Uzay Neden Karanlık?

(Eksi Sözlükteki bir yazımdı, güncelleyip çizimler ekledim. Mediumcular buraya.)

Muhtemelen çocukken merak ettiğimiz, sonra beynimiz hantallaşınca sorgulamayı bıraktığımız gizemlerden biri. Sorgulamayı bıraksak iyi, bir de sanki cevabını biliyormuş gibi davranıp, merak edeni de garipsiyoruz. Halbuki kulağa aptalca gelmesine rağmen tam cevabı ancak 20.yy'da bulunabildi. 

O yüzden utanmayın, siz de sorun: "Güneş Dünya'mızı aydınlatırken uzay neden karanlık görünüyor?"

Ben de utanmadan cevaplayayım: "Hahaha vay aptal vay, böyle soru mu olur. Uzay karanlık değil ki!".

Ama o ışığı görmenin belli yolları var, işe bunlarla başlayalım:

1) Doğrudan ışık kaynağına bakmak

Örneğin Güneş'ten yola çıkıp, 150 milyon km sonra doğrudan gözümüze giren fotonlar. Bu fotonları "çok parlak bir daire" olarak algılar algılamaz kör oluyoruz zaten.

(Körlük notu. Parlak ışık, retinadaki hücreleri gaza getirdiğinden anlık körlük yaşıyoruz ama kalıcı körlükse kasıt, bunun asıl sorumlusu "gördüğümüz" Güneş ışığı değil, göremediğimiz morötesi ışık, yani UV. Bunun, gördüğümüz ışıktan tek farkı, frekansının yüksek olması, x-ray gibi. Bu enerjik fotonlar retinaya çarptıklarında hücrelerdeki elektronları sağa sola fırlatıyorlar, dokular bozulmaya başlıyor. İlla retinaya çarpmalarına da gerek yok: deriye çarpınca güneş yanığı oluyor) 

Gece gökyüzündeki diğer yıldızları da aynen böyle görüyoruz. Elbette bir yıldızın ışığı her yöne dağılıyor da, biz ancak göz merceğimize doğrudan nişanlanmış fotonları görüyoruz. Zira "görmek" bu demek. "Foton başka yere giderken, yol üstünde onu yandan görmek" gibi bir şey yok. Fotona yan bakılmaz, illa gözümüze girecek.  

Diyeceksiniz ki "Güneş bizi kör ediyorsa gece yıldızların ışığı niye etmiyor?".

Ben de saygıyla cevaplayacağım: "Yahu sen ne aptalmışsın meğer. Işığın parlaklığı, katettiği mesafenin karesiyle ters orantılı. Yani Güneş'ten iki kat uzakta bir yıldız olsa, o kadar parlak görünmesi için 4 kat fazla ışıması lazım. Ama o kadar yakın başka bir yıldız yok. En yakındaki Alpha Centauri 4.3 ışık yılı mesafede, yani Güneşten 280 bin kat uzakta. Karesini al: 80 milyar. Güneş'ten 80 milyar kat fazla enerji saçması lazım. Yok böyle bir israf.

İneklere not: Her bir fotonun enerjisi sabit (redshift etkisi hariç, sonra bahsedeceğim). Değişen şey toplam foton sayısı. Tek bir merkezden yayıldıkları için, iki kat uzaktaki bir noktaya dört kat az foton ulaşır, parlaklık da ona göre değişir. Geometrik bir etki yani. Tüm elektromanyetik ışımalar (radyo, UV, wifi) böyle düşünülebilir. 

 

2) Yansımalar 

Geceleri Güneş'le aramızda bir engel var: Çin. Bir buçuk milyar Çinli sabah kalkıp aynı anda Güneş'e bakınca tüm fotonları emiyorlar, bize bir şey kalmıyor. Gece bu demek.

