Koronal Isınma Problemi Nedir? Güneş Koronası Neden Aşırı Sıcaktır?

Koronal ısınma problemi, Güneş'in yüzeyden daha uzakta olan korona (taç) tabakasının, Güneş'in yüzeyinden milyonlarca derece daha sıcak olması sorununa işaret eden bir astrofizik terimidir. Termodinamik yasaları çerçevesinde, ısınan bir yerin ısı kaynağından daha sıcak olamamasını bekleriz. Ancak Güneş'in yüzeyi, ısıttığı bölgelerden biri olan taç tabakasından daha soğuktur.

Termodinamiğin İkinci Yasası

Enerjinin akış yönünü hepimiz biliriz: yüksek enerjiden düşük enerjiye doğru... İşte bu yüzden termodinamiğin ikinci kanunu dediğimiz kanunu, daha bilime ilk adım attığımız zamanlarda öğreniriz. Bunu bilen herkes, enerjinin akış yönünü de rahatlıkla bilecektir.

Bunu, kamp ateşi analojisiyle açıklamak mümkündür: Diyelim ki bir kamp ateşi etrafında arkadaşlarınızla oturmuşsunuz. Hafif hafif müzik çalıyor, keyifle sohbet ediyorsunuz. Dışarısı buz gibi ama kamp ateşi sizi ısıtıyor. Hatta biraz fazla ısıtıyor. Terlediğinizi hissederek, ateşten azıcık uzaklaşıyorsunuz.

Güneş'te olanı anlamak için, şunu düşünün: Geriye çekilmiş olmanıza rağmen, ateşi yüzünüzde daha da sıcak hissediyorsunuz. Daha da geri çekiliyorsunuz, sıcaklık daha da artıyor. Kötü bir kabus gibi! Ateşe yaklaştığınızda ne olacak diye merak ediyorsunuz ve gerçekten de ısının düştüğünü, ateşe yaklaştıkça serinlediğinizi görüyorsunuz. Bu durum, termodinamik yasalarına aykırı gözükmekle birlikte, Güneş'in korona tabakasında her an yaşanmaktadır.

Ters Kare Yasası Nedir?

Bir şöminenin önüne geçip, ellerinizi ısı kaynağına doğru açarsanız ve o kaynağa yaklaşıp uzaklaşırsanız, hissettiğiniz sıcaklık nasıl değişir? Isı kaynağına yaklaştıkça hissettiğiniz sıcaklık artar, uzaklaştıkça azalır.

Bunu bize söyleyen şey, termodinamiğin ikinci yasası bir yana, birçok insanın pek de haberdar olmadığı bir doğa yasasıdır: Buna, "ters kare yasası" diyoruz ve Evren'de birçok yerde karşımıza çıkıyor: Ters kare yasasına göre mesela ısı gibi bir radyasyon türünün birim alana düşen miktarı, yani akısı, ısı kaynağından uzaklaştıkça, uzaklığın kendisiyle değil, karesiyle orantılı olarak azalır. Yani şömineden 1 metre uzaklıktan 2 metre uzağa geçtiğinizde, deneyimlenen ısı kat ettiğiniz mesafe gibi 2 kat değişmez, 4 kat değişir. Mesafe 1 kat artarken akı 2 kat azaldığı için, buna ters kare kanunu denir.

Kütleçekimi, elektrostatik kuvvetler, ışık ve diğer elektromanyetik radyasyon türlerinin şiddeti ve hatta ses şiddeti bile bu yasaya uymaktadır. Bunun, çok da makul bir nedeni vardır: Mesela Güneş'ten çıkan ısı dalgalarını, kaynaktan yayılan ışınlar gibi düşünürsek, kaynaktan uzaklaştıkça bu ışınlar birbirinden uzaklaşacağı için, birim alana düşen ışın miktarı (yani akı da) azalırdı:

Wikimedia

Dolayısıyla daha uzak bir mesafede o kaynaktan çıkan tüm ışınları kapsayabilmek için, alanımızı büyütmemiz gerekirdi. Büyütme miktarımız, bir kürenin yüzeyiyle ilişkili olduğu için ve kürenin alanı da yarıçapın karesiyle orantılı olduğu için, tüm ışınları kapsayabilmek için ihtiyaç duyduğumuz alan da mesafenin karesiyle orantılı olacaktır.

