Uzayın Derinlilerinden Gelen Kozmik Lazerler
Kozan Demircan | 18/06/2020 | Bilim-Teknoloji | Yorum yapılmamış
Lazer ışını insan icadı ama kara delikler, nötron yıldızları ve hatta Mars’la Venüs uzaya doğal lazer ışınları yolluyor. Peki kozmik lazerler nasıl çalışıyor? Bunun için lazer nedir sorusuyla başlayalım: Lazer ışını mercekle odakladığınız gün ışığından farklı olarak dalga boyları hizalanmış ve aynı fazda olan ışık ışınlarından oluşur. Lazerler gün ışığından çok güçlüdür ve göz ameliyatından dron düşürmeye, teleskopları gökteki yıldızlara hizalamaktan mineralleri analiz etmeye kadar her alanda kullanılabilir.
Bilimkurgu filmlerinin tersine bütün lazerler yakıcı değildir, ama yeterince güçlü bir lazeri hem uzaydan internet bağlantısı kurmak hem de ABD donanmasının yaptığı gibi düşman dronlarını yakıp düşürmekte kullanabilirsiniz. Modern bilim tarihinde sıklıkla görüldüğü gibi lazerin hikayesi de Einstein’la başlıyor. Einstein modern bilimin kurucularından biridir ve teknoloji de yalnızca temel bilimlere yatırım yaparak gelişir. Aynı mantık lazer için de geçerli:
Einstein özel ve genel görelilikten sonra 1917’de kuantum radyasyon teorisini geliştirdi. Işığın sadece foton parçacıklarından oluşmadığı ve aynı zamanda dalga olduğundan yola çıkarak ışık dalgalarını hizalamayı düşündü. Bunları üst üste bindirerek eşzamanlı hale getirebileceğimizi gösterdi. Böylece mercekte odaklanmış ışıktan çok daha güçlü ve ince bir ışın ortaya çıkacaktı. Nasıl derseniz:
Fizikçiler 1950’lerde Einstein’ın o zaman adı koyulmamış olan lazer teorisini pratiğe döktüler. Laboratuarda helyum-neon, argon ve azot gibi asal gazlar; yakut, kristal, cam, metalik alaşımlar gibi katılar, hatta organik boyalar üzerinde deneyler yapmaya başladılar. Lazer ışınlarını bu ortamlardan üretiyor ve bunlara lazer medyası diyoruz.
Lazer medyasını oluşturan atomlara enerji vererek atom çekirdeklerinin çevresinde dönen ve mümkün olan en düşük enerji düzeydeki elektronları uyarıyorsunuz. Yüksek enerjili elektronlar üst yörüngelere çıkıyor, ama üst yörüngede kararlı olmadığı için uzaya foton salarak enerji kaybedip orijinal yörüngesine geri geliyor. Bu da dış yörüngeden iç yörüngeye doğru domino etkisi yaratarak bütün elektronların eski yörüngesini almasını sağlıyor:
Demiri 1000 dereceden fazla ısıttığınız zaman kırmızı ve sarı ışık vermesinin sebebi de budur. Demir soğurken elektronlar foton (ışık yayarak) alt yörüngelere geri döner. Ancak, lazer medyası olarak kullanılan yakut atomlarında bütün elektronlar aynı anda eski yörüngelere geri döner. Bu da ışık ışınlarını güçlendirir (tıpkı bir amfinin sesi güçlendirmesi gibi).
Yakut atomları eşzamanlı olarak eş enerjili ışık dalgaları yayar. Bu da resimdeki gibi ışık dalgası tepe ve çukurlarının yapıcı girişim yapacak şekilde hizalanmasına neden olur. Böylece üst üste binmeyen ve farklı dalga boylarından (renklerden) oluşan dağınık gün ışığının yerine süper odaklanmış çok ince, tek renkli ve çok parlak bir ışın elde edersiniz. Lazer ışını budur.
Askeri ve sivil lazerler
Lazer (ışığın uyarılmış ışıma ile yükseltilmesi) teknolojisinin konsept patentini Charles Townes aldı. Mikrodalga lazerleri (MASER) üzerindeki çalışmalarıyla tanınan Townes, 1964 Nobel fizik ödülünü Nikolay Basov ve Alexander Prokhorov’la paylaştı. Dünyanın ilk lazerini ise Amerikalı fizikçiler Ali Javan ve William Bennett 1960’ta geliştirdi.
Bu da helyum-neon kullanan bir gaz lazerdi. Gaz lazerler üniversitelerde yaygın olarak kullanılıyor; çünkü düşük güç tüketimiyle kaliteli ve kesintisiz (süreğen) ışın üretiyor. Görünür ışık da yaydığı için insan gözünün lazerleri görmesi mümkün oluyor. Bu hem öğrenim hem de güvenlik için gerekli.
