Karanlığa Dikkatle Bakmak: İlkokulda Karadelik Modellemesi Teach article

Tercüme eden: Tutku Yalçınkaya. Öğrencilerinize karadelikleri izah etmede zorlanıyor musunuz? Neden sınıfınızda bu basit aktiviteleri denemiyorsunuz?

Şekil 1: Bir sanatçının
karadelik izlenimi.  Karadelik
yalnızca çok merkezi bir
noktadır fakat onun
yerçekimi öylesine güçlüdür
ki etrafındaki yıldızların ışığı
kaçmayı başaramaz.

Fotoğraf Avrupa Uzay Ajansı,
NASA ve Felix Mirabel’in
(Fransız Atom Enerjisi
Komisyonu & Astronomi ve
Uzay Fiziği Enstitüsü / Conicet
of Argentina) izniyle
kullanılmıştır.

Birçok genç insan karadelikleri duymuştur ve bunların içerisine bir şey düştüğünde tekrar çıkamayacağını –ışığın bile kaçamayacağını- bilirler. Karadelikler isimlerini şöyle almıştır: bunlar uzayda birer noktadır ve hiç ışık yaymazlar (şekil 1). Bu açıklaması kolay bir kavram değildir. Bu nedenle bu yazıda, karadelikleri kısaca anlatacağım ve öğrencilerin, ne olduğunu gözlerinde canlandırmalarına yardımcı olacak iki kolay aktivite önereceğim. Her aktivite yaklaşık birer saat alacaktır; bunlar 10-14 yaş öğrencileri için (eleştirmenin 10-19 yaş için kullanılabileceğini not etmesine rağmen) uygundur.

Kara delikler

Şekil 2: Bir kara delik:
Çökmüş yıldız ya da
singularity; olay çevreni,
tekilliğin etrafındaki  ışığın
bile kaçamadığı bölge ve olay
çevreninin dışındaki,
nesnelerin hapsedilmedikleri
halde karadeliğin yerçekimini
hissetikleri bölge. Resmi
büyütmek için üzerine
tıklayınız.

Fotoğraf: Monica Turner

Kara delikler çok büyük kütleli (Güneş’in en az birkaç katı kütleye sahip) yıldızların ölümü sırasında oluşur.

Bir yıldız, birçok gaz katmanı tarafından çevrelenmiş sıcak bir çekirdekten oluşurw1. Yıldızın çekirdeğindeki hidrojen ve helyum gibi hafif elementler termonükleer füzyon ile bir araya gelerek metaller gibi daha ağır elementleri oluştururlar. Bu süreçte oluşan ısı bir dış basınç oluşturarak, yerçekimi kuvvetinin yıldızın merkezine doğru gaz çekmesini dengeler ve yıldıza geniş boyutunu sağlar. Yıldızın çekirdeğindeki yakıt bittiğinde, yıldız bu ağır dış katman gazlarının ağırlığını kaldıramaz. Eğer ölmekte olan yıldız çok büyük ise, yerçekimi gazı çekecektir ve yıldızın oldukça küçülmesine sebep olacaktır ta ki yoğunluğu bir noktada sonsuza ulaşana dek. Buna tekillik (singularity) denir (şekil 2).

NGC 3621 galaksisinin
Avrupa Güney Gözlemevi
(ESO)’ndeki Very Large
Telescope kullanılarak
çekilmiş bir fotoğrafı. Bu
galaksinin merkezinde aktif
bir süper kütleli karadelik
olduğu ve bu karadeliğin
cisimleri yuttuğu, radyasyon
ürettiği düşünülmektedir.

Fotoğraf ESO’nun izniyle
kullanılmıştır.

Tekilliğin yakınında yerçekimi öylesine güçlüdür ki hiçbir şey kaçamaz. Kaçış hızının ışık hızından fazla olması lazımdır –bu nedenle ışık dahi kaçamamaktadır, bu da kara deliğin neden siyah olduğunu açıklamaktadır ( Bu aslında bir delik değildir, bizler göremesek de burada birçok şey vardır ). Nesneler bir defa olay çevrenine çekildiklerinde geri dönüşleri yoktur.

