Bulutsuz bir havada gökyüzüne baktığınızda Güneş’in oldukça sakin olduğunu düşünebilirsiniz. Gece vakitleri ise yıldızlar sakin alev toplarına benzer; hiçbir canlılıkları yokmuş gibi gökyüzünde asılı görünürler. Tabii gerçek bu değil, gelin birlikte inceleyelim.

Aslında yıldızların sıcaklıkları ve parlaklıkları değişim göstermekle birlikte kendileri de periyodik olarak büzülür ve genişler. Yıldızımız Güneş dahil tüm yıldızlar titreşim hareketi yapar. Elbette bunu çıplak gözle görmemiz mümkün değildir. Ancak teleskoplarla inceleyip tayflarını aldığımızda değişimleri fark edebilir, titreşimlerini gözlemleyebiliriz. Peki yıldızlar neden titreşim yaparlar ve biz bu titreşimleri kullanarak onlar hakkında ne gibi bilgiler öğrenebiliriz?

Titreşen Yıldızlar

İngiliz astrofizikçi Arthur S. Eddington, 1960’larda yazdığı “Yıldızların İç Yapısı” adlı kitabına şu önsöz ile başlar: “İlk bakışta Güneş'in ve yıldızların derin iç kısımlarının, bilimsel araştırma için evrenin diğer bölgelerine göre daha az erişilebilir olduğu görülüyor. Teleskoplarımız uzayın derinliklerinde daha da derinlere inebilir; ama inanılmaz katmanların ardında saklı olanın kesin bilgisini nasıl elde edebiliriz? Hangi alet bir yıldızın dış katmanlarını delip geçebilir ve içindeki koşulları test edebilir?”

Eddington o dönemlerde bir yıldızın iç kısımlarını analiz etmenin belki de imkansıza yakın olduğunu düşünüyordu, çünkü evrendeki en yoğun ve en karmaşık yerler için yıldız merkezlerini söylemek yanlış olmazdı. Ancak bugün, asterosismoloji sayesinde yıldızların içlerini görmeden bilebiliyoruz. Asterosismolojinin tıpkı depremlerin (Dünya'nın sismik dalgalarının) bize Dünya'nın içini anlatması gibi, titreşimlere veya "yıldız depremlerine" neden olan yıldız dalgaları da yıldızların gizli iç işleyişini ortaya çıkarır. Peki bunu nasıl başarıyoruz? Hangi mekanizma, hangi yöntem bize yıldızların içini gösterebilir ki? 

Cevap: Ses dalgaları. Peki nasıl? "Uzayda ses dalgası yayılmaz ki!" diyorsanız haklısınız. Ses, yayılması için bir ortama ihtiyaç duyar. Elektromanyetik dalgalar gibi uzayda yayılmaz. Ancak biz, yıldızların içerisinde hapsolmuş olan ses dalgalarından bahsediyoruz. Ses nedir, gaz içerisinde nasıl yayılır bunu bir inceleyelim.

Ses Dalgasının Rolü

Yıldızların titreşim hareketlerini anlamak istiyorsak öncelikle ses hızının bir gaz içerisindeki hareketini incelememiz gerekir. Ses dalgası, gaz basıncında bir değişim meydana geldiği zaman üretilir. Herhangi bir ses kaynağı, basınçta değişikliğe neden olmaktadır. Örneğin; ses tellerimiz ya da herhangi bir enstrüman ileri geri hareket ederek basınçta artma veya azalmalar oluşturur. Yani ses dalgası aslında bir basınç dalgasıdır diyebiliriz.

Yıldızların içerisinde de ses dalgaları bulunur ve bu ses dalgaları yıldızın içerisinden çıkamaz, buraya hapsolmuştur. Bu dalganın hızı yıldızın katmanlarına göre değişim gösterebilir. Ses hızı, yayıldığı gazın sıcaklığına, yoğunluğuna ve kimyasal yapısına bağlıdır. Dolayısıyla bir gazın içerisinde yayılan sesin hızını ölçersek o gazın basıncı ve yoğunluğu gibi önemli parametrelerine de kolaylıkla ulaşabiliriz. Yani yıldızların iç yapısını görmeden modelleyebiliriz. Bu, tıpkı ultrasonun çalışma prensibine benzer. Ultrasonda doktorlar nasıl anne karnındaki bebeğe gönderilen ses dalgalarının yansımaları ile bebeğin tüm organlarını görüntüleyebiliyorsa, astronomlar da yıldızların içerisindeki ses dalgalarından yıldızlar hakkında pek çok bilgiye sahip olabiliyor.

Titreşim Yapan Bir Yıldız Olarak Güneş

Asterosismoloji, Güneş’te olduğu kadar başka hiçbir yıldızda bu kadar başarılı bir araç olarak işlev görmedi. Gerek bize olan yakınlığı, gerekse titreşimlerinden sorumlu mekanizmasıyla Güneş’ten elde ettiğimiz titreşim verileri, Güneş’i kelimenin tam anlamıyla katman katman keşfetmemizi sağladı. Güneş’teki bu titreşimleri inceleyen bilim dalına “helyosismoloji” (helioseismology) adı verilmektedir. “Helios” güneş demekken, “seismos” deprem, “logos” ise çalışma anlamına gelmektedir.

