Yeni bir çalışmayla evrenin dört bir yanında bulunan çarpışmasız şok dalgalarının, parçacıkları aşırı hızlara nasıl ulaştırabildiğini anlamaya bir adım daha yaklaşıldı.
Bilim insanları, evrenin dört bir yanında bulunan çarpışmasız şok dalgalarının, parçacıkları aşırı hızlara nasıl ulaştırabildiğini anlamaya bir adım daha yaklaştı. Doğanın en güçlü parçacık hızlandırıcılarından biri olan bu şok dalgaları, kozmik ışınların – uzayda büyük mesafeler kat eden yüksek enerjili parçacıkların – oluşumundaki rolleri nedeniyle bilim dünyasının uzun süredir ilgisini çekiyor.
Araştırmayı, ABD’deki Johns Hopkins Üniversitesi Uygulamalı Fizik Laboratuvarı’ndan Dr. Savvas Raptis liderliğindeki uluslararası bir ekip gerçekleştirdi. Sonuçları Nature dergisinde yayınlanan çalışmaya, Northumbria Üniversitesi’nden Dr. Ahmad Lalti de katkı sağladı. Araştırma, NASA’nın MMS (Magnetospheric Multiscale) ve THEMIS/ARTEMIS görevlerinden elde edilen uydu gözlemlerini, son teorik gelişmelerle birleştirerek, çarpışmasız şok ortamlarında elektronların nasıl hızlandığını açıklayan kapsamlı bir model sunuyor.
Evrendeki küçük ama güçlü mekanizmalar
Parçacıklar, maddenin temel yapı taşları olarak biliniyor ve genellikle atomaltı düzeyde inceleniyor. Protonlar, nötronlar ve elektronlar en bilinen parçacıklardır; ancak kuarklar, nötrinolardan kozmik ışınlara kadar birçok türde parçacık, evrenin enerji transfer mekanizmalarında kritik roller oynuyor. Parçacık hızlanması, bu temel yapıların bir enerji kaynağından hız kazanarak daha yüksek kinetik enerjilere ulaşması anlamına geliyor. Doğada bu süreç, yıldız patlamaları (süpernovalar), güneş rüzgarları ve hatta kara deliklerin etrafındaki yoğun manyetik alanlar gibi çeşitli ekstrem olaylarda gözlemlenebiliyor.
Hızlanma süreci genellikle iki temel mekanizmayla açıklanıyor; elektrik ve manyetik alanlarla doğrudan etkileşim veya çarpışmasız şok dalgaları gibi doğal fenomenler. Çarpışmasız şok dalgaları, gazların veya plazmanın çarpışmadan, yalnızca manyetik alanlar ve elektrik yükleri aracılığıyla enerji transfer ettiği bölgeler olarak tanımlanıyor. Bu şoklar, örneğin bir süpernova patlamasında yayılan madde ile çevresindeki uzay ortamının karşılaşması sırasında oluşabiliyor. Bu bölgelerde parçacıklar, defalarca ileri-geri sıçrayarak veya dalgalarla etkileşime girerek hızlanıyor.
Şok dalgalarının anlaşılması kritik
NASA’nın MMS ve THEMIS/ARTEMIS görevlerinde gözlemlenen çarpışmasız şok dalgaları, Dünya’nın yay şok bölgesinde yer alıyor. Bu bölge, Güneş’ten gelen plazma akımlarının (güneş rüzgarlarının), Dünya’nın manyetosferiyle çarpıştığı noktada oluşuyor. Bu etkileşim sırasında elektronlar, plazma dalgalarıyla çarpışmadan hızlanarak, başlangıçta sahip oldukları enerji seviyelerinin yüzlerce katına çıkıyorlar. Örneğin, 2017’de gözlemlenen bir olayda, elektronların enerjileri 1keV seviyesinden 500keV’ye ulaştı. Bu, normal koşullarda mümkün olmayan ölçekte bir hızlanma anlamına geliyor.
Şok dalgaları yalnızca Dünya yakınında değil, evrenin dört bir yanında önemli rol oynuyor. Örneğin, süpernova kalıntılarında oluşan şok dalgaları, parçacıkları ışık hızına yakın seviyelere ulaştırarak kozmik ışınların oluşmasını sağlıyor. Bu kozmik ışınlar, evrenin bir ucundan diğerine yolculuk ediyor ve galaksiler arası uzayı şekillendiren temel unsurlardan biri olarak biliniyor. Benzer şekilde, aktif galaksi çekirdekleri veya kara deliklerin çevresindeki jet akımları da, çarpışmasız şok dalgalarının oluştuğu ve parçacıkların hızlandığı diğer alanlar olarak tanımlanıyor.