İşte bu yüzden bir enerji yayıcıdan ne kadar uzaklaşırsanız, genelde onun karesi kadar "akı" kaybı yaşarsınız. Mesela 80 kiloluk birinin Dünya'dan 200 kilometre uzakta deneyimlediği kütleçekimi kuvveti, onun yarısı kadar uzakta, yani 100 kilometre uzakta deneyimlediğinin 2 katı değil, 4 katıdır.

Güneş'in Sıcaklık Dağılımı

Ama Güneş, bu temel sağduyumuza meydan okumaktadır: Güneş’in çekirdeğinde sıcaklık 15 milyon santigrat derece civarındadır. Yüzeye doğru çıktıkça, sıcaklık kademeli olarak düşmektedir:

The Great Course Daily

Güneş'teki sıcaklıklar, Radyatif Bölge'de önce 7 milyon dereceye, sonra 2 milyon dereceye düşer. Konveksiyon bölgesinde 2 milyondan 5800 kelvine kadar düşer. Hatta Güneş'in üzerindeki o meşhur lekelerde sıcaklık 3800 Kelvin kadar düşük olabiliyor. Zaten bu Güneş lekeleri, bu düşük sıcaklıkları nedeniyle etraflarına daha az ışık saçarlar ve bu yüzden Güneş'in geri kalanına nazaran siyah birer leke gibi gözükürler.

Buraya kadar sorun yok; zaten beklediğimiz şey budur: Kaynaktan uzaklaştıkça, sıcaklık da düşer.

Ama Güneş'in yüzeyinden birkaç yüz kilometre uzaklaşıp, kromosfer tabakasına geldiğinizde, sıcaklık bir anda 8300 kelvine, korona tabakasında ise 1 ilâ 3 milyon derece civarına fırlar! Sonra daha da uzaklaşırsanız, sıcaklık da tekrar düşer; ama Güneş'in kendi yüzeyinden daha sıcak olan o kesit, fizik için büyük bir problem yaratır. Çünkü bu, şömineden uzaklaştıkça hissettiğiniz sıcaklığın, azalmak yerine artması gibidir! İşte buna astrofizikte "koronal ısınma problemi" adı verilmektedir.

Bu, gerçekten sıra dışı bir durumdur: Güneş'in yüzeyi, ısıttığı şeyden, yani etrafından daha soğuktur! Akşam yemeğinizi fırında değil de buzdolabında ısıtabildiğinizi bir düşünün - veya bir buz kübünün etrafını soğutmak yerine etrafa ısı saçtığını! Bu, termodinamiğe tamamen aykırıdır ve Güneş, tüm Evren'de bunu yapabildiğini bildiğimiz (şimdilik) tek nesnedir!

1939 yılında bu durumun keşfinden beridir bu sorun Güneş üzerine yoğunlaşan fizikçileri ciddi miktarda rahatsız etmekte ve meraklandırmaktadır. Nasıl olur da Güneş'in etrafı, kendisinden 200 kat daha sıcak olabilir? Temodinamiğin ikinci yasasına ve Evren'in çalışmasına dair bildiğimiz diğer her şeye göre bu, böyle olmamalıdır.

Koronal Isınma Probleminin Çözümü

Koronal ısınma problemini çözmenin özünde tek bir yolu vardır: İlk etapta ısı enerjisi olarak saçılmayan, Güneş'ten ayrıldıktan bir süre sonra ısıya dönüşen bir şeyler olmalıdır. Bu, örneğin bir parçacık veya bir element olabilir. Benzer şekilde, yüzeyde toplam enerjisinin çok küçük bir kısmı ısı enerjisi olan, ama daha uzak bir noktada ısıya dönüşen bir şey, adeta bir "bomba" da olabilir.

Bugüne kadar bu sorunu izah etmeye çalışan birçok hipotez ileri sürülmüştür. Bunlardan ikisi, özellikle ön plana çıkmaktadır. Ama bu hipotezleri anlayabilmek için, öncelikle Güneş'in sıradan bir gaz topu olmadığını anlamamız gerekmektedir.