Dünyada sıvı, katı, gaz ve diyot olmak üzere dört tür lazer var ki her birinin kullanış amacı farklı. Örneğin sıvı ve katı hal lazerlerinin geliştirilme sebebi daha kullanışlı olmalarıdır: Gaz lazerler laboratuarda çok yer kaplıyor ve bunları uçaklarla tanklara sığdırmak zor oluyor. Bu yüzden ABD askeri kuvvetleri daha çok sıvı lazerleri araştırıyor ve bunun bir nedeni de katı hal lazerlerinin aşırı ısınmasıdır. Bunları atımlı (darbeli) olarak, yani kısa aralıklarla ateşlemek gerekiyor. Peki askeri lazerler nasıl geliştiriliyor?
THEL ve MTHEL lazer silahları.
Organik boyadan geliştirilen sıvı lazerler ve gelecek kuşak katı hal lazerlerini kullanan askeri araçlar düşman dronlarına uzun süre boyunca kesintisiz ışınlarla ateş edebilecekler. ABD bunun için son 10 yılda iki tür lazer silahı geliştirerek kullanıma sundu.
Bunlardan biri olan mobil ve sabit yüksek enerjili lazer (THEL ve MTHEL) daha çok tank katili roketlere karşı geliştirildi. Bu aslında gerçek bir lazer silahı sayılmaz. Teleskop benzeri kalın silindirik gövdesine bakınca aslında altı adet kaynak lazerinden oluştuğunu görüyorsunuz. Bu lazerleri Star Wars’taki Ölüm Yıldızı gibi odaklaması da söz konusu değil altısıyla birden dronlara ateş ediyor o kadar ama işe yarıyor. XN-1 Lazer Silahı Sistemi ise (LaWS) dronları imha etmek için tasarlandı ve 2014’te başlayan deneme süresinden sonra USS Arleigh Burke (DDG-51) destroyerinde kullanılacak ki dahası var:
Yüksek Enerjili Sıvı Lazer Hava Savunma Sistemi (HELLADS) en yeni teknoloji konsepti olarak füzeleri vurmak için dizayn ediliyor. Gerçi lazerleri küçültüp yaygınlaştırmak zaman alacak ve bu nedenle lazer silahları 2040’tan sonra yaygınlaşacak. Yine de Robotech ile Star Wars’taki lazerlerin ilkel versiyonlarını 20 yıl içinde Amerikalı ve İngilizlerin hayalet dronlarında (Avenger ve Taranis) görebiliriz.
Yarıiletken lazer olarak da adlandırılan diyot lazerlere gelince… Bunlar elektronik aletlerde kullanılıyor. Eski CD, DVD, Blu-Ray okuyuculara takılan diyot lazerler düşük enerjiyle çalışıyor. Bunun dışında barkod okuyucu ve tarayıcı lazerleri bulunuyor. Böylece lazer teknolojisini özetlemiş olduk. Peki ya doğal lazerler? Kara delikler, nötron yıldızları ve hatta Mars ile Venüs atmosferinin ürettiği kozmik lazerler? Evreni doğal lazerleri kullanarak nasıl araştırdığımızı görelim:
Kozmik Lazerler ve Orion Bulutsusu
1963’te Berkeley Üniversitesi araştırmacıları galakside yeni yıldızların oluştuğu parlak bir gaz bulutu olan Orion Bulutsusundan gelen ışığı incelediler. Astrofizikçiler bulutun kimyasal yapısını araştırıyor ve özellikle de hidrojene bağlanan oksijen atomlarından oluşan hidroksil gruplarıyla (su molekülü ve organik kimya öncülleriyle) ilgileniyordu. Ancak çok ilginç bir şey fark ettiler:
Orion Bulutsusundaki aşırı parlak bölgeye bakarak ve parlaklık artıkça sıcaklığın da arttığından yola çıkarak civar gazların trilyonlarca derece sıcaklığında olduğu gördüler. Bu da gazların süpernova halinde patlayan yıldızlardan bile sıcak olduğunu gösteriyordu! Tabii ortada bir gariplik vardı. 1) Civarda yeni bir süpernova yoktu ve 2) Bu kadar sıcak bir bulutsu hızla genleşerek seyrelir ve uzaya dağılarak gözden kaybolurdu. Hiçbir bulutsu bu kadar sıcak olamazdı.
