İnsanın Yıldızlarla İlişkisi
İnsanlık tarihi boyunca, insanlar gökyüzüne bakarak orada olan biteni anlamaya çalıştı. Gecenin karanlığında parlayan yıldızlar, insanın merakını her daim canlı tutmuş, birçok sorunun ana kaynağı olmuştur. Tarih boyunca yıldızlar, yön bulma ve zamanı belirleme gibi işlevlerin yanı sıra, tanrı ve tanrıçaların hikâyelerini anlatan birer anlatıcı olarak da görev yapmışlardır. Bu gizemli cisimler, pek çok şaire ve ressama ilham kaynağı olmuştur.
Ancak insanın yıldızlarla ilişkisi 1925 yılında önemli bir dönüşüm yaşadı. O tarihte, genç bir yüksek lisans öğrencisi yıldızların “malzemesini” keşfederek astrofizik bilim dalının temellerini attı. Bu öğrencinin adı Cecilia Payne idi. Henüz 24 yaşında olan Payne, yıldızların yapısının Dünya’dan çok farklı olduğunu, bu parlak nesnelerin evrenin en hafif ve en basit iki elementi olan hidrojen ve helyumdan oluşan ateş topları olduğunu ortaya koydu. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden astrofizikçi Anna Frebel, bu keşfi için, “Bu insanlık için çok temel bir bilgi” şeklinde yorumda bulunmuştur.
Ancak, dönemin bilim anlayışına ters düşen bu hipotez, birçok tartışmaya yol açtı. Payne’in genç bir kadın olarak, neredeyse tamamı erkeklerden oluşan bilim camiasına karşı bu tezi savunması, tansiyonu daha da artırdı. Payne’in yüksek lisans tezi, bugün hâlâ kütüphanelerin astrofizik bölümlerinde baş köşede yer almakta ve astronomi yazının önemli bir başyapıtı olarak değerlendirilmektedir.
Wyoming Üniversitesi’nde yıldız astrofiziği üzerine çalışmalar yapan Meridith Joyce, Payne’in tezini “Bütün detaylara dikkat edilmişti. Çok isabetliydi ve gerçekten çok cesurca bir metindi” şeklinde değerlendiriyor.
Yıldız Araştırmalarının Tarihçesi
Yıldız araştırmaları, 1600’lü yılların başlarına kadar uzanıyor. Bu dönemde insanlar ilk teleskopları geliştirip kullanmaya başladılar. Uzay gözlemcileri, gece gökyüzündeki yıldızların sayısının çok fazla olduğunu ve bulut benzeri nebulalarda toplandıklarını fark ettiler. 1800’lerin başında gözlemciler, güneş ışığını gökkuşağının renklerine ayıran prizmaları kullanmaya başladılar. Aynı yüzyılda, gökbilimciler bir teleskobun lensiyle bir detektör arasına bir prizma yerleştirerek yıldızlardan gelen ışığı kaydetmeye başladılar. 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 izlere ve boşluklara bakılarak, ışığın rengi tespit ediliyor ve bu da çok uzaklardaki yıldızların “imzası” olarak kabul ediliyordu.
1800’lerin ortalarında araştırmacılar, laboratuvarlarda ısıtılan gaz halindeki elementlerin, belirli yelpaze örüntüleri (parlak renkli çizgilerle ayrılmış içi boş alanlar) ortaya çıkardığını keşfettiler. Fizikçiler, bu parlak çizgileri kullanarak gazın kimyasını anlayabileceklerini fark ettiler. Dünya’nın kabuğunda bulunan maddeler, yıldızlarda görülen örüntülere benzerlik gösteriyordu. Bu nedenle gökbilimciler, Güneş ve diğer tüm yıldızların Dünya ile aynı malzemeden oluştuğu sonucuna vardılar. Joyce, “Evrendeki diğer herhangi bir şeyin Dünya’da gözlemlediğimizden farklı olduğuna inanmak için hiçbir sebebimiz yoktu” ifadelerini kullandı.