Çinlilerin gazabından kurtulan bazı fotonlar, ay gibi cisimlerden sekip geliyorlar. Tabii sekerken, enerjinin bir miktarı yüzey tarafından emiliyor. Yüzeyin yapısına göre, değişik frekanslardaki dalgaların bazısı daha çok emiliyor, kalanı yansıyor. Eğer bu değişim, gözümüzün algıladığı o ufacık minnacık frekans aralığında olursa, biz bunu renk değişimi olarak algılıyoruz.

Daha doğrusu, ayı o yansıyan frekansların "renginde" sanıyoruz. Zira beynimiz açısından bunun ilk senaryoyla bir farkı yok. Foton aydan geldiği için, ışık kaynağını o sanıyoruz, nitekim binlerde yıl da öyle sanmışız.

(Bu arada bazı yerlerde görmüştüm, "Kuran'ın mucizesi" olarak, ay ışığının yansıma olduğunun Kuran'da yazıldığı söyleniyordu. Bunun mücizevi bir yanı yok. MÖ 4-5.yy'da antik Yunan'da yaygın bir düşünceydi, Aristo'nun haberi vardı mesela).
 

3) İşığın içip içip dağılması

Mesela filmlerdeki keskin nişancı tüfeğinden çıkan yeşil lazer ışığını düşünün. O lazeri gözümüze tutmuyoruz, yansıdığı yere de diyelim bakmıyoruz. Ama patikasını görüyoruz. Çünkü fotonların bir kısmı, havada başka şeylerle çarpışarak dağılıp, bize geliyorlar. Bunun, lazeri gözümüze tutmaktan farkı, fotonların çok ufak bir bölümünü görmek ve gördüklerimizin de, çarpışmalardan sonra, yorgun argın gözümüze ulaşmaları. O yüzden kör etmiyor.

Aslında dağılım ile yansıma arasında çok bir fark yok. Sadece, dağılıma neden olan engeller çok daha ufak, o yüzden sonuçlar da (yansıma açısı) daha rastgele. Havadaki toz zerreleri, yahut minnacık prizmalar gibi davranan su buharı böyle engeller.

Bu da bizi, gökyüzüne rengini veren Rayleigh dağılımına getiriyor...

Gökyüzü Neden Mavi?

Yaratıcı, zeki, korkusuz çocuğunuz bu soruyu mu sordu? Cevaplayamadığınız için suçluluk mu duyuyorsunuz? Sıkıntı yok, hemen çocuğa bir tokat atın:

-"Yahu sen ne aptal bebesin, gökyüzü sadece gün ortasında mavi. Akşamüstü lacivert, turuncu, mor, kırmızı olmuyor mu? Gece siyah olmuyor mu? Hatta gece yeşil de oluyor, hiç mi İzlanda'da kuzey ışıklarını izlemedin cahil?"

-"Ama ben daha 5 yaşındayım"

-"Kes! Fatih İstanbul'u fethettiğinde kaç yaşındaydı biliyor musun?"

-".....dört?"

-"Vay aptaloğluaptal, o yaşta ehliyet bile alamazsın. 18'di. Anlaşıldı, sen babana çekmişsin." 

Uzay boşluğunda ışığı dağıtacak maddeler olsaydı, astronotlar, Güneş'ten Dünya'ya yol boyu bir ışık hüzmesi görür ve anında imana gelirlerdi. Atmosferdeyse böyle maddeler fazlasıyla var. Işığın geliş açısına göre bazen mavi renkleri dağıtıyorlar (diğer frekanslar dağılmadan, dümdüz geçip yeryüzüne vuruyorlar) bazen de kırmızı tonları.
 

Geceleri ne oluyor? Diğer yıldızlardan gelen veya aydan yansıyan ışık, bu dağılmaya yolaçmayacak kadar zayıf. Gerçi bir akşam şehirden uzakta bir yerde kamp yaparsanız, hava karardıkça gözleriniz ışığa duyarlı hale gelecek: önce yeşilleri daha parlak göreceksiniz, sonra da yıldızlar yavaş yavaş parlayacak. O gecelerde cılız da olsa bir gökyüzü görmek mümkün.