Böylece fizikçiler üçüncü seçeneği değerlendirdiler: Belki de yepyeni bir moleküle bakıyorlardı. Öyle ki bu molekül ışığı garip bir şekilde odaklayarak görünür parlaklığı artırıyor ve bulutsuyu olduğundan sıcak gösteriyordu. Bu gizemli moleküle şey… gizemli molekül (misteryum) dediler. Ancak gerçek kısa sürede ortaya çıktı. Bunlar sıradan hidroksil molekülleriydi fakat arka planda yeni oluşan yıldızların yaydığı radyasyonla ısınan hidroksiller radyo dalgası yerine kozmik lazer ışınları yayıyordu. 😮
Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, başta Einstein olmak üzere kimse uzayda kozmik lazerler olacağını öngörmedi mi? Tabii ki öngördüler. Nitekim bugün yeni keşifler olarak okuduğumuz hemen tüm bilimsel gelişmeleri en az 30 yıl önce fizikçiler öngörmüştür. Ancak, dönemin fizikçileri kozmik lazerlerin çok nadir olacağını düşünüyordu. 1963’te çok yaygın olduklarını anladık.
Kara delik gaz jeti analizi: Elektrik alanı, marnyetik alan ve gaz jeti türbulansı. Büyütmek için tıklayın.
Kozmik lazerler nedir?
Bunlar pratikte gaz lazerleridir. Arka planda mavi devler gibi aşını enerjik ve sıcak yıldızlar, patlayan süpernovalar, aşırı manyetik nötron yıldızları olan manyetarlar veya aktif kara delikler vardır. Bunlar öndeki gazı arkadan aydınlatarak sürekli radyasyonla bombalar. Böylece gazları oluşturan atomlar ısınır ve lazer ışınları oluşturur.
Nitekim bilim insanları kırmızı dev yıldızların ve hatta Venüs’le Mars’ın atmosferinde doğal lazer ışınları gördüler. Bunlar elbette bir barkod tarayıcısı gibi incecik ışınlar değildir; çünkü uzun mesafelerde lazer ışınları genişleyerek onlar ışık yılı genişliğe ulaşabilir. Doğal atmosferik lazerler ise atmosferin kilometrelerce çapındaki bir bölgesinin lazer ışınları yaymasıyla oluşur.
Evren aktif, dinamik ve heyecanlıdır. İnsanların üretebileceği bütün nükleer silahlardan daha güçlüdür. Kozmik lazerler aynı zamanda kimyasal lazerlerdir; çünkü gaz bulutlarının içinde direkt olarak art aydınlatmayla oluşmazlar. Bunun yerine atomlarla moleküller ısınarak etkileşime girer ve birbirini aynı faza sokarlar. Gaz lazerleri için ışık yeterli olsaydı gün ışığı Dünya atmosferini her gün lazere dönüştürürdü. 😉 Peki kozmik lazerler ne işe yarıyor?
Kacra delikler parçacık ışınları, gaz jetleri ve lazer ışınları yayabilir.
Kozmik barkod okuyucular
Kozmik lazerler normalde göremeyeceğimiz kadar kalın bulutsuların arkasında gizlenen yıldızları aydınlatarak açığa çıkarıyor. Aynı zamanda karanlık bulutsuları gösteriyor. Böylece gökcisimlerinin tayfına bakarak kimyasal bileşimini öğrenebiliyoruz. Kısacası evrendeki elementlerin yaygınlığı ve dağılımını ölçüyoruz.
Aynı zamanda bulutsuların arkasında gizlenen yıldız doğum beşiklerinde neler olup bittiğini, yıldızların soğuk gazlardan nasıl oluştuğunu öğreniyoruz. Kara delikler ve nötron yıldızları ise gaz ve toz bulutlarını yutarken güçlü manyetik alanlar üretiyor. Manyetik alan çizgileri, gazların bir kısmını nötron yıldızı ve kara delik kutuplarından ışık hızının yüzde 70-90’ıyla giden gaz jetleri halinde uzaya püskürtüyor. Bunlar da parçacık ışınlarıdır:
Kütleli parçacıklardan oluşan parçacık ışınları elektron lazerinde olduğu gibi gerçek bir lazer olabilir. Ancak, parçacık ışınlarını otomatik olarak lazer kategorisine sokamayız. Oysa gaz jetleri hem kara delikleri hem de soluk nötron yıldızlarını görmemizi sağlar ve karanlık bulutsuları aydınlatır. Aktif süper kütleli kara deliklerin (kuasarlar) püskürttüğü gaz jetleri uzak galaksileri de görmemizi sağlar.
Peki lazer internet ne zaman geliyor? Onu da Starlink ile uzaydan internet yazısında okuyabilir ve lazer ışınları ya da MASER (mikrodalga lazeri) ile uzaydan dünyaya enerji ışınlamaya şimdi bakabilirsiniz. Hızlı radyo patlamalarının (FRB) uzaylıların lazer yelkenli gemilerinin eseri olup olmadığını da ayrıca inceleyebilirsiniz. Yaz yağmurlarında güzel yürüyüşleri unutmayın ve bilimle kalın. 😊
1Atmospheric physics: Natural lasers on Venus and Mars
2Masers and Lasers
3Water MASER emission: a powerful diagnostictool for the search of extra-terrestrial life (pdf)
4Masers in star forming regions (pdf)