Sıcak bir yaz gününde gökyüzünde Güneş ışıl ışıl parlarken açıkça göremeyebilirsiniz ama dünya üzerindeki ısının önemli bir miktarı sizin ayaklarınızın altından geliyor. Bu ısı tüm dünyadaki toplam güç tüketiminin 3 katından fazlasına eşittir ve Dünya yüzeyi yakınındaki tektonik plakaların hareketi ve magmanın akışı gibi önemli jeolojik süreçlerin sürmesini sağlamaktadır. Buna rağmen, bu ısının neredeyse yarısının nereden çıktığı bir gizemdir.
Dünya’nın iç yapısındaki radyoaktif süreçlerle yayılan oldukça çok düşük kütleye sahip parçacıklar olan bir tür nötrinonun bu gizemi çözmek için önemli ipuçları sağladığı düşünülüyor. Problem ise bu parçacıkları yakalamanın neredeyse imkansız olmasıdır. Ancak Nature Communications dergisinde yayınlanan yeni bir makalede bunu yapmanın bir yolu hazırlanmış oldu.
Dünya’nın iç yapısından gelen ısıyı oluşturan bilinen kaynakları radyoaktif bozunmalar ve gezegenimiz ilk oluştuğu dönemden kalan ısı kalıntılarıdır. Radyoaktiviteden gelen ısının miktarı kaya numunelerinin bileşimlerinin ölçümlerine dayalı olarak tahmin edilir ve oldukça belirsizdir. Öyle ki toplam ısı akışının %25-90’ını gibi bir aralıktan herhangi bir değere karşılık gelebilir.
Yakalanması Zor Parçacıklar
Radyoaktif malzemelerdeki atomlar kararsız çekirdeklere sahiptir. Bu kararsız çekirdekler, atomların nükleer ışımaya maruz kalmasıyla kararlı bir duruma bozunarak bölünebilecekleri anlamına gelir. Bu sırada bazıları ısıya dönüşür. Bu ışıma özel enerjilere sahip nötrinoların da olduğu değişik parçacıklardan oluşur. Tabii bu parçacıkların türü atomları yayan malzemenin ne olduğuna bağlı bir şekilde değişir. Dünya’nın kabuğu ve mantosu içinde radyoaktif elementler bozunduğunda, bu elementler “jeo-nötrinolar” (yer-nötrinoları) yayar. Gerçekte, her saniye, Dünya uzaya doğru bu tür parçacıkların bir trilyondan fazlasını yaymaktadır. Onların ölçülen enerjisi hangi malzemeden yapıldıkları ve böylece Dünya’nın saklı iç yapısının bileşiminin ne olduğu konusunda araştırmacılara birşeyler söyleyebilir.
Dünya’nın çekirdeği.
Dünya’daki radyoaktivitenin bilinen temel kaynakları uranyum, toryum ve potasyumun kararsız türleridir. Bunlar yüzeyin 200 kilometre kadar altındaki kaya numunelerine dayanan bildiklerimiz arasındandır. Bu derinliğin altında ise saklı kalanın ne olduğu hâlâ belirsizdir. Ancak şunu biliyoruz, uranyum bozunduğunda potasyumun bölünmesinden yayılan enerjiden daha fazla enerjiye sahip olduğunda yer-nötrinoların yayıldığını biliyoruz. Yer-nötrinoların enerjisini ölçerek, yerin altında saklı kalanın hangi radyoaktivite malzeme türünden olduğunu bilebiliriz. Aslında, bu Dünya’nın içinde ne olduğunu bulmak için yüzeyin altını onlarca kilometre delmekten çok daha kolay bir yoludur.
Maalesef, yer-nötrinolarının tespit edilmesi oldukça zordur. Dedektörlerin içindeki gibi sıradan madde ile etkileşmesinden ziyade, bu parçacıklar onların içinden geçme eğilimindedirler. Bu nedenle, 2003 yılında yer-nötrinolarının ilk gözlemini yapmak için yaklaşık 1000 ton sıvı ile doldurulmuş bir yeraltı dedektörü inşa edildi. Bu dedektörler sıvı içindeki atomlarla nötrinoların çarpışmalarını kaydederek nötrinoları ölçmektedir.
Bundan sonra ise sadece bir başka deney yine benzer bir teknoloji kullanarak yer-nötrinolarını gözlemlemeyi başardı. Her iki ölçümler radyoaktiviteden kaynaklanan Dünya’nın ısısının yaklaşık yarısının (20 terawatt) uranyum ve toryumun bozunmasıyla açıklanabileceğine işaret etmektedir. Geriye kalan yüzde 50’lik ısının kaynağı ise açık bir sorudur.