Tekillikten belli bir mesafede, yerçekimi ışığın kaçmasına izin verecek kadar zayıflar. Böylece bu mesafedeki nesneler görülebilir. Bu hudut, olay çevreni olarak adlandırılır. Olay çevreninin dışındaki nesneler hala kara deliğin yerçekimini hissederler ve ona doğru çekilirler fakat görülebilirler ve olanak dâhilinde içerisine düşmekten kaçabilirler.

Kara delik oluştuktan sonra etrafındaki yıldızlar ve diğer kara delikler gibi kütleleri emerek büyürw2. Eğer bir kara delik yeterince materyal yutarsa, bir süper kütleli kara delik olur. Bu da demektir ki o artık bir milyon güneş kütlesinden daha büyük bir kütleye sahiptir. Süper kütleli kara deliklerin, Samanyolu da dâhil, birçok galaksinin merkezinde bulunduğu düşünülmektedir.

Genelde astronomlar uzaydaki nesneleri ışığa bakarak gözlemlerler. Sözgelimi; yıldızlarla böyle çalışırlar (bkz. Mignone & Barnes, 2011). Ancak kara delikler hiç ışık yaymadığından onlar bu alışılmış metotla gözlemlenemezler. Bunun yerine astronomlar karadeliklerle diğer nesnelerin etkileşimini gözlemlerler. Bunu yapmanın bir yolu kara deliğin etrafındaki yıldızların hareketine bakmaktır. Çünkü kara deliğin varlığında yıldızların yörüngelerinde değişiklik olacaktırw3.

 

Etkinlik 1: Bir karadeliğin oluşumunu modellemek

Bu etkinlik öğrencilere bir karadeliğin büyük bir yıldızın çöküşüyle nasıl meydana geldiğini, yıldızın çekirdeğinin kendisini çevreleyen dış katmandaki gazları nasıl taşıyamadığını gösterecektir. Önerilen süre 1 saattir.

Materyaller

Her grup için;

  • 1 balon
  • Her biri yaklaşık 30 cm2 olan Alüminyum folyo tabakaları,
  • Balonu patlatmak için iğne

Metod

  1. Öğrenciler balonu şişiririr ve sıkıca bağlar. Daha sonra yıldız modeli yaratmak için onu birkaç kat alüminyum folyo ile kaplarlar.
  2. Alüminyum folyoların, yıldızın etrafındaki farklı gaz katmanlarını ve balonun da onlara şekil veren aşırı sıcak yıldız çekirdeğini temsil ettiği açıklanır. Çekirdeğin içinde termonükleer füzyon tarafından oluşturulmuş ısı, gaz katmanları üzerinde bir basınç oluşturmakta ve onları çökmekten korumaktadır.
  3. Öğrenciler balonu hafifçe bastırarak yerçekimi etkisini simüle ederler. Çekirdekteki basınç yıldızın yerçekiminden çökmeyeceği kadar uygulanmalıdır.
  4. Yıldız ömrünün sonuna geldiğinde çekirdekteki yakıtını bitirmiş olacaktır ve artık gaz katmanlarını taşıyamayacak haldedir. Öğrencilerin iğneyle balonu patlatmalarına izin verilerek bu süreci canlandırmaları sağlanır.
  5. Daha sonra yerçekimi etkisini taklit etmek için balonu elleriyle sıkıştırırlar. Bu defa folyoyu küçük bir top kadar sıkıştırarak kara deliğin oluşumunu canlandırırlar. Küçük topun kütlesinin yıldız modelinin kütlesi ile aynı olduğuna ancak ikisinin boyutlarının birbirinden oldukça farklı olduğuna dikkat çekilir.

