Ne Kadar Sıcak Olabilir? Evren'in Zirve Sıcaklıkları

Evren'deki en yüksek sıcaklık arayışı, teorik fiziğin sınırları ile deneysel laboratuvar başarılarını kesiştiren önemli bir konudur. Sıcaklık, bir parçacık topluluğunun ortalama enerjisinin bir ölçüsüdür. Mutlak sıfır (mutlak en soğuk sıcaklık) bir alt sınırdır fakat herhangi bir sonlu işlem dizisiyle ulaşılamaz olup Evren'de bir üst sınırın olup olmadığına yönelik soru, bilim insanlarını meşgul etmektedir.

En yüksek sıcaklıkları incelerken hem laboratuvar ortamında yapay olarak oluşturulan rekorlara hem de doğada meydana gelen en şiddetli kozmik olaylara bakmak gerekir.

Laboratuvar Rekoru: Kuark-Gluon Plazması

Dünya üzerinde insanlar tarafından oluşturulan en yüksek sıcaklık, New York merkezli Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda (İng: "brookhaven national laboratory) bulunan Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) adlı parçacık çarpıştırıcısında elde edilmiştir. Daha sonra Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi ya da kısaca CERN'de Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) üzerine kurulu dört ana dedektörden biri olan A Large Ion Collider Experiment (ALICE)'de, yapılan basın açıklamalarına göre ~5,5×10¹² K'ye ulaşıldığı duyuruldu ancak bu, kesin olarak kanıtlanmadı.

RHIC parçacık çarpıştırıcısında yapılan deneyde bilim insanları, neredeyse ışık hızında hareket eden altın iyonlarını çarpıştırarak kaydedilen en yüksek yapay sıcaklık rekorunu kırmışlardır. Oluşturulan maddenin sıcaklığı 4 trilyon Kelvin olarak ölçülmüştür. Bu sıcaklık kabaca 7,2 trilyon Fahrenheit'e eşittir.

Bu rekor sıcaklık inanılmaz derecede yüksektir. Ne kadar yüksek bir sıcaklık olduğunu anlamak için şu şekilde karşılaştırmalar yapabiliriz:

• Güneş'in yüzeyinden 700.000.000 kat daha sıcaktır.

• Güneş'in merkezinden ise 250.000 kat daha sıcaktır.

RHIC parçacık çarpıştırıcısında gerçekleştirilen çarpışmalar, altın çekirdeklerinin içindeki nötronların ve protonların "erimesine" neden olmuş, böylece temel kuarklar ve gluonlar serbest kalmıştır. Ortaya çıkan bu aşırı yoğun ve sıcak maddeye kuark-gluon plazması adı verilmektedir. RHIC bu plazmayı yaratarak Büyük Patlama'dan sonraki ilk mikrosaniyelerde doğada var olan koşulları yeniden oluşturmayı amaçlamıştır.

Bu kuark-gluon çorbası yalnızca son derece kısa bir an için var olmuştur, yaklaşık 10 femtometre ($10⁻¹⁴$ metre) çapında bir bölgede oluşmuş ve ortalama $10⁻²³$ saniye kadar yaşamıştır. Bilim insanlarının ilgisini çeken şey, bu maddenin plazma veya gazdan çok sıvıya benzer davranmasıdır. İlginç bir şekilde, bu sıvı benzeri davranış, termometrenin zıt ucunda, yani mutlak sıfıra yakın sıcaklıklardaki atom örneklerinde de gözlemlenmiştir.

Evrensel Üst Sınır: Planck Sıcaklığı

Evrende teorik olarak tanımlanabilen bir maksimum sıcaklık sınırı vardır, bu sınıra Planck sıcaklığı denir. Planck sıcaklığı, $10³²$ Kelvin olarak ifade edilir. Bu sıcaklık yaklaşık 1.4x10³² Kelvin'dir. Bu değerin ötesinde mevcut fizik teorilerimiz anlamını kaybetmektedir.

Şu anda Evren'de hiçbir şey bu sıcaklığa yaklaşmamaktadır ancak bu sıcaklığın, Evren'in şafağında, Büyük Patlama'dan hemen sonraki ilk Planck zaman birimi içinde, Evren'in gözlemlenebilir kısmında hüküm sürdüğü düşünülmektedir.

