Evrende gerçekleşen fiziksel olayların çoğu klasik fizikle açıklanabilmektedir. Ay’a yollanacak bir roket veya bir uydunun konumlandırılması için Isaac Newton’un miras bıraktığı klasik mekanik bilgileri yeterli olmaktadır. Ancak, evrende çok büyük miktarda enerjiye, kütleye ve güçlü manyetik alanlara sahip karadelikler ve nötron yıldızları gibi gökcisimleri bulunmaktadır ve bu gökcisimlerinin doğasını anlamak için klasik fizik yeterli değildir. Bunun için bakış açımızı olabildiğince küçültmeli, öncelikle atomaltı parçacıkların doğasını anlamalıyız. Atomaltı parçacıklar üstüne çalışarak evrendeki nesneleri ve olayları açıklamaya çalışan, fiziğin alt kolu olan bilim dalına astroparçacık fiziği denir. Bu alanda yapılan ve yapılacak çalışmalar fizik bilimi için yeni bir dönem başlatabilir. Bu yazımızda Standart Model’den bahsedip Büyük Patlama sırasında gerçekleşen olayların atomaltı boyutlarda nasıl açıklandığına değineceğiz.
Bilim insanları evrendeki her olguyu anlayabilmek için bilinen tüm kuramları simetrik olarak birleştirmeye yönelik yeni bir kuram oluşturmak üzere çalışıyorlar. Bu çalışmalarda gelinen en son nokta Standart Model’dir. Standart Model’e göre, evren farklı özelliklere sahip parçacıklardan ve dört temel kuvvetten oluşur. Maddeyi oluşturan parçacıklar kuark ve lepton grubu parçacıklarıdır. Kuark grubundaki parçacıklar ortak özelliklerine göre ikili gruplar oluşturacak şekilde ayrılır. Bu grupların her biri “jenerasyon” olarak adlandırılır. Birinci jenerasyondaki parçacıklar en hafif ve kararlı parçacıklardır. İkinci ve üçüncü jenerasyon grupları da daha ağır ve daha kararsız olacak şekilde sıralanır. Dünya üzerindeki her madde ve evrendeki durgun maddeler birinci jenerasyon parçacıklardan oluşmuştur. Atomda bulunan elektron birinci jenerasyon bir parçacıktır ve birinci jenerasyonda bulunan yukarı ve aşağı kuarklar proton ve nötronu oluşturur. Daha ağır ve kararsız parçacıklar hızla kararlı ve hafif parçacıklara bozunur.
Kuarklar ayrıca 3 farklı “renk” adı verilen gruplara ayrılırlar ve farklı renkten kuarklar “renksizlik” oluşturmak üzere bir araya gelir. Çekici ve garip kuark ikinci jenerasyonu, alt ve üst kuarklar ise üçüncü jenerasyonu oluşturur. Lepton grubu ise kuark grubunda olduğu gibi 3 jenerasyon olarak gruba ayrılır. Elektron, muon, tau parçacıkları elektrik yüküne ve ölçülebilir bir kütleye sahiptir. Elektron nötrino, müon nötrino ve tau nötrino parçacıkları elektriksel olarak yüksüzdür ve kütleleri çok küçüktür.
Dört temel kuvvet ise güçlü nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve kütleçekimsel kuvvet olarak adlandırılır. Bu kuvvetlerin birbirinden farklı özellikleri ve etki alanları vardır. Örneğin kütleçekimsel kuvvet en zayıf kuvvettir ancak etki alanı sonsuzdur. Güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler iki parçacık arasında çok küçük bir alanda etkilidirler ancak özellikle güçlü nükleer kuvvet diğer tüm kuvvetlerin en güçlüsüdür. 3 temel kuvvet bozon adı verilen kuvvet taşıyıcı parçacıklarla taşınır. Madde parçacıkları aralarında bozon alışverişi yaparak farklı miktarlarda enerji aktarır. Güçlü nükleer kuvvet gluonlarla, elektromanyetik kuvvet fotonlarla, zayıf nükleer kuvvet ise W ve Z bozonları ile taşınır. Kütleçekimsel kuvvet için düşünülen kuvvet parçacığı gravitonlar henüz bulunamadı. Mikro dünyayı açıklayan kuantum kuramı ile özellikle kütleçekim kuvvetini açıklayan Genel Görelilik Kuramı Standart Model’in konseptine göre birleştirilemedi ancak parçacıklar dünyasında çok kısa uzaklıklardan bahsedildiği için kütleçekim kuvveti ihmal edilebilir zayıflıkta, bu sebeple Standart Model şimdiye kadar oldukça işe yarar bir kuramdı. Gelecekte astroparçacık fiziği gibi alanlarda yapılan çalışmalarla Standart Model’in de ötesine geçilmesi bekleniyor.