Tartışma

Şekil 3: 2. Etkinlik için
gereken materyaller

Fotoğraf: Charlotte Provost ve
Monica Turner’ın izniyle
  • Eğer gerçekten balonun büyüklüğünde bir yıldız olsaydı kara delik ne kadar büyük olurdu? Buruşuk top gerçek bir karadeliği temsil etmek için fazla küçük ya da fazla büyük olabilir mi?

    Cevap: Buruşuk top karadeliği temsil etmek için fazla büyüktür. Büyük bir yıldızdan oluşsa bile gerçek bir karadelik bir kalem ucundan daha küçük olacaktır.

  • Yıldızdaki gaz tabakalarını temsilen daha çok alüminyum folyo kullanılsaydı ne olurdu? Yıldız daha mı büyük olurdu? Karadelik nasıl olurdu?

Yıldızın daha çok gaz tabakasından oluşması (alüminyum folyo) onun daha büyük olmasını sağlayacaktır. Bu aynı zamanda daha büyük bir karadelik oluşmasını sağlayacaktır çünkü karadeliği oluşturacak daha çok materyal olmuş olacaktır.

  • Yoğunluk kavramı (birim hacimdeki kütle) burada gösterilmiştir. Hangisi daha yoğundur; yıldız mı karadelik mi?

    Farklı boyutlarda olmalarına rağmen yıldız ve karadelik aynı kütleye sahiptir çünkü aynı miktarda materyalden yapılmışlardır. Fakat karadelik daha küçük olduğundan daha az hacimde daha çok materyal içerir ve böylece daha yüksek yoğunluğa sahiptir.

 

 Etkinlik 2: Bir karadeliğin hareketini modellemek

Basamak 4: Uzay-zaman
kumaşını bükmesi için ağır
topu merkeze yerleştirin

Charlotte Provost ve Monica
Turner’ın izniyle

Bu etkinlikte öğrenciler bir karadelik modeli oluşturacaklar ve bu onlara, bir karadeliğin uzay-zamanı nasıl büktüğünü, yakınındaki nesneleri nasıl etkilediğini görmelerinde yardım edecektir. Önerilen süre 1 saattir.

Materyaller

Her grup için (Şekil 3):

  • 1 adet kas yaralanmaları için kullanılan hafif elastik bandajların (örn. Tubifix,) mevcut en büyük olanından (toraks için kullanılan)
  • 1 adet küçük bilye
  • 1 adet çok ağır top (boules, İtalyan bovlingi ya da pétanque gibi oyunlarda kullanılan)
  • 1 adet keskin makas

Metod

Basamak 5: Küçük bir bilyeyi
kumaş boyunca yuvarlayınız
ve yörüngesini nasıl
değiştirdiğini gözlemleyiniz.

Charlotte Provost ve Monica
Turner’ın izniyle
  1. Elastik bandajdan yaklaşık 40 cm uzunluğunda bir parça kesilir. Borulu ise bir kenarından kesilebilir.
  2. İki boyutlu uzayı temsil etmek için, bandaj iyice gerilmiş hale gelinceye kadar öğrencilerden onu yatay olarak germesi istenir.
  3. Bilye bandajın üzerine yerleştirilir ve bandajın yüzeyinde yuvarlanması sağlanır. Bilyenin yolu, uzayda ışığın takip ettiğine benzer düz bir çizgi olmalıdır.
  4. Ağır top bandajın üzerine yerleştirilir ve uzay kumaşını ne kadar deforme ettiği gözlemlenir. Uzay ağır kütle etrafında bükülecektir.
  5. Bilyenin yuvarlanmasının kütleye yaklaşması sağlanır. Bilyenin yörüngesi, bandajın deformasyonundan dolayı değişecektir. Bu, ışığın, etrafındaki uzayı deforme eden kütleli bir nesnenin yakınından geçerken başına ne geldiğini göstermektedir. Bilyenin hızı değiştirerek yörüngesindeki değişiklik tekrar izlenir.
  6. Merkezdeki kütle yoğunlaştıkça (büyük top ağırlaştıkça) bandaj daha çok bükülecektir. Bu yerçekimsel kuyunun derinliği arttıkça bilye buradan kaçamayacaktır.
  7. Bilye büyük topa yaklaştığında “karadelik” etrafında dönmeye başlar ve sonunda içine düşer. Burada birşeyin karadelik içerisine ne kadar kolay düştüğünü ancak buradan çıkmasının güç olduğunu görülmektedir. Karadeliklerden dolayı ne olmuştur: onların çekimi uzayı deforme etmiştir böylece ışık ve diğer nesneler içine düşmüştür ve kaçamamıştır.