Güneş, Plazma Hâlindeki Bir Küredir!

Liseden hatırlayacağınız üzere, maddenin katı, sıvı ve gaz haricinde, 4. bir hâli daha vardır: "Plazma". Güneş, maddenin plazma hâlinde bulunan bir gök cismidir. İşin tuhaf tarafı, Evren'de maddenin en yaygın hâlinin plazma olmasıdır; ama Dünya'da daha ziyade katı, sıvı ve gazlar bulunduğu için, bunlara daha aşina olarak büyümekteyiz. Dünya'da plazmayı anca yıldırımlarda, eski plazma televizyonlarda, neon ışıklarda, vb. doğa olayları ile teknolojilerde görmekteyiz.

Plazmanın farkı şudur: Güneş, o kadar sıcaktır ki, içindeki atomlar normal gaz halinde kalamazlar ve elektronları, yüksek enerji nedeniyle kolaylıkla kopar; özgürce hareket etmeye başlar. Bu, aşina olduğumuz 3 hâlden çok farklı fiziksel olaylara kapı aralar: Mesela plazma hâlindeki nesneler, inanılmaz iletkendirler - ki bu, koronal ısınma probleminin olası çözümlerinde karşımıza çıkacaktır.

Plazma İçinde Elektromanyetizma

Plazma içinde elektromanyetizma da çok tuhaf davranır: Normalde demir tozlarına yaklaştırılan bir mıknatıstan bileceğiniz üzere, mıknatısın kuzey ve güney kutupları birbirine tekil çizgilerle bağlanır:

Plazma haricinde bu elektromanyetik çizgileri birbiriyle birleştirmek pek mümkün değildir. Bu çizgiler, genelde bir çizgi hep aynı noktaya bağlanır ve yer değiştirmez. Ama Güneş gibi kaotik ve vahşi plazma sistemlerinde, birbiriyle çakışmaya zorlanan manyetik çizgiler parçalanarak yeni bağlantılar kurabilirler:

Wikimedia

İşte buna, "manyetik yeniden bağlanma" denmektedir. Aslına bakarsanız, henüz sırları tamamen çözülememiş olan meşhur "Güneş parlamaları" da çok büyük olasılıkla bu yeniden bağlanma ile ilgilidir. Bu bağlanmanın yaşandığı yerlerde muazzam bir enerji atımı yaşanmaktadır. Örneğin Güneş'in birkaç günde biriktirdiği enerji, sadece birkaç dakika içinde uzaya saçılabilmektedir.

Manyetik Yeniden Bağlanma Teorisi

Güneş'in anormal sıcaklık değişimini açıklayan kavramlardan biri, "manyetik yeniden bağlanma" olabilir. Bu teoriye göre sadece büyük Güneş parlamaları değil, aynı zamanda dışarıdan kolay kolay gözükmeyecek kadar küçük Güneş parlamaları da sürekli olarak yaşanmaktadır. Bunlara, mikro parlama veya nano parlama denmektedir. Aslında bunlar, tek başlarına koronayı milyonlarca dereceye ısıtabilecek kadar güçlü değildirler; ama eğer sürekli yaşanıyorlarsa, Güneş'in koronasını uzun vadede yüzeyinden daha sıcak hale getirebilirler. Hele ki plazma aşırı iletken olduğu için, bir noktadaki patlama sadece o noktayı ısıtmakla kalmıyor olabilir ve çok daha uzak yerleri de ısıtabilir.

Silikonun Rolü

Yapılan çalışmalar da bunu doğruluyor gibi gözüküyor ve işte burada, karşımıza bir element çıkıyor: Silikon. Bu element, sizin şu anda bu videoyu izleyebilmenizi sağlamaktan, uzayda yaşam arayışına yön vermeye kadar birçok rolü olan bir elementtir. Ayrıca sahillerdeki kumlardan gözlüklerinizdeki ve pencerelerinizdeki camlara, çimentodan yüksek güçlü seramiklere kadar her alanda silikonu kullanmaktayız.

