Işık Hızına %99 Oranında Yaklaşabiliriz! Peki Nasıl?

Yaklaşık yüz yıl önce, 29 Mayıs 1919'da bir güneş tutulması sırasında yapılan ölçümler, Einstein’ın genel görelilik teorisini doğruladı. Bundan daha önce ise Einstein, ışığı anlama biçimimizi kökten değiştiren özel görelilik teorisini geliştirmişti. Bu teori günümüzde bile parçacıkların uzayda nasıl hareket ettiğini anlamamıza rehberlik ediyor ki bu da uzay araçlarını ve astronotları radyasyondan korumak için hayati bir araştırma alanı.

Özel görelilik teorisi, ışık parçacıklarının, yani fotonların boşlukta saatte yaklaşık 1.079.252.848 km gibi sabit bir hızla yol aldığını gösterdi. Bu hız, ulaşılması son derece zor ve de bu ortamda aşılması imkânsız bir hızdır. Ancak uzayın her yerinde, kara deliklerden Dünya’ya yakın çevrelere kadar parçacıklar gerçekten inanılmaz hızlara çıkmaktadır; bazıları ışık hızının %99,9’una kadar ulaşmaktadır.

NASA’nın görevlerinden biri, bu parçacıkların nasıl bu kadar hızlanabildiğini daha iyi anlamaktır. Bu süper hızlı, yani göreli parçacıkları incelemek, Güneş Sistemi’ni keşfetmeye yönelik görevleri ve Ay’a yapılan yolculukları daha güvenli hale getirebilir, ayrıca uzaydaki yakın bölgeler hakkında daha fazla bilgi edinmemizi sağlayabilir: Işık hızına yakın hızda yol alan bir parçacık, uzay aracındaki elektronik sistemleri bozabilir ve aynı anda çok fazla parçacık, Ay’a veya daha uzaklara seyahat eden astronotlar üzerinde olumsuz radyasyon etkilerine yol açabilir.

Bu hızlanmanın gerçekleştiği üç yol bulunmaktadır. Gelin bunları teker teker inceleyelim.

Elektromanyetik Alanlar

Parçacıkları göreli hızlara çıkaran süreçlerin çoğu, elektromanyetik alanlar ile çalışır. Yani mıknatısların buzdolabınıza yapışmasını sağlayan kuvvetten yararlanırlar. Elektrik alanlar ve manyetik alanlar, aynı madalyonun iki yüzü gibi birlikte çalışarak parçacıkları evren boyunca ışık hızına yakın hızlarla savurur.

Özünde, elektromanyetik alanlar yüklü parçacıkları hızlandırır çünkü bu parçacıklar, elektromanyetik alan içinde bir kuvvete maruz kalır ve bu kuvvet onları ileri doğru iter. Bu durum, kütleli cisimlerin kütleçekimi tarafından çekilmesine benzer. Uygun koşullarda, elektromanyetik alanlar parçacıkları ışık hızına çok yakın hızlara çıkarabilir.

Dünya’da ise elektrik alanlar, daha küçük ölçeklerde parçacıkları hızlandırmak için laboratuvar ortamlarında kullanılır. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ve Fermilab gibi parçacık hızlandırıcılar, yüklü parçacıkları ışık hızının %99,99999896'sına kadar hızlandırmak için darbeli elektromanyetik alanlar kullanır.

Bu kadar yüksek hızlara ulaşan parçacıklar çarpıştırılarak, muazzam miktarda enerji açığa çıkaran çarpışmalar elde edilir. Bu sayede bilim insanları temel parçacıkları araştırabilir ve Büyük Patlama’dan hemen sonraki anlarda evrenin neye benzediğini daha iyi anlayabilir.

Manyetik Alanlar

Manyetik alanlar uzayın her yerindedir. Dünya’yı çevreler, Güneş Sistemi boyunca uzanırlar. Bu alanlar, uzayda hareket eden yüklü parçacıkları yönlendirir; parçacıklar bu alanların etrafında spiral şeklinde döner.

Farklı manyetik alanlar birbiriyle karşılaştığında, birbirine karışabilir. Manyetik alan çizgileri arasındaki gerilim çok arttığında, çizgiler ani bir şekilde kopar ve farklı bir düzene geçer. Bu sürece manyetik yeniden bağlanma (İng: "magnetic reconnection") denir. Bir bölgede manyetik alanın bu kadar hızlı değişmesi elektrik alanlar oluşturur ve bu da çevredeki tüm yüklü parçacıkların yüksek hızlarla fırlamasına neden olur.

Bilim insanları, manyetik yeniden bağlanmanın parçacıkları (örneğin Güneş’ten sürekli gelen yüklü parçacık akışı olan güneş rüzgarını) göreli hızlara ulaştıran mekanizmalardan biri olduğunu düşünüyor.

Bu hızlı parçacıklar, gezegenlerin yakınında çeşitli yan etkiler de yaratır. Manyetik yeniden bağlanma, Güneş’in manyetik alanının Dünya’nın manyetosferi (koruyucu manyetik alanı) ile etkileştiği bölgelerde gerçekleşir. Eğer bu olay, Güneş’e uzak tarafta, yani Dünya’nın o anda gece yaşayan tarafında gerçekleşirse parçacıklar Dünya’nın üst atmosferine doğru fırlatılır ve kutup ışıkları (auroralar) olarak bildiğimiz görsel şölen oluşur.

Manyetik yeniden bağlanmanın, Jüpiter ve Satürn gibi diğer gezegenlerin çevresinde de gerçekleştiği düşünülmektedir. NASA'nın Manyetosferik Çok Ölçekli görevinin uzay aracı takımı, manyetik yeniden bağlanmanın tüm yönlerini anlamaya odaklanmak için tasarlanmıştır. Dört özdeş uzay aracı birlikte hareket ederek Dünya etrafında uçarak bu yeniden bağlantı olaylarını anlık olarak yakalamaya çalışır. Elde edilen verilerin analizi, bilim insanlarının sadece Dünya çevresinde değil tüm evrende parçacıkların göreli hızlara nasıl ulaştığını anlamalarına yardımcı olur.

Dalga-Parçacık Etkileşimleri

Uzayın büyük bir kısmı plazma adı verilen, yüklü parçacıklardan oluşan bir maddeyle doludur. Bu plazmalar içinde, elektromanyetik dalgalar sürekli olarak hareket eder. Bazen bu dalgalar, tıpkı bir sörfçünün bir dalgayı yakalayıp hızlanması gibi içindeki parçacıklarla etkileşime girerek onlara enerji aktarır.

Bu süreçte, parçacıklar, dalgaların enerjisini "yakalayarak" enerji kazanır ve ışık hızına yakın hızlara ulaşabilir.

Bu türden bir hızlanma, özellikle Dünya’nın çevresindeki Van Allen radyasyon kuşaklarında görülür. Bu kuşaklar, Dünya’nın manyetik alanı tarafından yakalanmış yüksek enerjili parçacıklarla doludur. Bu bölgelerdeki dalga-parçacık etkileşimleri, parçacıkları hızlandırarak uydular için potansiyel bir tehdit oluşturabilir.

NASA bu süreci daha iyi anlamak için birçok uydu görevi yürütmektedir. Bu görevler sayesinde bilim insanları; hangi tür dalgaların parçacıkları nasıl etkilediğini, hangi koşullarda bu etkileşimin daha güçlü olduğunu ve bu tür parçacıkların uzay görevleri üzerindeki etkilerini daha iyi analiz edebilmektedir.