(Yalnız, önünüzü görmek için kırmızı renkli fener kullanın. Parlak ışık gözlerin ışığa hassasiyetini anında bozar ve eski haline gelmesi bir saat sürer. Buradaki mekanizma, sadece bir fotoğraf makinesindeki gibi, irisin açılıp daha fazla ışık almasından ibaret değil. Hücreler de kimyasal bir değişimden geçiyorlar).

Buraya kadarki kısım çok zor değildi. Peki niye sorumuzun cevabı için 20.yy beklendi? Bunun cevabı gece ile alakalı: Niye daha çok yıldız yok?

Olbers Paradoksu
 

Atmosferi filan boşverin, uzayda herhangi bir noktadan etrafa bakınca niye her yer bembeyaz değil? Evet, uzayda ışığı dağıtacak madde yok ama her yönde sonsuz sayıda yıldız var. Görüş alanımın her pikselinde, belli bir mesafede bir ışık kaynağı var.

Belki eskiden, gökyüzünü kaplayacak kadar sayıda yıldızın ışığı bana erişmemişti. Fakat ışık yol aldıkça, her geçen yüzyılda, geceleri gökyüzü kalabalıklaşmalı, astronomlar bunu farketmeliydi.

Aslında durum daha da vahim: Olbers bu fikirleri Big Bang Teorisi'nden önce ortaya attı. Yani o sırada evrenin sabit büyüklükte olduğu ve başlangıçsız olduğu düşünülüyordu. Onun yaşlı evreninde, ışığın seyahati için zaten sonsuz sene beklenmiş, her foton varacağı noktaya çoktan varmıştı. Bırak bizi, 5000 sene önceki atalarımız da çoktan "aydınlanmış" olmalıydılar.
 

"Paradoksu" çözen, evrenin genişlemesi. 20.yy'a kadar beklememizi gerektiren de buydu.

Şimdi siz öğrenildiğinde ufku iki katına çıkaran bir şey söyleyeyim: Evrenin yaşı 13.8 milyar yıl, ama prensipte gözlemlenebilir evrenin çapı 45.6 milyar ışık yılı. Nasıl oluyor da ışık, 13 milyar yıl içinde, 45 milyar yıllık yol gitsin? Evrenin genişlemesiyle tabii. Işığı yola çıktığında yakında olan bir galaksi, şimdi çok uzaklarda olabilir.

Dahası, galaksiler birbirinden uzaklaştıkça, genleşmenin hızı da artıyor. Bir noktada bu hız, ışık hızının da üstüne çıkıyor. Dolayısıyla evrenin bir kısmını hiç göremeyeceğiz (orası bu 45 milyar yıllık çapın da ötesinde). Hatta, şu anda o sınıra yakın galaksilerden gelen ışık belki yarından itibaren "kesilecek". Yani bugün yola çıkan fotonlar bize 45 milyar sonra ulaşacak ama yarın yola çıkan fotonları hiç göremeyeceğiz.
 

Buraya kadarki kısım, neden tüm yıldızları görmediğimizi açıklıyor ama neden bu kadar azını gördüğümüzü açıklamıyor. Onun cevabı: redshift.

Evren genişledikçe, o evrende seyahat eden dalgalar iki ucundan çekilmiş gibi uzuyorlar. Yani dalgaboyları artıyor. Bu enerjinin görünür spektrumda olanı, önce kırmızıya kayıyor, bir müddet sonra da görünmez oluyor (infrared). Gece göğe baktığınızda gördükleriniz, aslen bize ulaşanın çok ufak bir kısmı. 

Buna da şükredin. Milyarlarca yıl sonra hiç bir galaksi bir başkasını göremeyecek. Bir balonun şişirildikçe, üzerindeki noktaların hepsinin bir diğerinden uzaklaşması gibi, her galaksi birbirinden ışık hızının ötesinde uzaklaşıyor olacak. O zamanlar Güneş de ölmüş olacağı için, epey karanlık bir gökyüzü bizi bekliyor. 

(Lafın gelişi canım, biz daha önümüzdeki yüz seneyi zor çıkarırız).