Manyetizma ve Dünyamız
Pusulanın ibresi nereyi gösterir? Tabii ki Dünya’nın manyetik kuzey kutbunu. Oysa manyetik kuzeye ulaştığınız zaman pusula iğnesinin kendi çevresinde çılgınca dönmeye başladığını göreceksiniz. Neler oluyor derseniz pusula ibresi manyetik alan çizgilerini gösterir. Manyetik alan çizgileri de Dünya’nın manyetik alanını biçimlendirir fakat bu çizgiler manyetik kuzeyde Dünyamızı terk ederek uzaya yükselir! Gerçi yukarı çıkan şeyler genellikle geri döner. Manyetik alan çizgileri de uzayda geniş bir eğri çizip kıvrılarak Dünya’ya geri döner ama bu kez manyetik güney kutbuna doğru bükülür.
Kısacası kuzey kutbundan uzaya çıkan manyetik çizgiler güney kutbundan Dünya’nın içine girer. Mademki biz de evrenin manyetik alanını inceleyerek kozmik manyetizmanın galaksileri nasıl oluşturduğunu görmek istiyoruz ve mademki Dünya da evrenin bir parçası, öyleyse Dünya’nın manyetik alanıyla başlayalım. Ne de olsa Dünya’daki en güçlü manyetik alanı gezegenin çekirdeği üretir. Dünyanın Güneş Sistemi ve Güneş’in oluşumundan kalan zayıf bir manyetik alanı vardır.
Bunun dışında sıvı demir–nikel dış çekirdek Dünya ile ters yönde ve gezegenden biraz yavaş olarak iç çekirdek çevresinde döner. Katı demir–nikel çekirdek de Yeryüzüyle aynı yönde ama biraz hızlı döner. Dış çekirdeğin dönüşü dinamo etkisiyle güçlü bir elektrik alanı üretir. Bu da Dünya’nın orijinal statik manyetik alanıyla etkileşime girerek gezegenin dinamik manyetik alanını oluşturur. Dünya’nın güçlü manyetik alanı atmosferi güneş rüzgarı tarafından parçalanmaktan korur.
Manyetizma ve fizik kuvvetleri
Öncelikle bütün fizik kuvvetlerinin menzili sonsuzdur: Güçlü ve zayıf nükleer kuvvet, elektromanyetizma ve yerçekimi… Buna karşın fizik kuvvetlerinin şiddeti sonludur; yani fizik kuvveti sonsuza ulaştıkça o kadar seyrelip zayıflar ki artık ölçülemez olur. Oysa bazı fizik kuvvetleri daha yakın mesafelerde zayıflar. Bazıları da yerçekimi gibi milyarlarca ışık yılı uzaktan bile ölçülür. Üstelik her fizik kuvvetinin zayıflama nedeni başkadır. Örneğin atom çekirdeklerini bir arada tutan güçlü çekirdek kuvveti elastik olması sebebiyle atom çekirdeği çapının hemen dışında zayıflar (Bkz. kuarklar).
Elektromanyetik kuvvetin diğer görünümü olan elektrostatik kuvvet ise artı ve eksi elektrik yüklerinden oluşur. Bu yükler uzun mesafede ortalama eş sayıda olup birbirini sıfırladığı için elektrostatik etkileşim kısa menzillidir. Nitekim Fizik Bozan Çıplak Tekillikler yazısında anlattığım gibi kara deliklerin net yükü sıfırdır; çünkü içine düşen madde uzun vadede eş miktarda pozitif ve negatif iyon içerecektir. Manyetizma ise bu açıdan yerçekimiyle kardeş sayılır. İkisi de sonsuz uzaklıkta ölçülebilir etki gösterir:
Mesela yerçekimi on milyar ışık yılı uzaktaki galaksi kümelerinin birbirini çekmesini sağlar. Manyetizma ise çok daha ilginçtir! Elinizdeki mıknatıs tabii ki Güneş’i kendine çekmez veya Güneş mıknatısı çekmez. Oysa ikisi manyetik alan çizgileriyle birbirine bağlıdır ve maddeyi moleküler, hatta atomik ölçekte ince ince şekillendirir. Bu biraz da elektrik alanında eş yüklerin birbirini itmesine benzer. Atomlarınızdaki elektronlar birbirini itmese seyrek bir gaz bulutundan farkınız kalmazdı ve bir sandalyeye dahi oturamazdınız. Hayalet gibi içinden geçip yerin içine batardınız. Peki manyetizma nasıl çalışır?
Ve manyetizma neden sonsuzdur?
Manyetik alanlar elektron gibi elektrik yüklü parçacıklar uzayda hareket ederken oluşur. Bir elektrik kablosunda olduğu gibi elektronların içinden geçtiği telin atomları elektriksel açıdan nötr olabilir. Oysa artı ve eksi yüklü parçacıklar kabloda ters yönlerde gidiyorsa halka şekilli kesiti olan doğrusal manyetik alan oluşturur. Bu da manyetik alan çizgilerinin birbirine eklenmesini sağlar.
