İnsanlık var olduğu günden bu yana, başını üst kaldırıp gökyüzünde olanı biteni anlamaya çalışıyor. Gecenin karanlığında göz kırpan yıldızlar, insanın merakını kurcalıyor.
Tarih boyunca yıldızlar bazen taraf bulmak için bazen vakti tayin etmek için kullanıldı. İlah ve tanrıçaların öykülerini anlatan yıldızlar şairlere ve ressamlara ilham verdi. İnsanın yıldızlarla bağı 1925 yılında çok dramatik bir değişim geçirdi. O tarihte bir yüksek lisans öğrencisi, yıldızların “malzemesini” keşfedip bugün astrofizik diye bildiğimiz bilim kolunun temellerini attı.
O öğrencinin ismi Cecilia Payne’di. Şimdi 24 yaşında olan Payne, yıldızların yapısının Dünya üzere olmadığını, bu ışıltılı objelerin kozmosun en hafif ve en kolay iki elementi olan hidrojen ve helyumdan oluşan ateş topları olduğunu ortaya koydu.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden astrofizikçi Anna Frebel, National Geographic’e yaptığı açıklamada, “Bu insanlık için çok temel bir bilgi” dedi.
Ancak vaktinin geçerli yaklaşımlarına karşı çıkan birçok hipotez ve keşif üzere, Payne’nin tezi de sorgulandı ve tartışmalara mevzu oldu. Bu teoriyi ortaya atan ve devrin neredeyse tamamı erkeklerden oluşan statükosuna karşı çıkan kişinin genç bir bayan olması da tansiyonu daha da yükseltti.
Payne’in yüksek lisans tezi bugün hala kütüphanelerin astrofizik kısımlarında baş köşede yer alıyor. Günümüzde bilim insanları bu 200 küsur sayfalık çalışmayı astronomi yazının başyapıtı olarak, kesimleri birleştiren temel eser olarak görüyor.
Wyoming Üniversitesi’nde yıldız astrofiziği üzerine çalışmalar yapan Meridith Joyce, Payne’in tezi için, “Bütün ayrıntılara dikkat edilmişti. Çok isabetliydi ve nitekim çok cesurca bir metindi” diye konuştu.
YILDIZ ARAŞTIRMALARI 4 ASIR EVVEL BAŞLADI
1600’lü yılların başlarında, beşerler birinci teleskopları geliştirip kullanmaya başladı. Uzay gözlemcileri gece gökyüzündeki yıldızların sayısının çok olduğunu ve bulut gibisi nebulalarda toplandıklarını fark etti.
1800’lerin başlarında gözlemciler, güneş ışığını gökkuşağının renklerine kıran prizmaları kullanmaya başladı. Tıpkı yüzyılda, gökbilimciler bir teleskobun lensiyle bir detektör ortasına bir prizma yerleştirerek, yıldızlardan gelen ışığı kaydedebileceklerini gördü. Prizma gelen yıldız ışığını kırıyor, ışığın kırılmasıyla ortaya çıkan renkler, emülsiyonla kaplanmış bir fotoğrafik cam plakanın üzerine düşüyordu. Işığın fotonları emülsiyonla etkileşime girince koyu renk bir iz bırakıyordu. Plakanın üzerindeki koyu renkli izlere ve boşluklara bakılarak, ışığın rengi tespit ediliyor bu da çok uzaklardaki yıldızların imzası kabul ediliyordu.
1800’lerin ortalarında araştırmacılar, laboratuvarlarda ısıtılan gaz halindeki elementlerin, rağmen yelpaze örüntüleri (parlak renkli çizgilerle ayrılmış içi boş alanlar) ortaya çıkardığını gördü. Fizikçiler bu parlak çizgileri kullanarak gazın kimyasını anlayabileceklerini fark etti.
Dünya’nın kabuğunda bulunan hususlar, yıldızlarda görülene emsal örüntüler sergiliyordu. Bu nedenle gökbilimciler, Güneş’in ve başka tüm yıldızların Dünya ile birebir gereçten oluştuğu sonucuna vardı. Joyce, “Evrendeki öbür rastgele bir şeyin Dünya’da gözlemlediğimizden farklı olduğuna inanmak için hiçbir sebebimiz yoktu” dedi.
CECILIA PAYNE KİMDİ?
