Elementlerin Kökenleri: Hepimiz Yıldız Tozuyuz; Ama Bu Toz Nereden Geliyor?

Ana görselde gördüğünüz kimyasal elementlerin periyodik tablosu, elementleri simgeleyen harfler ve bir takım fizikokimyasal veya elektrokimyasal özelliklerini gösteren sayıların bulunduğu alışılageldik bir periyodik tablo değil. Bu kez, karelerin içinde elementlerin simgeleri ve altında da bazı harfler gösteriliyor. Bu harfler, elementlerin orijinlerini belirten harfler.

Periyodik tablolara periyodik tablo denmesinin bir nedeni vardır. Kimyasal elementlerin kimi özellikleri birbirlerine benzer, veya daha doğru bir tabirle belli bir trendi takip eder. Örneğin, en bilinen örnekle, atom ağırlığı periyodik tablonun solundan sağına ve yukarında aşağıya doğru artar. Periyodik tabloya bakarak her hangi iki element arasında bir ağırlık karşılaştırması yaptığımızda diğerinin sağında ve/veya altında kalan atom daha ağırdır diyebiliriz. Kimya ile biraz daha ilgiliysek, elementin sadece periyodik tablodaki yerine bakarak, o element çok tutarlı öngörülerde bulunabiliriz. Periyodik tablonun verdiği bu öngörü avantajıyla, normal şartlarda oluşmayacak bileşikleri teorik olarak oluşturabilir, onların tepkimelerini hesaplayabilir; hatta ve hatta Mendeleev’in yaptığı gibi, Germanyum, Skandiyum ve Galyum elementlerini, tüm özellikleriyle birlikte, daha keşfedilmeden öngörebiliriz. Bu bağlamda periyodik tablo, insanlığın icat ettiği ilk bilgisayarlardan biridir.

Görselde, kimyasal elementlerin orijinleri bir periyoda bağlı olamasına rağmen periyodik tabloda gösterilmiştir. Bu çok rastlanan bir gösterim tarzıdır. Örneğin, çeşitli yerlerde elementlerin oda sıcaklığındaki fiziksel halleri de periyodik tablolarda gösterilmektedir. Elementlerin oda sıcaklığındaki fiziksel halleri belli bir trendi takip etse de, birkaç istisna görülmektedir. Benzer şekilde orijinlerin gösterildiği bu tabloda da kabaca bir trend gözükmekte. Sol üst köşeye doğru elementlere yeşil renk verilmiş. Sağ alt köşeye doğru da elementler pembe renge bürünmüş. Yeşil renk verilmiş elementler devasa yıldızların çekirdeklerinde oluşmuşken, pembe renk verilmiş elementler süpernova patlamalarında meydana gelmiştir. Sadece periyodik tabloya bakarak, daha ağır elementlerin süpernovalarda oluştuğu gibi çok da yanlış olmayan bir fikir edinebiliriz.

Periyodik tabloda başka renkler de var. 

Şimdi bu renkleri, daha doğrusu karşılık geldiği orijin hikayelerini kısaca anlatmaya çalışalım. 

Nereden Geldik, Nereye Gidiyoruz?

İnsanlığın en kadim sorularından biri olan “nereden geldik, nereye gidiyoruz?” sorusunun ilk kısmı, insanlığın sorularına, problemlerine yanıt verebilen veya doğru yanıt vermekte en fazla yüzdeye sahip tek araç olan bilim sayesinde artık ikincisi kadar belirsiz değil. En azından bedenimizi, çevremizdeki herşeyi, dünyaları, uyduları ve yıldızları oluşturan atomların nereden geldiğini, ne zaman ve nasıl oluştuğunu biliyoruz. İkincisini de belki yine bilim çözecektir. Kim bilir?

Konuya başlamadan önce, element, atom, çekirdek ve izotop gibi temel kavramları kısaca açıklamak gerekiyor. Elementler aynı cinsi atomdan oluşan ve kimyasal olarak daha basit parçalara ayrılamayan saf maddelerdir. Evrende 94 adet “doğal” yollarla oluşmuş element vardır. İlk 94 elementten sonrası doğal yollarla değil, yapay yollarla laboratuarlarda üretilmiştir. 