Bu süreçlerin anlaşılması, hem evrenin enerji dinamiklerini kavramak hem de Dünya üzerindeki etkilerini öngörmek açısından önemli. Örneğin, güneş rüzgarlarının tetiklediği şok dalgaları, uydulara ve elektrik şebekelerine zarar verebilecek jeomanyetik fırtınalara yol açabiliyor. Bu nedenle, bilim insanları, Dünya’ya yakın bölgelerdeki plazma dinamiklerini inceleyerek hem evrensel enerji süreçlerine ışık tutmayı hem de günlük hayatımızı etkileyen riskleri daha iyi anlamayı hedefliyor.
Yeni çalışma, astrofiziğin uzun süredir çözmeye çalıştığı bir bilmeceyi ele alıyor: Elektronlar nasıl olağanüstü yüksek, yani göreli (relativistik) enerji seviyelerine ulaşabiliyor?
Elektronların relativistik enerjilere ulaşmasını açıklayan ana mekanizma, Fermi ivmelenmesi veya Difüzyonlu Şok İvmelenmesi (DSA) olarak biliniyor. Ancak bu mekanizma, elektronların önce belirli bir eşik enerjiye ulaşmasını gerektiriyor. Bu başlangıç enerjisinin nasıl sağlandığını açıklamak ise “enjeksiyon problemi” olarak adlandırılıyor.
Yeni araştırma, elektronların düşük enerjilerden yüksek enerji seviyelerine ulaşmasını sağlayan çeşitli mekanizmaların etkileşimini ortaya koyarak enjeksiyon problemine dair önemli bilgiler sunuyor.
Araştırma ekibi, 17 Aralık 2017’de Dünya’nın yay şoku ön bölgesinde, THEMIS/ARTEMIS ve MMS görevlerinden alınan verilerle, elektronların 500 keV’yi aşan enerji seviyelerine ulaştığı bir olay gözlemledi. Bu, genelde sadece ~1 keV enerjiye sahip olan bölgedeki elektronlar için çarpıcı bir sonuç.
Bu yüksek enerjili elektronların, plazma dalgaları, geçici yapılar ve Dünya’nın yay şokuyla etkileşim gibi birçok ivmelenme mekanizmasının karmaşık etkileşimiyle üretildiği belirtiliyor. Araştırma, bu süreçlerin birlikte elektronları düşük enerjilerden (~1 keV) relativistik seviyelere çıkararak özellikle verimli bir ivmelenme süreci oluşturduğunu gösteriyor.
Bu bulgular, kozmik ışınların oluşumunu anlamada yeni yollar açarken, güneş sistemimizdeki fenomenlerin evrenin genelindeki astrofiziksel süreçlere nasıl ışık tutabileceğine dair önemli ipuçları sunuyor.
Dr. Raptis üniversite bültenine verdiği demeçte, farklı ölçeklerdeki fenomenleri birleştirmenin doğayı anlamada kritik olduğunu belirterek, “Çoğu araştırmamız, ya küçük ölçekli etkiler, ya da büyük ölçekli özellikler üzerine odaklanıyor. Ancak bu çalışmada, farklı ölçeklerdeki olayları birleştirerek parçacıkları uzayda nasıl enerjilendirdiklerini gözlemleyebildik,” ifadelerini kullandı.
Northumbria Üniversitesi’nden Dr. Ahmad Lalti ise, “Evreni anlamanın en etkili yollarından biri, Dünya yakınındaki plazma ortamını doğal bir laboratuvar olarak kullanmaktır. Bu çalışmada, MMS ve THEMIS/ARTEMIS görevlerinden alınan verileri kullanarak, plazma süreçlerinin nasıl bir araya gelerek elektronları relativistik seviyelere kadar hızlandırdığını gösterdik. Bu temel süreçler sadece güneş sistemimizle sınırlı değil, süpernova kalıntıları ve aktif galaksi çekirdekleri gibi uzak astrofiziksel yapılarda da gerçekleşiyor,” sözlerini ekledi.
Araştırma, Northumbria Üniversitesi’nin uzay ve güneş fiziği alanındaki çalışmalarının bir parçası olarak öne çıkıyor. Üniversite, Birleşik Krallık Uzay Ajansı ve Met Ofisi gibi kurumlarla işbirliği yaparken, 50 milyon sterlin bütçeli bir uzay becerileri ve araştırma geliştirme merkezi kurmayı planlıyor.
Kaynak: Northumbria University