Evren, Büyük Patlama adı verilen olayla hayal edilemeyecek kadar sıcak ve yoğun bir noktadan doğdu. Büyük Patlama’dan hemen sonrasında 10^(-43) saniye yaşındayken evren kozmik enflasyon adı verilen olayla ışık hızından da hızlı şekilde genişlemeye başladı. Evrenin ilk 3 dakikasında, homojen olmayan Nükleosentez Modeli’ne göre, parçacıklar kuark-gluon plazması olarak serbest hâlde bulunuyordu. Evren genişledikçe ve 10^32 kelvinden 10^9 kelvin sıcaklığına kadar soğudukça plazma faz değiştirdi ve üçlü kuarklar hâlinde proton ve nötronları oluşturacak şekilde birleşti. O sırada nükleer reaksiyonların etkisi az olduğundan proton ve nötron birleşmiş ve standart madde yoğunluğunu arttırmış olabilir ancak hesaplamaların doğru olabilmesi için gereken helyum ve döteryum oranları sebebiyle en eski yıldızların çok fazla lityum-7 elementini ürettiğinin gözlemlenmesi gerekiyor. Bu sebepten ötürü süreç kesin olarak belli olmasa da evrenin ilk üç dakikası sırasında hidrojenin izotopu olan döteryumun oluştuğu sonra döteryumun birleşerek helyumu ve eser miktarda lityum elementini oluşturduğu düşünülüyor.
Fransa Ulusal Uzay Araştırma Merkezine göre evren ilk 380 bin yıl boyunca fotonların oluşması için çok sıcaktı. Bu sıcaklığa sebep olan yüksek miktardaki ısı, ilk üç dakikada oluşmaya başlayan milyarlarca atomdan açığa çıkmıştı. Isı atomları parçaladı ve evren proton, nötron ve elektrondan oluşan yoğun bir plazmaya dönüştü. Aşağı yukarı 380 bin yıldan sonra yoğun plazma, atomların tekrar oluşması için yeterince soğumuştu. Rekombinasyon çağı olarak adlandırılan bu dönem NASA’ya göre evrendeki yegâne şeyin transparan elektriksel olarak nötr olan bir gaz olmasıyla sona erdi. Bu dönemde Büyük Patlama’dan sonra oluşan ışığın dalga boyu genişledi ve evren bizim algılarımıza göre karanlığa gömüldü, çünkü henüz yıldızlar gibi ışık yayan nesneler oluşmamıştı.
Bugün bildiğimize yakın bir evren, Büyük Patlama’dan yaklaşık 400 milyon yıl sonra yeniden iyonlaşma döneminde oluşmaya başladı. Yarım milyar yıl süren bu dönemde gaz atomları birbirleri ile çarpışarak ilk yıldızları ve galaksileri oluşturdu. Yıldızların morötesi ışınları nötr hidrojen atomlarının çoğunu yok etti. Oluşan yeni, yoğun, yüksek miktarda kütleye sahip yıldızlar ve galaksilerin kütleçekimi sebebiyle evrenin genişlemesi yavaş yavaş azalmaya başladı ancak NASA’ya göre büyük patlamadan yaklaşık 5 veya 6 milyar yıl sonra karanlık enerji oluştu ve evrenin genişlemesini tekrar hızlandırdı. Evren yaklaşık dokuz milyar yıl yaşındayken Güneş Sistemi doğdu.
Evrenin oluşum süresi içerisinde henüz cevaplanmamış çok soru var. Gravitonların varlığı, karanlık madde ve karanlık enerjinin doğası ve Standart Model’in sınırlı kaldığı her konuda araştırmalar devam ediyor ve tüm bu gelişmeler bizi evreni tam olarak açıklayacak her şeyin teorisine bir adım daha yaklaştırıyor.
Hazırlayan: Fadime Işık
İTÜ Astronomi Kulübü Üyesi
Kaynaklar
https://www.space.com/52-the-expanding-universe-from-the-big-bang-to-today.html
https://home.cern/science/physics/standard-model
https://www.britannica.com/science/cosmology-astronomy/The-very-early-universe