Manyetik çizgiler birbirine bağlanırken manyetik alanı şiddeti artar. Gerçi manyetizma sürekli uzaya yayıldığı için manyetarlar ve kara delikler gibi istisnai örnekler dışında çok güçlü manyetik alanlar üretmez. Oysa ne demiştik? Manyetizmanın menzili sonsuz ama şiddeti sonludur. Manyetik çizgiler birbirine bağlandığına göre manyetizmanın ölçülebilir etkisi astronomik uzaklıklara ulaşacaktır. Manyetizma menzilinin sonsuz olma sebebi budur. Aynı sebeple manyetizma evrendeki maddeyi şekillendirir. Aşağıda bunu nasıl yaptığını da göreceğiz.
Oysa Youtube’daki sözde bilim kanallarının iddia ettiği gibi evreni asıl şekillendiren kuvvet manyetizma değildir. Yerçekimi maddeyi toparlar ve manyetizma ancak bundan sonra büyük ölçekte ölçülebilir etkiler oluşturur. Dolayısıyla manyetizma yerçekiminin rakibi değil, tamamlayıcısıdır. Astrofizikçilerin galaksiler, yıldızlar ve gezegenlerin nasıl oluştuğunu anlaması için de bu yüzden önemlidir. Şimdi gelelim elektronların nasıl manyetik alan ürettiğine… Elektrik kuvvetinin taşıyıcısı olan elektronlar mikroskobik birer çift kutuplu mıknatıstır. Bu nedenle hareket eden elektronlar manyetik alan üretir.
Manyetizma halkaları ve iki kutupluluk
Üstelik manyetik alan çizgileri resimdeki gibi hareket eden elektronların çevresinde eşmerkezli halkalar yaratır. Bunun sebebi manyetik alan ve elektrik alanının birbirine hep dik açı yapmasıdır. Ayrıca nasıl ki elektronların manyetik çizgileri manyetik kuzey kutbundan çıkıp manyetik güneye batıyor, Dünya’nın manyetik çizgileri de kuzeyden çıkıp güneye batıyor. Neden derseniz dış çekirdeğe bakalım. Dış çekirdek saat yönünde dönerken içindeki demir–nikel atomlarının elektronları da ekvatora paralel dönüyor. Bu da Dünya’nın tıpkı dev bir elektron gibi iki kutuplu bir manyetik alan oluşturmasını sağlıyor:
Elektrik alanı ve manyetizma
Resimde Dünya’nın iki kutupla manyetik alanını görüyorsunuz. Öncelikle elektronlar dış çekirdekle birlikte Dünya çevresinde ve ekvator hizasında halka şeklinde döner. Manyetik alanlar da halka şekilli bu elektrik alanının çevresine elektromıknatıs bobinleri gibi sarılır. Nitekim soğan kabuğu gibi çok katmanlı beyaz çizgiler manyetik alanın kesitini gösteriyor. Şimdi manyetik çizgilerin birbirine bağlanarak manyetizmayı ve Dünya’nın manyetik alanını güçlendirmesinin asıl sebebini görelim
Ne de olsa elektrik mühendisleri şunu soracaktır: “Mademki elektronlar başlı başına birer mıknatıs, neden sadece hareket ettiği zaman birbirine bağlanarak güçlenen manyetik alan çizgileri üretiyor?” Güzel soru. Öncelikle hareketsiz elektron yoktur. Belirsizlik ilkesi nedeniyle tüm kuantum parçacıklar gibi elektronlar da titreşir. Ayrıca kendi çevresinde bir nevi döner (Bkz. Elektron spini). Böylece birbirine bağlanan manyetik alanlar yaratır.
Dahası nasıl ki manyetik alan elektrik alanı çevresinde sarılmak ister, elektrik alanı da manyetik alan çevresinde sarılmak ister. Bu da Dünya’nın manyetik çizgilerinin Güneş’in çizgileriyle nasıl birleştiğini anlamak için çok önemlidir. Örneğin bir elektromıknatısın bobinlerinden (sargılarından) geçen elektrik akımını oluşturan elektronlar dairesel hareket yapar. Keza kuzey–güney yönünde mıknatıslanan bir metalin mıknatıslanma sebebi de metaldeki elektronların manyetik kutuplarının o yönde hizalanmasıdır.
Manyetik çizgilerin uzaya kaçması
Dünya’nın iki kutuplu manyetik alanında halka şekilli elektrik alanları oluşur. Bu halkalar manyetik çizgileri takip ederek kuzey kutbuna yükselir. Oysa dairesel olarak hareket eden bu elektronlar kendi iki kutuplu manyetik alanını da üretir! Böylece kuzey kutbundan yükselen diğer halka şekilli elektrik alanlarını mıknatıslı bir hortum gibi kendine çeker (anımsayın: manyetik alan elektrik alanına diktir).