Planck sıcaklığından daha sıcak bir durum, uzay ve zamanın kuantum yer çekimi etkileri nedeniyle parçalanmaya başladığı sınır olarak kabul edilir. Bu sınıra ulaşılmış olsaydı eğer, elektromanyetizma ve nükleer kuvvetler gibi temel kuvvetlerin yer çekimi kuvvetiyle birleşebileceği öne sürülmektedir. Fakat bunun henüz doğrulanmamış bir kuramsal tahmin olduğunu belirtmek gerekir.

Doğal Kozmik Olaylar

Doğal Evren'de meydana gelen en şiddetli ve enerjik olaylar da son derece yüksek sıcaklıklara işaret eder. Bu duruma Gama Işını Patlamaları'nı örnek vermek yerinde olacaktır.

Gama Işını Patlamaları (GRB'ler), Evren'de meydana gelen en şiddetli patlamalar olarak kabul edilir ve bazıları 10 saniyede Güneş'in 10 milyar yıllık ömründe yayacağı enerjiyi serbest bırakabilir. Bu patlamaların çok kısa sürmesi, kaynağın çok küçük bir bölgede yoğunlaşması gerektiğini göstermektedir.

Bir olay veya nesne hakkındaki bilgilerin çoğu, yaydığı radyasyonu tespit ederek elde edilir ve bu radyasyon termal (ısıdan kaynaklanan) bir sürecin sonucu olabilir; yani, nesneler sıcak oldukları ve soğumaya çalıştıkları için radyasyon yayar. Radyasyonun dalga boyu ve toplam enerjisi, esas olarak nesnenin sıcaklığına bağlıdır. Bu ilişkiyi kullanarak bilim insanları, termal kara cisim radyasyonunun gama ışınları dalga boyunda zirve yapması için kaynağın ne kadar sıcak olması gerektiğini hesaplamaktadır. Bu hesaplama, GRB'lerden gelen gama ışınlarının termal yapıda olup olmadığı konusunda çıkarımlar yapılmasına olanak tanır.

Gama Işını Patlamaları'nın yanı sıra Evren'deki bilinen diğer yüksek sıcaklıklar şunlardır:

• Güneşimizin çekirdeği yaklaşık 15 milyon Kelvin sıcaklığa ulaşır.
• Çok büyük yıldızların çekirdek sıcaklıkları 500 milyon Kelvin’in üzerine çıkabilir.
• Büyük bir yıldız süpernova olarak patlamadan hemen önce, çekirdeği içe çökme sürecinde 100 milyar Kelvin’in üzerindeki sıcaklıklara ulaşabilir.

Kuazar 3C 273'ün çekirdeğinde gerçekleştirilen VLBI gözlemleri, temel olarak radyo dalgaları açısından "parlaklık sıcaklığı"nın 10³² Kelvin'i aştığını ortaya koymaktadır. Fakat bu durum, gerçekte maddenin o kadar sıcak olduğunu ifade etmez. Çünkü parlaklık sıcaklığı, kuazar jetinin aşırı yoğun radyasyonunu tanımlamak adına kullanılan bir ölçüdür.

Sonuç

Evren'de “en sıcak şey” tanımı, nerede ve ne zaman baktığımıza bağlı olarak değişiklik gösterir. Teorik olarak tanımlanabilen en yüksek sıcaklık ölçeği Planck sıcaklığıdır (~10³² K); bu, fizik yasalarının tanımlı kalabildiği son noktayı temsil eder ve Büyük Patlama’dan hemen sonraki ilk Planck zamanı ($10⁻⁴³s$) civarında hüküm sürdüğü düşünülür. Laboratuvar ortamında elde edilen en yüksek sıcaklık ise RHIC ve LHC deneylerinde üretilen kuark-gluon plazmasında gözlenmiştir; bu madde yaklaşık 4–5,5 trilyon Kelvin sıcaklığa ulaşarak Evren’in ilk mikro saniyelerindeki koşulları yeniden oluşturmuştur. Doğada ise Gama Işını Patlamaları gibi son derece enerjik kozmik olaylar, doğrudan termal ölçümler olmasa da evrende gözlenen en şiddetli enerji salınımlarını ve dolayısıyla en aşırı fiziksel koşulları temsil eder.