Peki hangi mekanizma Güneş’in titreşmesine sebep olur? Güneş ve Güneş benzeri yıldızlar için düşündüğümüz zaman, ses dalgalarını tıpkı kaynayan suda yukarı çıkan baloncuklar gibi düşünebiliriz. Bu olay Güneş’in “konvektif katman” adını verdiğimiz bölgesinde başlar. 

Sıcak gaz, yıldızın yüzeyine, yani yukarı doğru hareket eder; yüzeyde soğur ve tekrar aşağı doğru hareket eder. Bunu daha somut düşünmek için ocakta kaynayan bulgur örneğini verebiliriz. Sıcaklık artınca ve su kaynadıkça bulgur taneleri yukarı doğru çıkmaya başlar. Zaten Güneş’teki bu olaya da “bulgurlanma” ya da "granülasyon" denir.

Bu konveksiyon hareketi yıldızda farklı şekillerde seken dalgalar yaratır. Bu dalgalar, Güneş’in periyodik olarak büzülüp şişmesine sebep olur. Yıldız ne kadar büyükse, ses dalgalarının içinde seyahat etmesi o kadar uzun sürer. Güneş'te tipik bir dalga, bir çevrimi beş dakikada tamamlar. Herhangi bir dalga, Güneş benzeri yıldızlarda birkaç gün sürer ancak her zaman yeni dalgalar ortaya çıktığı için yıldızlar her zaman titreşir. Güneş'ten onlarca kat daha büyük olan kırmızı devler, haftalarca, aylarca yayılabilen daha düşük frekanslı dalgalara sahiptir. 

Güneş, bize en yakın yıldız olduğundan, tahmin edersiniz ki bu titreşimleri ilk olarak Güneş’te tespit ettik. 1962'de, Caltech fizikçisi Robert Leighton liderliğindeki bir grup bilim insanı, Los Angeles yakınlarındaki Mount Wilson Gözlemevi'ndeki 18 metrelik güneş kulesini kullanırken Güneş’in yüzeyindeki parlaklık değişimlerine dikkat çekti. Ardından 1970'lerde yapılan takip çalışmaları, farklı frekanslardaki dalgaların bu davranıştan sorumlu olduğunu ortaya çıkardı. 1977'de Güneş'in titreşimlerini incelediğimizde, yıldızımızın konveksiyon bölgesinin tahmin edilenden çok daha derine indiğini fark ettik. O zamandan beri, heliosismoloji alanı, Güneş'in dönüşü ve iç yapısı hakkında çok daha ayrıntılı bilgi vermeye ve popülerleşmeye başladı. 

Uzaktaki Yıldızların Titreşimlerini Nasıl Algılıyoruz?

Evet, Güneş yanı başımızda olduğu için ondaki titreşimleri algılamak oldukça ‘kolay’. Peki ya uzaktaki yıldızların titreşim yapıp yapmadığını nasıl algılayacağız?

Diğer yıldızların çoğu o kadar uzakta ki, en büyük teleskoplar bile onları yalnızca tek bir ışık noktası olarak görebiliyor ve onların ayrıntılı yüzey özelliklerini doğrudan görmek neredeyse imkânsız. Özellikle, yıldızın genel parlaklığındaki ses dalgalarının neden olduğu değişimler bir hayli küçük, yaklaşık milyonda dört parça. Şöyle hayal etmeyi deneyelim; İnanılmaz bir ışıklandırma sistemiyle donatılmış bir odada olduğunuzu düşünün. Yıldızın parlaklığındaki değişimleri görebilmek, parlak spot ışıklarıyla dolu bu odada cep telefonunuzun fenerini açıp kapatmanıza eşdeğerdir. 

Doppler Etkisi ve Kırmızıya Kayma

Dolayısıyla işin içine başka bir yöntem giriyor: Doppler Etkisi. Doppler Etkisini hem bir ses kaynağı hem de bir ışık kaynağı meydana getirebilir. Örneğin, bize yaklaşan bir itfaiyenin sesinin frekansının giderek arttığını duyarız. Araç yanımızdan geçip bizden uzaklaşmaya başladığındaysa frekans giderek azalır. Yani genel olarak Doppler Etkisi veya Doppler Kayması, bir gözlemciye göre hareket eden bir kaynak tarafından üretilen herhangi bir ses veya ışık dalgasının frekansındaki değişiklikleri tanımlar. Evet, ışıkta da Doppler Etkisi gözlemliyoruz ve buna “kırmızıya kayma” da deniyor. Bir cisim Dünya’ya doğru yaklaşıyorsa ışığın frekansı artar ve ışık maviye kayar, eğer uzaklaşıyorsa ışığın frekansı azalır ve ışık kırmızıya kaymaya başlar. Yani o cismi daha kırmızı görürüz.

