Neden evrenin büyük çoğunluğunu hidrojen ve helyum oluşturuyor? Bunun Büyük Patlama ile ilgisi var mı?

Merhaba Aylin,

Dediğin gibi, günümüzde evrendeki baryonik maddenin parçacık sayısı bakımından %90'ından fazlasını Hidrojen, geri kalanının çoğunu ise Helyum oluşturuyor. Bu arada burada "baryonik" madde derken, ışıkla etkileşen, bizi, gezegenleri ve yıldızları oluşturan madde bileşeninden bahsediyorum. Kütle bakımından düşündüğümüzde ise galaksimizde Hidrojen ve Helyum'un oranları yaklaşık olarak %74 ve %24. Bunları ise 3. olarak Oksijen takip ediyor.

Evrenbilimdeki en temel gözlemlenebilirlerden biri "Kozmik Arkaplan Işıması" (CMB). Keşfinden beri oldukça detaylı bir şekilde nitelendirilmiş olan bu ışıma, Büyük Patlama modelini desteklemekte. Bu modele göre, evren ilk zamanlarda sıcak ve yüksek basınçlı olmalı. Bu koşullarda evrenin sıcaklığı (i.e., parçacıkların ortalama kinetik enerjisi) o denli yüksek olmalı ki, lise fizik derslerinde öğretilen çoğu parçacık (proton, nötron, daha ağır çekirdekler, atomlar) bu koşullarda bağlı ve kararlı bir şekilde varlığını sürdüremez. Bu nedenle bu dönemde evrenin (bazı diğer atom-altı parçacıklarla birlikte) proton ve nötronların yapı taşı olan kuarklardan oluştuğunu düşünüyoruz. Büyük Patlama'yı takip eden saniyelerde evren genişleyip, kozmik çorbanın sıcaklığı, kuarkların birbirine bağlanma enerjisinin altına inince, evrendeki ilk proton ve nötronların oluştuğunu düşünüyoruz. 

Şimdi aynı mantığı devam ettirerek, evren soğudukça proton ve nötronların da birleşip, önce Döteryum (1 proton + 1 nötron), Trityum (1 proton + 2 nötron), Helyum-3 (2 proton + 1 nötron), Helyum-4 (2 proton + 2 nötron), Lityum (3 proton + 4 nötron), daha sonra da daha ağır çekirdekleri oluşturacağını öngörebiliriz. Fakat, burada önemli bir dar boğaz oluşuyor. Parçacık fiziğindeki ölçümleri gösteriyor ki, serbest nötronlar yaklaşık 10 dakika içinde bozunuyorlar. Fakat evrenin sıcaklığının Döteryum'un bağlanma enerjisinin altına düşmesi için epey süre geçmesi gerektiği için, geriye kalan kısıtlı sürede ancak belirli bir miktarda proton ve nötron birleşip, daha ağır çekirdekler oluşturabiliyorlar. Bu nedenle, evren soğumaya devam ettikçe biraz Lityum-7 oluşsa da, Helyum'dan ağır elementlerin oluşmasının büyük ölçüde durduğunu düşünüyoruz. Bu süreç, Büyük Patlama Nükleosentezi olarak biliniyor. Sonucunda ise evrende yaklaşık olarak (kütle bakımından) %75 Hidrojen, %25 Helyum, milyonda 100 oranında Döteryum, milyonda 10 oranında Helyum-3, milyarda bir oranında ise Lityum-7 kaldığı öngörülüyor. Bu süreçte oluşan Trityum, Berilyum-7 ve serbest nötronlar ise zamanla bozunduklarından, kütle bütçesinde kalıcı olamıyorlar.

Günümüzde gözlemlediğimiz galaksilerin oluşabilmesi için ise Büyük Patlama'dan birkaç yüz milyon yıl sonra evrende bir başka önemli bir süreç başlamış olmalı: yıldız oluşumu. Evrendeki ilkel gaz (i.e., Hidrojen ve Helyum) kütle çekimsel olarak çöküp, nükleer reaksiyonu başlattıkça, yıldızlarda Helyum'dan ağır çekirdekler oluştuğu öngörülüyor. Buradaki kilit nokta şu ki, bahsettiğim bugüne kadar oluşmuş ağır elementler, evrendeki Hidrojen ve Helyum oranını büyük ölçüde azaltacak bir miktarda değil. Yine de, Büyük Patlama'dan birkaç dakika sonrası ile karşılaştırırsak, günümüzde evrende çok daha fazla ağır element (Oksijen, Karbon, Demir, Nitrojen, Silikon, vs.) var. Örneğin, Dünya'da en fazla bulunan elementler - yine kütle bakımından - Demir, Oksijen ve Silikon. Bir başka deyişle, bizler yıldız tozuyuz. Zaten Hidrojen ve Helyum ile karmaşık kimyasal reaksiyonlar başlatıp, ilginç ve yapılı bir evren oluşturmak mümkün değil.

Güzel soru için teşekkür ederim.

Tansu