Atom, bir elementi oluşturan en küçük özdeş parçadır. Kabaca çekirdek ve etrafında dolanan elektriksel olarak negatif yüklü elektronlardan oluşur. Çekirdek ise elektriksel olarak pozitif yüklü protonlardan ve nötr (yüksüz) nötronlardan oluşur. Proton ve nötronların ağırlıkları birbirine neredeyse yakınken, elektronların ağırlıkları ihmal edilecek kadar azdır. Bu nedenle atom ağırlığı proton ve nötronların ağırlığının toplamı olarak kabul edilir. Atom çekirdeklerindeki proton ve nötron sayıları birbirine eşittir. Ancak bazı atomların çekirdekleri proton sayısından fazla nötron barındırabilir. Bu tip çekirdeklere sahip atomlara izotop denir. Çekirdekte proton sayısının artması onu yeni bir element yaparken; nötron sayısının artması, nötronların yüksüz olma özelliğinden ötürü onu yeni bir element haline getirmez. Bu nedenle izotoplar aynı elementin daha ağır çekirdeklere sahip olan atomudur. Zira nötron sayısı artmıştır. Nötronlar atom ağırlığını belirleyen başlıca atom altı parçacıktır. Diğeri, az önce de belirttiğimiz protondur.

Çekirdek sentezi ise, büyük patlama ortamı gibi, yıldızların çekirdekleri gibi olağanüstü yerlerde ve koşullarda proton ve nötronlardan yeni çekirdek meydana gelmesi demektir. Konumuz büyük oranda çekirdek sentezidir. Çekirdek sentezi, günümüzde nükleer reaktörlerde gerçekleştirilmekte olan çekirdek füzyonu ile karıştırılmamalıdır. Çekirdek füzyonu, hali hazırda iki ya da daha fazla atom çekirdeğinin yeni bir atom çekirdeği oluşturması gibi neredeyse gündelik hale gelmiş bir işlem iken; çekirdek sentezi ayrı ayrı proton ve nötronların yeni bir çekirdek oluşturmasına denir.

Çekirdek sentezleri, elementlerin orijinleriyle doğrudan ilişkilidir. Bu arada, başlamadan belirtelim: Büyük patlamada oluşanlar hariç, diğer elementlerin hikayeleri halen devam etmektedir. Elementler evrenin çeşitli yerlerinde aklımızın alamayacağı miktarlarda oluşmaya devam etmektedir. Biz yine de anlam bütünlüğünü bozmamak adına hepsini geçmiş zaman kiplerinde anlatacağız.

Yapay elementlerin üretimini bu yazımızda ele almayacağız. 94 doğal elementin orijinlerini inceleyeceğiz. Bu elementlerin orijinlerini görseldeki gibi bir kaç başlık altında inceleyebiliriz.

1. Büyük Patlama

Hala devam etmeyen tek çekirdek sentezi büyük patlama ortamında gerçekleşmişir. Birazdan bahsedeceğimiz diğer çekirdek sentezleri, evrende halen devam etmektedir.

Büyük patlamadan sonraki 3. ila 20. dakikaları arasıda gerçekleşen bu “çekirdek sentezinde” elementlerden sadece ilk ikisi, yani hidrojen ve helyum elementleri (ve izotopları) oluşturmuştur. Bunlar aynı zamanda en hafif iki elementtirler. Diğer bütün elementlerin de dolaylı yoldan “büyük annesi” olan bu patlama bugün bildiğimiz evrenin başlangıcı olarak kabul edilir. Patlamadan öncesi hakkında çeşitli bilimsel teoriler olduğu gibi, felsefi ve dini başka açıklamalarda getirilmiştir. Ancak konumuz büyük patlama değildir. Konumuz büyük patlamanın 3. dakikasından itibaren başlamaktadır. 

Büyük patlamanın ilk 20 dakikası, aynı zamanda ufak bir miktarda lityumum stabil bir izotopu olan lityum-7 izotopunu oluşturmuştur. Yine ufak miktarda Berilyum-7 izotopu oluşmuş. Ancak bu izotop kararsız bir izotop olduğundan, lityum-7 ve hidrojen -3 izotoplarına bozunmuştur. Lityum ve berilyum da hidrojen ve helyumdan sonra en hafif iki elementtir. 