Güneş, genelde sadece hidrojen helyumdan ibaretmiş gibi görülür. Sonuçta Güneş'in kendi üzerine çökerek ölmesine engel olan şey, kalbinde meydana gelen füzyon reaksiyonlarıdır. Burada hidrojen, sürekli olarak helyuma dönüşür ve etrafa muazzam miktarda enerji saçar. Bu sayede Güneş, kütleçekimine yenik düşmeden denge halinde kalabilir. Ama aslında Güneş'te sadece bu iki element bulunmaz: Az miktarda da olsa; oksijen, karbon ve silikon gibi daha iri elementler de bulunur. Plazma hâlindeki bu ağır elementler (özellikle de silikon), manyetik yeniden birleşme sırasında müthiş hızlara erişerek Güneş'in yüzeyinden koronaya fırlar.

Bilim insanları, bunu, panik halinde kaçışan insanlara benzetiyor. Güneş'in yüzeyi, panik yaşanmakta olan bir konser alanı gibi: Her şey kaotik ve türbülanslı bir şekilde birbirine giriyor ama devasa kilolu birilerinin o kalabalığı yarıp geçerek çıkışlara ulaşabildiğini hayal edin. İşte Güneş'te olan da bu: Nanoparlamalar sırasında silikon atomları, saniyede 100 kilometre gibi hızlarla koronaya doğru fırlıyor ve bu atomlar belli bir süre sonra ısıya dönüşüyorlar. Bu da o kısmın yüzeyden daha da fazla ısınmasına neden oluyor. Gözlemsel veriler de, yüzeyde ne zaman bu tür bir nanoparlama olayı olsa, 20 saniye kadar sonra koronanın o kısmında müthiş bir sıcaklık artışı yaşandığını gösteriyor.

Aslında bu bulgular, onlarca yıldır süregelen bir sırrı çözebilir. Ama bu, tek başına yeterli gözükmemektedir. Çünkü diğer çalışmalar, bu nanoparlamaların sıklığının koronayı tek başına ısıtmaya yetecek kadar sık yaşanmadığını göstermektedir. Örneğin bunların ısınma miktarını tek başına izah edebilmesi için, Güneş yüzeyinde Dünya kadarlık bir bölgede bu nanoparlamalardan her saniye 50 civarında yaşanması gerekmektedir. Bu sıklık, henüz gözlenmiş değildir.

Dalga Isıtma Teorisi

Dolayısıyla koronal ısıtma problemini izah edebilecek ikinci bir mekanizma gerekmektedir. Bu konudaki en güçlü aday, "dalga ısıtma teorisi" denen bir teoridir. Bu teori, Güneş yüzeyinden fırlayan 2 özel dalga türünün, koronayı yüzeyden daha çok ısıttığını söylemektedir.

Bu dalgalardan ilki, manyeto-akustik dalgalar olarak bilinen bir dalga türüdür. Bunlar, aslında aşina olduğumuz ses dalgalarıdır. Her ne kadar genelde uzay boşluğunda sesin yayılamayacağı söylense de, aslında daha önceden anlattığımız gibi, gök cisimlerinin hemen civarındaki gaz ve toz içerisinde kulağımızın işitemeyeceği kadar düşük frekanslı ses dalgaları yayılabilmektedir. Güneş'in dış katmanlarındaki plazmada da özel ses dalgaları yayılabilmektedir. Ama bu dalgalar, aşina olduğumuzdan biraz farklıdır: Plazmadaki manyetik alan içinde modifiye edilirler ve normalde ses dalgalarından beklediğimizden farklı davranırlar.

İkinci dalga türüyse, Alfven dalgaları olarak bilinen ultra düşük frekanslı radyo dalgalarıdır. Bu dalgalar da plazma içindeki maddeyle etkileşerek, Dünya'da aşina olduğumuz radyo dalgalarından biraz farklı özelliklere kavuşurlar.

Bu detaylar, konuyu anlamak açısından şimdilik çok önemli değildir; ama teorinin belkemiği şudur: Bu dalgaların her ikisi de yüzeyden fırladıktan sonra bir süre enerjilerini ısı olarak saçmazlar; ama birkaç yüz veya bin kilometre uzakta, şok dalgalarına dönüşerek, müthiş bir ısı kaynağına dönüşürler. İşte teoriye göre Güneş, bu nedenle yüzeyde daha soğuk, koronada daha sıcaktır.