Uzaya çıkan diğer halka şekilli elektrik alanları da kendi iki kutuplu manyetik alanını üretir. İşte bu nedenle iki kutuplu manyetik alan çizgileri hep diğer iki kutuplu manyetik kaynakların ürettiği çizgilere bağlanmak ister. Böylece Dünya’nın manyetik çizgilerini uzaya çeken güçlü bir çekim etkisi oluşur.
Buna rağmen manyetik çizgilerin büyük kısmı gezegen çevresinde bükülerek güney kutbundan yerkabuğunun içine batar. Oysa bir kısmı Dünya’dan kopup uzaya kaçar ve Güneş’in manyetik alanıyla birleşir. Nasıl ki Hohmann transfer yörüngeleri Dünya yörüngesini Ay yörüngesine bağlar, Dünya’dan yükselen manyetik çizgilerle uzaya çıkan elektrik alanlarının ürettiği yeni manyetik çizgiler de gezegenin manyetik alanını Güneş’e bağlar.
Doğal mıknatıslar ve galaktik manyetizma
Doğal mıknatıs derken uzay süpernova kalıntısı toz tanecikleriyle kaplıdır. Metalik toz tanecikleri ise galaksinin manyetik alanına göre mıknatıslanır. Tıpkı mıknatıstan etkilenen demir tozu gibi…. Üstelik ışık ışınları mıknatıslı bulutun içinden geçerken toz taneciklerine çarpar. Bu sırada toz tanecikleri kendi manyetik alanıyla ışığı oluşturan fotonları etkileyerek ışığı polarize eder. Gerçi elektrik alanı ve manyetik alan hep birbirine dik açı yapar.
Öte yandan polarize olmuş ışıkta sadece belirli yönlerde dik açı yapar (Bkz. Aynalar Neden Sadece Sağı Sola Çevirir?). Biz de ışığın nasıl çarpıldığına bakarak galaksinin manyetik alan çizgilerini açığa çıkarırız. Galaktik manyetik alan haritasını çıkarırız. Bunu da 2013’te göreve başlayan Planck uzay teleskopu çok iyi yaptı. Planck’ın evreni oluşturan büyük patlamadan kalan ışığı görmesi gerekiyordu. Bunun için de galaksimizin manyetik alanını fondan silmek zorundaydı.
Planck önce manyetik alanı ölçtü ve sonra veri kümesinden silerek kozmik mikrodalga artalan (CMB) ışımasını görüntüledi. Yeri gelmişken evrenin manyetik alan haritasını da çıkardı. Biz de galaktik manyetik alanla kozmik manyetizmayı birleştirince Van Gogh eserlerine benzeyen izlenimci bir tabloyla karşılaştık.
Süpernovalar ve manyetizma
Bu bağlamda süpernova patlamalarının saçtığı iyonize gazın manyetik alan çizgilerini galaktik dinamo güçlendirir. Bazen de merkezdeki süper kütleli kara deliği saran plazma bulutu çizgilerine bağlar. Diğer yandan evrende yıldız oluşum hızı yüzde 5’e düşmüştür. Oysa galaktik dinamo gaz akışını hızlandırarak Samanyolu’nun yaşama uygun olabilecek yeni yıldızlar oluşturmasını geç yaşına rağmen kolaylaştırır.
Nasıl ki Güneş’in manyetik alan çizgileri iyonize plazmayı manyetik kafese sıkıştırıp titreşimini sınırlandırarak soğutur (güneş lekeleri), galaktik manyetik alan da gaz ve toz bulutlarına aynısını yapar.
Böylece gazı manyetik kafeslerle sıkıştırıp yeni yıldızlar oluşturmasını hızlandırır. Dahası süpernovanın uzaya üflediği gazlardan oluşan şok dalgasını iyonize gazın manyetik alan cephesi de güçlendirir.
Bu da iki büyük gaz bulutunun şiddetle çarpışıp sıkışarak yıldız doğurmasına yardım eder. Öte yandan tıpkı Dünya’nın kuzey kutbundan fışkıran manyetik çeşme çizgileri gibi galaktik kutuplardan da uzaya manyetik alan çizgileri fışkırır. (Galaksilerin manyetik kutupları vardır). Öyle ki bu çizgilere kapılan elektronlar galaksiyi terk ederek yıldızlararası uzaya çıkar. [1]
Umarım yardımcı olabilmişimdir iyi günler dilerim.
Kaynaklar
- kozand. Manyetizma Galaksileri Ve Evreni Nasıl Şekillendiriyor? » Kozan Demircan. (24 Temmuz 2021). Alındığı Tarih: 19 Kasım 2022. Alındığı Yer: Kozan Demircan | Arşiv Bağlantısı