Payne, 10 Mayıs 1900 tarihinde İngiltere’nin Wendover kasabasında dünyaya geldi. Otobiyografisinde yazdığına nazaran, ergenlik yıllarında bilim ve müzik eğitimi aldı. Akabinde 1919’da kazandığı bursla Cambridge Üniversitesi Newnham Koleji’nin yolunu tuttu.
Başlangıçta botanik eğitimi alsa da birinci yılın ortasında fizik kısmına geçti. Payne atom fiziği alanında çok değerli iki isimden, her atomun müspet yüklü bir çekirdeği olduğunu keşfeden Ernest Rutherford ile elektronların bu olumlu çekirdeğin etrafındaki davranışlarını inceleyen Niels Bohr’dan dersler aldı.
Aynı yılın sonlarında tesadüfen Trinity Koleji’nde Arthur Eddington’ın verdiği bir konferansa katıldı Payne. Eddington, konuşmasında 1919’daki tam güneş tutulması sırasında yaptığı denemelerin sonuçlarını anlatıyordu. Eddington, Güneş’in yıldız ışığını çekmesine ve ışık yollarındaki değişimlere bakarak yıldızların pozisyonlarını görüntülemiş ve bu pozisyonların değiştiğini görmüştü. Konferans sırasında Eddington, Albert Einstein’ın o devirde şimdi çok yeni olan genel nispilik teorisini de doğrulamış, bütün bunları dinleyen Payne astronomiye âşık olmuştu.
1923 yılında lisansüstü eğitimi için ABD’ye giden Payne, çalışmalarına Harvard Kolej Rasathanesi’nde ve Massachusetts eyaletinin Cambridge kentinde bulunan Radcliffe Koleji’nde devam etti. Rasathanenin astronomi fotoğrafları küratörü Thom Burns, “Kendini bayanların astronomide başarılı olabileceği tek yere attı” diye konuştu.
Payne, rasathanede çalışmaya başladığında, tüm gökbilimciler ve öğrenciler erkekti. Çalışanda 10-20 kişilik bir bayan kümesi vardı lakin bunlar “hesaplayıcı” yani hesaplamalarla uğraşan laboratuvar asistanlarıydı. Misyonları yıldız ışığında örüntüler aramak ve görünen yıldızlardaki değişimleri kayıt altına almaktı. Payne, lisansüstü araştırmacısı olduğundan öteki bayanlardan farklı bir pozisyondaydı.
Akıl hocası Harlow Shapley başlangıçta Payne’den Henrietta Swan Leavitt isimli hesaplayıcının çalışmalarını sürdürmesini istemişti. Leavitt, kimi yıldızların ışıklarındaki değişimlerin, uzaklıkları ölçmek için kullanılabileceğini keşfetmişti. Lakin Payne, Leavitt’in projesiyle ilgilenmiyordu. Burns’ün tabiriyle, “Uzun yıllardır el değmemiş spektroskopi plakalarına odaklanmak istiyordu”.
Üstelik Harvard’ın depolarındaki emülsiyon plakalarının sayısı, dünyadaki başka tüm kurumların önündeydi. Bir başka hesaplayıcı olan Annie Jump Cannon, yıldızları imzalarına bakarak sınıflandırmaya başlamıştı. Payne bu bahis üzerine çalışmak; Newnham’da aldığı atomların iç işleyişine ait eğitimi, fizik ve kimya alanındaki yeni teorilerle harmanlayıp yıldızları anlamak istiyordu.
YILDIZLARIN FİZİĞİ
O devirde fizik araştırmaları hızlanıyordu; keşifler ve bilimsel teoriler dünyayı dolanıyordu.
Araştırmacılar spektroskopi plakaları üzerindeki örüntülerin kaynaklarını bulmuştu. Atomun çekirdeği etrafında süratle hareket eden atomların güç seviyeleri değişiyor, bu hareket de ışığı yayıyor ya da emiyordu. O ışığın rengi atoma nazaran değişkenlik gösteriyordu. Mesela bir karbon atomundaki bir elektronun bulunduğu pozisyona nazaran yaydığı ya da emdiği ışık ölçüsü daima birebirdi. Birkaç yıl içinde yapılan deneylerle, güçlerin birçoklarının elektronları birden fazla atomik element için farklı seviyelere gönderdiği anlaşıldı.