Tabloda bu ufak lityum ve berilyum izotoplarının istisnası gösterilmemiştir. Ancak, direkt olarak büyük patlamadan kalan birşeye dokunmak isterseniz, ve helyum veya hidrojen gaz oldukları için veya sudaki hidrojen yüzdece çok az olduğu için umduğunuz hissi vermiyorsa, lityum elementine dokunup, büyük patlamadan kalan bir şeye dokunmuş olma hissini tadabilirsiniz. Doğadaki lityumun bir kısmı büyük patlamadan kalmıştır. Diğer bir kısmı ise birazdan anlatacağımız kozmik ışın parçalanması sonucu ortaya çıkmıştır.

2. Kozmik Işın Parçalanması

Yüksek enerjili kozmik ışınların evrendeki atomlara çarpması ve çekirdeğinden fırlamasına sebep olduğu proton ve nötronlardan yeni bir çekirdek oluşmasıyla lityum, berilyum ve bor elementleri oluşturmuştur. Bunun yanında evrendeki helyum-3 izotopunun neredeyse hepsi bu şekilde oluşmuştur. Ancak helyum-3 izotopu, evrendeki helyumun çok azını oluşturur. 

Kozmik ışınlar sebebiyle bazı az miktarda alüminyum, karbon (özellikle meşhur karbon-14), klor, iyot ve neon izotopları da oluşmuştur. Bu nadir izotopların çekirdeklerine kozmojenik nüklidler denir. Bilim insanları kozmik ışınlar sebebiyle oluşmuş bu kozmik nüklidler ve elementin diğer izotoplarına olan oranından yola çıkarak ilgili dünya kayası veya göktaşı örnekleri üzerinde jeolojik tarihlemeler yapabilirler.  

Görselde bu nadir ve istisnai izotoplar yine gösterilmemiş olup, sadece çok büyük oranda sebep olduğu lityum, berilyum ve bor elementleri mavi renkte etiketlenmiştir. Periyodik tabloda farkedeceğimiz üzere kozmik ışınlar üç elementin meydana gelme sebebi olarak gösterilmektedir ve bu üç elementin atom sayıları sırasıyla 3,4 ve 5’tir. Bahsettiğimiz nadir izotopları da eklemek istersek, 6, 7 ve 8’e kadar gelebiliriz. Ancak daha ileri gidemeyiz. Bu da demek oluyor ki, daha ağır atomlar oluşturmak için, yani daha fazla protonu aynı çekirdekte bir araya getirebilemek için yüksek enerjili kozmik ışınlardan daha fazla enerjiye ihtiyacımız var. Daha fazla proton ve nötronu bir araya getirmek için inanılmaz sıcaklıkların ve basıncın olduğu yerlerin bu iş için uygun olması mantıklı gözüküyor. 

Bu iş hangi fırında yapılabilir? Tabii ki gökyüzündeki büyük nükleer fırınlarda. Böyle deyince belki pek romantik olmuyor ama aslında yıldızlar, romantik bir gecenin şahidi olmaktan çok element çeşitliliğini artmasına neden olan, böylelikle evrene ve dünyaya rengini ve kokusunu veren elementleri üreten nükleer fırınlar olarak daha fazla romantizmi hakediyorlar.

Konumuza orijinleri yıldızlara dayanan elementleri incelemekle devam edelim. 

3. Yıldız ve Süpernova Çekirdek Sentezleri

Periyodik tabloyu incelersek, elementlerin büyük çoğunluğunun yıldız çekirdeklerinde ve süpernova patlamalarında oluştuğunu farkedebiliriz. Periyodik tablonun sağ altı köşesinin neredeyse hepsi pembe renktedir. Bu, bize ağır atomların sadece süpernova patlamalarında oluştuğunu göstermektedir. Atom ağırlıkları azaldıkça yeşil ve sarı renkler de tabloda yerini alır. Bu atomlar ise yıldızlarda oluşmuştur. 

Yıldız ve süpernova çekirdek sentezleri, konunun uzmanlarının dahi zorlandığı bir takım hesapları içeren astrofizik konularıdır. Biz işin kimyasından fazla çıkmadan, fazla detaya inmeden, oluşumun sadece prensiplerini içeren bilgilerle devam etmeyi yeğliyoruz. 