Asterosismolojide de yıldız, titreşimlerden kaynaklı büzülüp şiştiği zaman yüzeyi hareket eder. Yıldızın yüzeyi hareket ettikçe, spektrograf adı verilen bir alet bu kaymaları algılar. Böylece titreşimleri inceleyebilme şansımız olur.

İkinci bir yöntem, hem Kepler hem de TESS teleskopları tarafından kullanılan yöntem olan yıldızdan gelen ışığın genel parlaklığının zaman içinde ölçülmesidir.

Dünya'nın atmosferi ve hava koşulları gibi etmenlerden dolayı parlaklıktaki ince değişiklikleri, yer tabanlı teleskoplarla ayırt etmek zor. Dolayısıyla, yıldız orkestrasını sürekli dinlemek için gök bilimcilerin uzay teleskoplarına ihtiyacı var. 2006'da fırlatılan CoRoT uydusu ve 2009'da fırlatılan Kepler Uzay Teleskobu, geniş bir yıldız yelpazesinde heliosismolojiyi her zamankinden daha ayrıntılı bir şekilde keşfetmede öncü konuma geldiler.

Asterosismoloji Bize Ne Öğretiyor?

Asterosismoloji bize yıldızlar ve özellikle yıldızların iç yapıları hakkında diğer hiçbir araçla öğrenemeyeceğimiz olguları ve diğer yöntemlerle elde ettiğimiz bilgilerin daha duyarlı halini öğretmektedir. Hemen örnek verelim. 

Yıldızlardan aldığımız titreşimlerin frekanslarının arasındaki boşluk (ya da fark) gibi özellikleri ölçerek; yıldızın kütlesi, yarıçapı ve yaşı gibi pek çok veriyi büyük bir duyarlılıkla öğrenmek mümkündür.

Örneğin, Kepler Uzay Teleskobu ses dalgalarının bazılarını tespit etmek için dört yıl boyunca gökyüzünün aynı noktasına baktı. Kepler görevinin birincil amacı, ötegezegenleri aramak olsa da; gezegenleri bulmak için gereken uzun gözlemler, yüzlerce titreşen Güneş benzeri yıldızdaki frekansları seçmek için de mükemmel bir ortam hazırladı. 

Bu titreşimleri kırmızı dev yıldızlarda tespit etmek, Güneş benzeri yıldızlarda tespit etmekten çok daha kolaydır. Bunun sebebi, kırmızı dev yıldızlardaki ses dalgalarının periyotlarının daha uzun sürüyor olmasıdır. Yani daha genç yıldızların periyotları, yalnızca birkaç dakika sürerken, bir kırmızı devdeki ses dalgasının ileri geri salınması saatler alır.

Kırmızı devlerin iç kısımları, yıldız evrim basamaklarını tırmandıkça değişmeye başlar. Çekirdekteki hidrojeni tüketen kırmızı devler, çekirdeğin etrafında bulunan kabuktaki hidrojeni yakmaya başlar. Çekirdekte ise artık sadece helyum kalmış olur. İlerleyen aşamalarda yıldız, helyum çekirdeği de yakmaya başlar. Her iki durumda da kırmızı dev yüzeyde aynı görünür. Ancak Kepler, durumun hiç de böyle olmadığını ve asterosismik imzaların çok farklı olduğunu gösterdi. Dolayısıyla iki kırmızı dev popülasyonunu ayırt etmek, yıldız evrimi anlayışımızda ileriye doğru büyük bir sıçrama oldu.

Gördüğünüz gibi, belki duyamıyoruz ama gökyüzündeki her bir yıldız, kendilerine has müthiş bir konser veriyor. İşin muhteşem tarafıysa bu senfoniyi dinleyerek; evren, yıldızların iç yapısı ve hatta ötegezegenler hakkında eşsiz bilgilere erişebiliyor olmamız. Kürelerin müziği hiç bu kadar ufuk açıcı olmamıştı! 

Yazar: Asya Demirkol
Editör: Tolga Barın
2. Editör: Kemal Cihat Toprakçı

Kaynaklar ve Referanslar:

1. NASA. (n.d.). Sound wave applet. NASA. Alındığı Tarih: 5 Mart, 2023, Alındığı Yer: https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/sndwave.html 
2. Sounding the sun: Helioseismology. (n.d.). Alındığı Tarih: 3 Mart, 2023, Alındığı Yer: https://www.stat.berkeley.edu/~stark/Seminars/Aaas/helio.htm 
3. NASA. (2022, January 8). Symphony of stars: The science of stellar sound waves. NASA. 4 Mart, 2023, Alındığı Yer: https://exoplanets.nasa.gov/news/1516/symphony-of-stars-the-science-of-stellar-sound-waves/ NASA. (2022, January 8). 
4. Skyatnightmag. (2021, September 7). How astronomers listen to the sound of stars. BBC Sky at Night Magazine. Alındığı Tarih: 3 Mart, 2023, Alındığı Yer: https://www.skyatnightmagazine.com/space-science/astronomers-listen-sound-stars/