Atarca yıldızlar görünür ışık, X-ışını ve gama ışını gibi elektromanyetik ışıma yayan nötron yıldızlarıdır. Bu yıldızlar çok yoğun oldukları ve kuvvetli manyetik alanlara sahip oldukları için astrofiziğin önemli araştırma konularından biridir. Bu yıldızlar arasında X-ışını yayan atarcalar ise astrofiziğin yanı sıra fiziğin bir dalı olan yüksek sıcaklıktaki yüklü gazları inceleyen plazma fiziğinin de araştırma alanının bir parçasıdır. Bu gökcisimleri, oluşturdukları devasa boyutlardaki manyetik alan ve plazma yoğunluğu ile plazma fizikçilerinin ilgi odağındadır. Atarcaları kuşatan bu yoğun plazmayı incelemek üzere ABD Enerji Bakanlığına bağlı Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı (PPPL, Princeton Plasma Physics Laboratory) araştırmacıları yeni bir plazma dalgası teorisi geliştirdiler. Bu teori Albert Einstein’ın özel görelilik teorisi ile kuantum mekaniğinden yararlanarak plazmalardaki elektron, iyon ve atom çekirdeği gibi atom altı parçacıkları incelemeyi kolaylaştırıyor.
Teorinin temelinde rölativistik –ışık hızına yakın– hızlarda hareket eden yüklü parçacıkları incelememize olanak sağlayan kuantum alan teorisi yatıyor. Bu konu hakkında Physical Review A dergisinde yayınlanan makalenin başyazarı olan araştırmacı Yuan Shi: “Kuantum teorisi dalgaların plazma içerisinde ilerlemesinin belirli özelliklerini tanımlıyor.” şeklinde kuantum teorisinin önemini vurguluyor.
Şekil 1: İkili yıldız sisteminde bir atarca. NASA Goddard Space Flight Center
Atarcaların manyetosferlerinde –gökcismini kuşatan manyetik tabaka– soğurulan ışık, kara cisim spektrumunda piklerin oluşmasına sebep oluyor. Araştırmacı Shi, kuantum mekaniği ve özel görelilik teorisini kullanarak bu pikler ile manyetosferin yoğunluğunun ve manyetik alan kuvvetinin saptanabileceğini belirtiyor.
Geliştirilen yeni metot; yüksek enerji fiziği, yoğun madde fiziği ve plazma fiziği gibi farklı alanlardan yararlanıyor. Yüksek enerji fiziğinde kullanılan kuantum alan teorisi ile parçacıkların etkileşiminin incelenmesi, yoğun madde fiziğinde kuantum mekaniği ile parçacıkların durumlarının saptanması ve plazma fiziğinde modelleme denklemleri ile parçacıkların toplu hareketlerinin incelenmesi atarcalardaki plazma dalgalarının analizinde geliştirilen bu yeni metodun temelini oluşturuyor.
Yine bu geliştirilen yeni teknik ile füzyon deneylerinde karşılaşılan plazma yoğunluğu ve manyetik alan kuvveti hakkında çıkarımlar yapılabiliyor. Bu tür füzyon deneylerinde lazer kullanılarak plazma yakıtı içeren hedefler ayrıştırılıyor. Bu ayrıştırma neticesinde bir iç patlamaya sebebiyet verilerek yakıt sıkıştırılması ile plazma oluşumu ve füzyon tepkimeleri gerçekleşiyor.
Araştırmacılar bu süreçte meydana gelen plazmanın yoğunluk, sıcaklık ve manyetik alan kuvveti gibi özellikleri hakkında daha kesin bilgilere ulaşmak istiyorlar. Yararlanılan matematiksel formüller ile kullanılan lazerlerin renklerine bağlı olarak bu değerlerde tutarsız veriler elde ediliyor. Araştırmacı Shi, bu tutarsızlığın, yoğun plazmanın kuantum etkilerine ve manyetik alandaki yüksek enerji yoğunluğunun rölativistik etkilerine sebep olmasından kaynaklandığını belirtiyor. Geliştirilen yeni teorinin bu iki sorunun da önüne geçmesi gerektiği için hem kuantum teorisinden hem de özel görelilikten yararlanması gerekiyor.
Yeni metot ile çoğu zaman kesişmeyen farklı fizik teorilerinin birlikte kullanılarak, kullanışlı ve farklı teorilerin oluşturulabileceği bir kez daha kanıtlanmış oluyor. Araştırmacı Shi de bu konu hakkında farklı alanların, birlikte daha önce anlayamadığımız kavramları anlamamıza büyük kolaylık sağladığını düşündüğünü belirtiyor.
Princeton Plazma Fiziği Laboratuvarı plazma fiziği hakkında yeni teorilerin ve füzyon enerjisi elde etme yollarının geliştirilmesine adanmıştır. Buradaki araştırmaların sonuçları anti-terörist amaçlı taşınabilir nükleer malzeme dedektörü, füzyon deneyleri sonuçlarının analizi için kullanılan bilgisayar kodları gibi farklı alanlarda sonuç vermiştir. Bu laboratuvar ABD’deki bilim araştırmalarının en büyük destekçisi olan ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı Bilim Dairesi tarafından yönetilmektedir. Daha fazla bilgi için, science.energy.gov.
Furkan M. Altınçiçek
Bilkent Üniversitesi Fizik Bölümü
Referanslar:
John Greenwald, Researchers combine quantum mechanics and Einstein’s theory of special relativity to clear up puzzles in plasma physics, PPPL
Yuan Shi, Nathaniel J. Fisch, and Hong Qin Effective-action approach to wave propagation in scalar QED plasmas, Phys. Rev. A 94, 012124 – Published 29 July 2016. DOI: 10.1103/PhysRevA.94.012124
https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar
Görsel: Yuan Shi (Photo by Elle Starkman/Office of Communications)