Yıldızlar, kendi kütle-çekim tarafından bir arada duran devasa plazma toplarıdır. Aynı canlıların evrimi gibi, yıldızların da evrimi söz konusudur. İlk yıldızlar, büyük patlamadan sonra ilk iki elementin bir araya gelmesiyle oluşmuştur. Bu yıldızların patlaması, ikinci nesil yıldızları ve etrafında dolanan, daha ağır atomlara sahip gezegenleriyle, uyduları ve diğer küçük gök cisimleriyle beraber yıldız sistemlerini doğurmuştur. Güneş sistemimiz de bunlardan biridir. Yıldızlar çıplak gözle birbirinden ayırt edilemeyecek kadar aynı gözükse de, astrofizikçiler tarafında çeşitli türlere ve sınıflara ayrılmışlardır. Bir yıldızın çapı, rengi, ve parlaklığı ilk bakışta yıldızın yaşı hakkında bir fikir verse de, yıldızdan dünyamıza gelen ışığın spektrum üzerinde analizlenmesiyle beraber onun hakkında daha çok bilgi sahibi olunabilir.

Yıldızların kendi üzerilerine olan kütle çekimi, yıldızların evriminin ve buna bağlı olarak da birazdan bahsedeceğimiz element oluşumunun baş aktörüdür. Yıldızları, balonlara benzetebiliriz. Atmosfer basıncı düştükçe balon içindeki hava kendini atmosfer basıncıyla eşitlemek için kendiliğinden genişleyecektir. Ancak dış basıncı yükselttiğinizde dış basınç balondaki basıncı yenecek ve balonun iç basıncı dış basınca eşit olana dek büzülecektir. Burada bir basınç dengesinden bahsediyoruz. Atmosfer basıncının düşük olduğu irtifalarda balon kendiliğinden iyice şişecek ve elastik yapısı o gerginliğe dayanamayıp patlayacaktır.Yıldızlarda bu denge basınç dengesi değil; çekirdek tepkimeleri sonucu merkezden dışarı genişleme ve kütlesi nedeniyle merkeze doğru çökme dengesidir. Çekirdek tepkimeleri yıldızı genişletmek isterken, kütlesi yıldızı kendi merkezine doğru küçültmek ister. 

Yıldız çekirdeklerindeki basınç ve sıcaklık o denli yüksektir ki, helyum ve hidrojen çekirdekleri birbirine yaklaşır, adeta iç içe girerler. Bu yüksek basınç ve sıcaklık bizim gündelik tecrübelerimizle hayal edemeyeceğimiz kadar fazladır. Ancak yıldızın kendi içindeki bu tuhaf dengesi, çekirdeğinde bütün elementlerin üretilmesine engel olur. Bu sıcaklık ve basınç, ancak demir elementine kadar üretim yapabilir. Çünkü artık yıldızın kendi merkezine çökme kuvveti, daha ağır atom çekirdekleri meydana getirecek kadar güçlü değildir. Genişlemeye yönelik çekirdek basıncı kazanmaya başlamıştır. 

Demirden daha ağır atomlar için başka olağanüstü şartlar gerekir: Süpernova patlamaları.

Süpernova Patlamaları

Süpernovaları, iç ve dış basınç dengesi bozularak patlayan balonlara benzetmeye devam edebiliriz. Yıldızlar da, özellikle büyük kütleli yıldızlar, kendi evrimleri içerisinde, yaşlandıkça, çekirdeğindeki elementler oluşageldikçe, dengesi tamamen bozularak çekirdeklerinden yüzeylerine doğru patlarlar ve içeriklerindeki ağır elementleri uzay boşluğuna dağıtırlar. Görüp görebileceğimiz hiç birşeye benzemeyen süpernova patlamaları, yine astrofizikçiler tarafından, çeşitli özellikleri göz önüne alınarak çeşitli gruplara ayrılmıştır.

Süpernova patlamaları artık, demirden de ağır çekirdeklerin oluşmasını sağlayacak bir ortamı hazırlamıştır. Bir yıldızın süpernova olarak patlamasıyla beraber, artık 94 adet tane doğal element oluşmuştur. Bu ortam bir anlamda doğacak yeni yıldızların beşiğidir. Bu içerikten yıldızlar ve onların etrafında dönecek gök cisimleri meydana gelecektir. 

