan tümüyle ölür. Yıldız artık çevresine hiç enerji yaymaz hale gelir. Bu haliyle işe yaramaz soğuk bir hidrojen-helyum kütlesinden başka birşey değildir.

Ancak, kara cücelerin ikinci bir hayat yaşayabilme şansları her zaman vardır. Yıldız kendi kütlesi dahilinde artık enerji üretemeyecek hale gelmişse de, başka bir kara cüce yıldızla -parçalanmayacak biçimde- çarpışabilirse, bu iki kara cüce birleşerek kalan hidrojenlerini yakacak daha büyük kütleye erişip; yeni genç bir yıldız gibi parlamaya başlayabilir. Birleşen kara cücelerin kütlesine bağlı olarak bu yeni yıldız eskiden olduğu gibi bir M sınıfı kırmızı cüce olabileceği gibi, K  sınıfı bir turuncu cüce ve G sınıfı Güneş benzeri bir sarı cüce de olabilir. Böylece kara cücenin eski yıldız günlerinden kalma ve çevresinde hala dolanan, ancak iyice donmuş gezegenlerine bahar tekrar gelir.

Merge_Horizontal00500_print

Burada belirtelim ki, tekrar bir yıldıza dönüşme şansı sadece kara cüceler ve kısmen beyaz cüceler içindir. Daha büyük yıldızların ölmüş artıkları olan nötron yıldızları ve karadelikler için yeniden hayata dönme şansı yoktur.

Kara cüceye dönüşme kaderi, K tayf sınıfı anakol yıldızları olan turuncu cüce yıldızların bir kısmı için de geçerlidir. Güneş’in %85’i ile %61’i arasında kütleye sahip bu yıldızların en düşük kütleli olanları yakıtları bittikten sonra kırmızı cüceler gibi yavaşça soğuyarak gözden kaybolurlar. Daha büyük kütleli olanları ise başka bir son bekler. Yazı dizimizin bir sonraki bölümünde bunu ele alacağız.

Zafer Emecan

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yazar Hakkında

Zafer Emecan

Bir astronomi işçisi. Kozmik Anafor’un kurucusu, her şeyi ve hiçbir şeyi. Alakasız üniversiteler bitirmiş olmasına rağmen, içinden atamadığı gökbilim sevgisini kaleme, klavyeye, araştırmalara dökmeye çalışan, haddini bilen, ama bazen aşan amatör bir bilimci.