Tartışma

Şekil 6: Farklı ağırlıklarda
bilyelerin kullanımı.

Charlotte Provost ve Monica
Turner’ın izniyle
  • Bilyenin hızını azaltırsanız ne olur? Neden?

    Bilyenin hızı yeterince fazla olursa bilye karadeliğin çekiminden kaçmak için yeterli enerjiye sahip olacaktır. Ancak bilyenin hızı çok düşükse karadeliğin çekim gücü çok kuvvetli olacak ve bilye kaçamayacaktır.

  • Daha ağır bir büyük top kullanırsanız ne olur? Daha ağır bir bilye kullanırsanız ne olur (şekil 6)?

    Daha büyük nesneler daha güçlü çekim kuvvetine sahip olduklarından her iki durumda da bilyeyi, karadeliğin çekiminden kaçması için daha güçlü atmanız gerekir.

  • Yıldızların hareketlerini gözlediğinizde bir yerlerde karadelik olduğunu nasıl söyleyebilirsiniz?

    Eğer bir karadelik yeterince büyükse yıldızlar yakınından geçerken onun çekim alanına hapsedileceklerdir ve Güneş Sistemi’mizdeki birçok gezegenin Güneş’ in yörüngesine yerleşmeleri gibi karadeliğin yörüngesine yerleşeceklerdir. Yıldızların hareketlerini gözlemlerken astronomlar onların aynı merkezi noktada olup olmadıklarına bakarlar. Eğer bu merkezi noktada bir nesne görülmezse, burada bir karadelik olmalıdır.

Alıntılar

Etkinlik 1, Inside Einstein’s Universe websitesindekiw4 ‘Journey to a Black Hole’ kitapçığındaki gösterimden adapte edilmiştir. Bu etkinlik sırasıyla NASA’nın Imagine the Universe websitesindekiw1 ‘Alüminyum Folyo, Balonlar, Karadelik’ etkinliklerinden uyarlanmıştır.

Etkinlik 2, UNAWE veritabanındaki Ricardo Moreno’ya ait bir kaynaktan adapte edilmiştir (Ricardo Moreno from Exploring the Universe, UNAWEw5 Espagna).

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Author(s)

Monica Turner received her BSc in physics from McGill University in Montreal, Canada, and then completed her master’s in astronomy at the University of Victoria in Victoria, Canada. She is currently working on her PhD in astronomy at Leiden Observatory in the Netherlands. Monica has experience as a teaching assistant for astronomy classes, as well as working with young children in science camps, and is currently involved with EU Universe Awareness (UNAWE)w4.


Review

Bu yazıda yazar karadeliklerin nasıl oluştuğunu ve ‘uzay-zaman’ ile nasıl etkileştiğini kısaca açıklamaya çalışmıştır. Daha sonra oldukça kolay ancak etkileyici deneylerle karadeliklerin oluşumunu ve etrafındaki uzayı nasıl etkilediğini tarif etmiştir.

Aktivitelerden sonra kullanılabilecek sorular:

  • Karadelikleri tanıt.
  • Yıldızların kararlı olmalarını sağlayan nedir? ( Öğrencileriniz yerçekimi ve füzyonu tartışmalıdır.)
  • Tekillik nedir?
  • Yerçekimi büyük nesneleri nasıl etkiler? Fotonları (ışığı) nasıl etkiler?
  • Süperkütleli karadelik nedir?

Gerd Vogt, HLUW Yspertal, Avusturya




License

CC-BY-NC-SA