Bir güneş sisteminde bulunan elementlerin bolluğu ve birbirine oranı, içinde doğduğu bulutun ve o bulutu oluşturan yıldızın içeriğine bağlıdır. Dünyamızdaki ve güneş sistemimizdeki elementlerin bolluğuna bakarak, bizi doğuran ilk yıldızın içeriği hakkında, hatta kardeş güneş sistemlerimiz hakkında bilgi ve fikir edinebiliriz.

Canlılığa Dair Sorular...

Dünya'daki yaşamın karbon kökenli olması acaba karbonun yıldızlarda üretilen en hafif element olması ve buna bağlı olarak bolca bulunup etrafa saçılmış olmasından ötürü mü? Yoksa karbon, milyonlarca farklı bileşik oluşturabilmesi nedeniyle zaten canlı yaşam için tek mantıklı yapı taşı mı? Yine canlılığın olmazsa olmazlarından oksijen ve azot, yine hafif elementler olması nedeniyle güneş sisteminin beşiğine bolca saçılması mı canlılığın ortaya çıkmasında bu kadar önemli? Yoksa oksijen ve azotun yerine başka elementler geçebilir miydi? Sadece oksijen, karbon, azot ve hidrojenin toplamı bedenimizin ağırlıkça yüzde 91’ini oluşturuyor. Bu yüzdenin, bahsi geçen elementlerin hafif olması ve evrende bolca bulunmasıyla bir ilgisi var mı? Atmosferinin çoğunlukla azottan oluştuğu bir dünyada nefes alabiliyor olmamız azot bolluğundan mı? Acaba başka bir elementin baskın olduğu atmosferde yaşayacak şekilde canlılık nereye doğru evrimleşirdi?

Bu soruların cevabı elbette kolay değil. Bu konuda bilmediğimiz, hesaplayamadığımız, hesaplarken öğreneceğimiz birçok şey var. Ancak gidiş yolumuza genel bir yön vermede periyodik cetvel bize yardımcı olabilir. Yaşam, kimya demektir. Periyodik cetvelde alt alta bulunan elementlere grup denilir. Aynı gruptaki elementlerin, rengi, kokusu ve diğer fiziksel özellikleri benzemek zorunda olmasa da kimyasal davranışları birbirlerine benzer. Örneğin, sudaki oksijeni çıkarıp, yerine kükürt koyabiliriz. Çünkü periyodik cetvelde bu iki element alt alta bulunur. Veya karbon yerine silisyum kullanarak, karbon polimerlerine benzer silisyum polimerleri üretebiliriz. Bu iki element de alt alta bulunur. Acaba evrenin başka yerlerinde hidrojen sülfür içinde gelişmiş silisyum temelli canlılar var mıdır? Bu sorulara yanıt vermeye çalışmak birer beyin cimnastiğinden ileri gidemez. Elementlerin artık neredeyse tam olarak orijinlerini biliyoruz. Ama neden davrandıkları gibi davrandıklarını, buna neden zorunda olduklarını, bir manada eşyanın doğasını bilmiyoruz. Ama bilimin bugüne kadar cevap getirdiği “cevapsız sorular” bilim için iyi bir referans ve belki de bir gün bu konulara da cevap verecek. 

Yine de, şu an çevremizde olan her şey ile, sevdiklerimiz, sevmediklerimiz, kayalar, okyanuslar, ağaçlar, hayvanlar ile, soluduğumuz hava ve içtiğimiz su ile bir zamanlar aynı çökmekte olan yıldızın çekirdeğinde titreştiğimizi bilmek, bilimin bunu bize söylemesi, bize anlatması, bize öğretmesi neşelendirici ve cesaretlendirici bir şey. Bunu bilmek, bunun farkına varmak güçlendrici bir şey. 

Astronom Dr. Carl Sagan’ın, asla mistik ve doğaüstü bir şekilde anlaşılmaması gereken, tamamen mantık dolu, saf bilimin peşinden koşmuş bilim insanı olarak söylediği meşhur sözüyle kapatmak gerek:

Bir tarafımız (atomlarımız) oradan (gökyüzünden) geldiğimizi biliyor. Bir gün oraya geri dönmek istiyor. Dönebiliriz de. Kozmos biziz. Her birimiz yıldız tozundan yapıldık. Biz kozmosun kendisinin farkında olmasının bir yoluyuz.