Ne var ki bu dalgaların dinamikleri de tek başına koronal ısınma problemini çözmek için yeterli değildir. Örneğin manyeto-akustik dalgaların yüzeyden koronaya kadar ulaşması mümkün gözükmemektedir, çünkü çoğu durumda bu dalgalar geri yansıtılırlar. Aslında Alfven dalgaları koronaya kadar ulaşabilir; fakat bunlar da enerjiyi yeterince hızlı dağıtamazlar ve bu nedenle sıcaklık farkını tek başlarına izah edemezler. Araştırmacılar, koronal ısınma probleminin %10 kadarının bu mekanizmayla izah edebileceğini düşünmektedirler. Ama eğer iki teori bir arada işliyorsa, Güneş'in termodinamiğe aslında meydan okumadığı anlaşılabilir.

Koronal Isınma Problemi Neden Önemlidir?

Peki tüm bunlar neden önemli? Güneş'te olan biten sizi neden ilgilendirsin?

Bunun 2 nedeni var: İlki, teorik nedenlerdir. Güneş, henüz bilmediğimiz bir fizik türünden etkileniyor olabilir. Örneğin Güneş'teki "yeniden bağlanma" olayları, şu anda bildiğimiz fizik teorilerimizle öngördüğümüzden 10 ila 100 trilyon kat daha hızlı yaşanmaktadır. Henüz bu absürt hızı izah edebilen bir plazma elektromanyetizması teorisi geliştirilememiştir. Öte yandan bu anomali, belki de Güneş'in dinamikleriyle ilgili bir şeyleri gözden kaçırdığımıza ve bu nedenle geliştirdiğimiz teorilerin de gerçekte olanları yansıtamadığına işaret edebilir. Bu yüzden Güneş'e gönderilen Parker Uzay Sondası gibi araçlar, bilim için çok önemlidir - ki bu sonda, ismini koronal ısınma problemiyle ilgili de çalışmalar yapmış astrofizikçi Eugene Parker'dan almaktadır.

Şu anda birçok gözlemevi ve uzay aracı Güneş'i gözlemektedir; ama Evren'i daha iyi anlamak istiyorsak, bundan daha fazlasını yapmamız gerekmektedir. Çünkü bu çalışmaların pratik sonuçları da vardır. Hatta medeniyetimizin geleceği, Güneş'i anlamaya bağlı olabilir! Örneğin modern nükleer reaktörleri, onlardan çok daha güvenli ve güçlü olabilecek füzyon reaktörleriyle değiştirmek istiyorsak, öncelikle daha güçlü bir manyetik yeniden birleşme teorisine ihtiyacımız vardır. Çünkü bu olay, Dünya'nın manyetik alanında da daha düşük bir ölçekte yaşanmaktadır; örneğin auroraları oluşturan atmosferik olaylarda bunun da parmağı vardır.

Daha önemlisi, füzyon reaktörlerimiz özünde Güneş'teki füzyonu modelleyen bir şekilde çalışacaksa, füzyon tepkimesini manyetik olarak bir odanın içerisinde hapsedebilmemiz gerekmektedir. Ama yeniden birleşmeyi tam olarak çözmeden verimli bir füzyon reaktörü üretmek bir hayaldir.

Benzer şekilde, yeniden bağlanma olaylarını çözebilirsek, Dünya yüzeyindeki teknolojiyi silip atabilecek elektromanyetik fırtınaları daha etkili bir şekilde takip edip öngörmemiz mümkün olabilir. Yani Güneş'i anlamak, gündelik hayatımızı doğrudan etkilemektedir.

Sonuç

Fizikte henüz çözülememiş onlarca, belki yüzlerce problem vardır ve koronal ısınma problemi de onlardan biridir. Ama Dünya genelinde binlerce fizikçi, her gün bu ve bunun gibi sorunlarla boğuşmaktadırlar. Kim bilir, belki de onlarca yıldır çözülemeyen bu gizemli sorunun cevabını verecek bir kişi, bu yazının okurları arasındadır.