Yıldız ışığı yelpazesinde bu karakteristik çizgileri arayan bilim insanları, kayıp renklerin ya da plakalardaki boşlukların, atomik elementlerle birebir uyumlu olduğunu görebiliyordu. Bu sayede gazları oluşturan elementler ayrıştırılabiliyordu. Gökyüzündeki yıldızlar gazlarının, çekirdeklerindeki nükleer fırından yayılan enerjiyi emdiği noktalarda boşluklar oluşturuyordu.
Bu laboratuvar çalışmalarının sonucu nötr elementlere odaklanıyordu. Fakat yıldızlar çok sıcak ve basınçlı gazlardan oluşuyor ve o periyotta hiç kimse bu çok yüksek sıcaklık ve basıncın farklı elementlerin ışık örüntülerini nasıl değiştirebileceğini bilmiyordu.
Payne, otobiyografisinde dediği üzere, atom fiziğinin aktüel yaklaşımlarını Hindistanlı fizikçi Meghnad Alan’a ilişkin “zekice bir fikirle” birleştirdi. Saha kısa mühlet evvel gazların farklı sıcaklık ve yoğunluklarda nasıl davrandığını, bilhassa de içeriğindeki elektronların uç ortamlarda nasıl hareket ettiğini tespit etmişti.
Yıldızların yüksek sıcaklıklarından ve basınçlarından hareket eden Payne, Harvard’ın elinde bulunan plakalardaki yıldız ışığı yelpaze çizgilerinin güçlerini hesapladı. Frebel, “Farklı çizgiler her vakit birbirlerine kıyasla aşikâr bir güce sahiptirler” dedi. Payne bu noktaya odaklanarak, yıldızlardaki elementlerin ölçüsünü hesaplayabilecekti.
Payne’in çalışmaları, kimyasal elementlerin en hafifleri olan hidrojen ve helyumun yıldızlarda büyük ölçülerde bulunduğunu, daha ağır elementlerin ise hayli seyrek olduğunu gösterdi. Payne ayrıyeten çizgilere görünen formunu veren şeyin ne olduğunu da tanımladı: Gaz halindeki hususun iç basınçları ve sıcaklıkları, ışık imzasını etkiliyordu.
Iowa State Üniversitesi’nde yıldız astrofiziği üzerine çalışan Steven Kawaler, “Bu haller anlamak yelpazeleri kullanmak için, atmosferin dinamiklerini anlamak için gerekliydi” dedi. Kawaler, Payne’in emme çizgilerini yalnızca aşırılıklar ya da sıcaklıklar için değil, yıldızların içinde fizikî manada olan biteni anlamak için de kullandığını kelamlarına ekledi.
“YILDIZLAR HER ŞEYDİR”
Payne tezini 1925 yılında tamamlayıp Radcliffe Koleji’nden doktora derecesini almaya hak kazandı. Çağdaşları, başlangıçta Payne’in çalışmalarına kuşkuyla yaklaştı. Devrin önde gelen yıldız astronomlarından biri olan Henry Norris Russell, Payne’i en sert lisanla eleştirenlerden biriydi. Payne tezinde bu tenkitlere ithafen, hidrojen ve helyum hakkında, “Bu elementlerin yıldızların atmosferindeki dev bolluğu neredeyse muhakkak gerçek değil” diye yazmıştı.
Kawaler, tezin geri kalanı özgüven dolu olsa da, bu sözün “diğer açılardan çok heyecan verici bir sonucun süreksiz dağılması” olduğunu belirtti. Gerçekten yalnızca dört yıl sonra Russell, Payne’in bulgularını teyit etti.
Çalışmalarında en yaşlı yıldızları aramak için yıldız ışığından faydalanan Frebel, “Bu çalışma yıldız spektroskopisinde ölçülen şeyi anlamamız için başlangıç oldu” dedi. Payne’in keşifleri gelecekteki araştırmacıların bir yıldızın ömrü boyunca yüzeyinin altında yaşananları, yıldızların merkezinde üretilen gücün dış katmanlara hakikat nasıl hareket ettiğini, yıldızların neden bazen patladığını bazen de sönüp karanlığa kavuşarak yok olduğunu anlamasının yolunu açtı.
Joyce, “Yıldızlar her şeydir” dedi ve ekledi: “Evrene dair bildiğimiz başka her şey yıldızlardan gelir.”