Bununla birlikte, şimdiye kadarki ölçümler potasyum bozunmalarından gelen katkıyı ölçmede başarılı olamadı çünkü bu süreçte yayılan nötrinoların enerjisi çok düşüktür. Yani bu geri kalan ısının potasyum bozunmasından ileri gelmesi mümkün olabilir.
Yeni Teknoloji
Yeni bir araştırma Dünya içinden akan ısının bir haritasının yer-nötrinolarının enerjisinin yanı sıra nereden geldiklerinin yönü ölçülerek yapılabileceğini öne sürüyor. Bu fikir kulağa basit gibi gelse de teknolojik zorluğu yeni bir parçacık algılama teknolojisi gerektirmektedir.
Birleşik Krallık’ta Royal Holloway Üniversitesi’nden fizik profesörü Jocelyn Monroe ve araştırma grubu içi gaz dolu “zaman projeksiyon bölmeli dedektörler” fikrini öne sürüyorlar. Bu tür dedektörler içindeki gaz ile çarpışan bir yer-nötrinosunun üç boyutlu bir resmini yaparak çalışıyor. Gaz ile yer-nötrinosu çarpıştığında, bir gaz atomundan bir elektron ayrılmaktadır. Bu elektronun hareketi zamana göre takip edilebilir. Yüksek-çözünürlüklü görüntüleme teknolojisi ile bu elektronun hareketi iki uzaysal boyutta yeniden inşa edilebilir. Günümüzde kullanılan sıvı dedektörlerde, çarpışmalarda ortaya çıkan bu parçacıklar yeniden çözümü imkansız olan bir yönde kısa bir mesafede hareket ederler.
Dünya için ısı akış haritası. Kaynak: wikipedia.org
Daha küçük ölçekte benzer dedektörler nötrino etkileşimlerinin hassas ölçümlerini yapmak ve karanlık maddeyi aramak için kullanılmaktadır. Royal Holloway’den araştırmacılar ise radyoaktif potasyumdan gelen yer-nötrinolarını keşfedebilmek için ihtiyaç duyulan dedektörün büyüklüğünün 20 ton olabileceğini hesapladılar. İlk kez manto katmanının bileşimini iyi bir şekilde haritalamak için, 10 kat daha büyük olması gerekirdi ve araştırmacılar böyle bir dedektör için ilk prototipi yaptılar ve ölçeklendirme üzerinde ise çalışmaya devam ediyorlar.
Bu şekilde yer-nötrinoların ölçülmesi Dünya’nın iç yapısındaki ısı akışını haritalamaya yardımcı olabilir. Bu ayrıca bilim insanlarına radyoaktif elementlerin konsantrasyonunu değerlendirerek iç çekirdeğin gelişimini, evrimini anlamak için yardımcı olacaktır. Aynı zamanda, böyle bir dedektörün Dünya’nın jeomanyetik alanını üreten dış çekirdekteki sıvıların hareketiyle gerçekleşen ısı aktarımını yani konveksiyonu güçlendiren ısı kaynağının ne olduğu konusundaki uzun süren gizemi çözmede rol oynayabilir. Bu alan Güneş’in zararlı ışımasından Dünya üzerindeki yaşamı koruyan atmosferimizi kaybetmemek için hayati önem taşımaktadır.
Üzerinde yürüdüğümüz zeminin altında neler olup bittiği hakkında çok az şey biliyor olmamız gariptir. Bu gariplik ise bu ölçümlerin Dünya’nın iç işleyişinin anlaşılmasına yönelik ilk araştırmalara nasıl olanak tanıdığını düşünmeyi heyecan verici yapmaktadır.
Bu yazı Royal Holloway Üniversitesi Fizik Bölümü’nden Prof. Dr. Jocelyn Monroe ve Dr. Michael Leyton tarafından hazırlanan ve TheConversation‘da yayınlanan”The source of up to half of the Earth’s internal heat is completely unknown – here’s how to hunt for it” başlıklı çalışma göz önüne alınarak hazırlanmıştır.
Gökhan Atmaca, MSc.
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
İletişim: facebook.com/anadoluca
İleri Okuma: Paul Preuss, What Keeps the Earth Cooking?, BerkeleyLab
Philip Ball, Potassium heated Earth’s core, NatureNews