Cecilia Payne’in Hayatı ve Çalışmaları
Cecilia Payne, 10 Mayıs 1900 tarihinde İngiltere’nin Wendover kasabasında dünyaya geldi. Otobiyografisinde belirttiğine göre, ergenlik yıllarında bilim ve müzik eğitimi aldı. 1919 yılında kazandığı burs sayesinde Cambridge Üniversitesi Newnham Koleji’ne geçiş yaptı. Başlangıçta botanik eğitimi alsa da birinci yılın ortasında fizik bölümüne yöneldi. Payne, atom fiziği alanında önemli iki isimden, her atomun pozitif yüklü bir çekirdeği olduğunu keşfeden Ernest Rutherford ve elektronların bu çekirdeğin etrafındaki davranışlarını inceleyen Niels Bohr’dan dersler aldı.
Aynı yılın sonlarında, Trinity Koleji’nde Arthur Eddington’ın verdiği bir konferansa katıldı. Eddington, 1919’daki tam güneş tutulması sırasında yaptığı denemelerin sonuçlarını anlatıyordu. Eddington, Güneş’in yıldız ışığını çekmesine ve ışık yollarındaki değişimlere bakarak yıldızların konumlarını görüntülemişti. Konferans sırasında Eddington, Albert Einstein’ın o dönemde henüz çok yeni olan genel görecelilik teorisini de doğrulamıştı; bu olaylar, Payne’in astronomiye olan tutkusunu tetikledi.
1923 yılında lisansüstü eğitimi için ABD’ye giden Payne, çalışmalarına Harvard Kolej Rasathanesi’nde ve Massachusetts’in Cambridge şehrindeki Radcliffe Koleji’nde devam etti. Rasathanenin astronomi fotoğrafları küratörü Thom Burns, “Kendini kadınların astronomide başarılı olabileceği tek yere attı” ifadesini kullandı. Payne, rasathanede çalışmaya başladığında, tüm gökbilimciler ve öğrenciler erkekti. Personelde yalnızca 10-20 kişilik bir kadın grubu bulunmaktaydı ve bu kadınlar “hesaplayıcı” yani hesaplamalarla uğraşan laboratuvar asistanlarıydı. Görevleri yıldız ışığında örüntüler aramak ve görünen yıldızlardaki değişimleri kayıt altına almaktı. Payne, lisansüstü araştırmacısı olarak diğer kadınlardan farklı bir konumdaydı.
Aynı zamanda akıl hocası Harlow Shapley, başlangıçta Payne’den Henrietta Swan Leavitt isimli hesaplayıcının çalışmalarını sürdürmesini istemişti. Leavitt, bazı yıldızların ışıklarındaki değişimlerin mesafeleri ölçmek için kullanılabileceğini keşfetmişti. Ancak Payne, Leavitt’in projesiyle ilgilenmiyordu. Burns’ün tabiriyle, “Uzun yıllardır el değmemiş spektroskopi plakalarına odaklanmak istiyordu.” Ayrıca, Harvard’ın depolarındaki emülsiyon plakalarının sayısı, dünya çapındaki diğer tüm kurumların önündeydi. Bir diğer hesaplayıcı olan Annie Jump Cannon, yıldızları imzalarına bakarak sınıflandırmaya başlamıştı. Payne, bu konu üzerine çalışarak, Newnham’da aldığı atomların iç işleyişine dair eğitimini fizik ve kimya alanındaki güncel teorilerle harmanlayıp yıldızları anlamayı hedefliyordu.
Yıldızların Fiziksel Özellikleri
O dönemde fizik araştırmaları hız kazanmaktaydı; keşifler ve bilimsel teoriler dünya genelinde yankı buluyordu. Araştırmacılar, spektroskopi plakaları üzerindeki örüntülerin kaynaklarını bulmuştu. Atomun çekirdeği etrafında hızla hareket eden atomların enerji düzeyleri değişiyor, bu eylem de ışığı yayıyor ya da emiyordu. Bu ışığın rengi ise atoma göre değişkenlik gösteriyordu. Örneğin, bir karbon atomundaki bir elektronun bulunduğu konuma göre yaydığı ya da emdiği ışık miktarı daima aynıydı. Yıldız ışığı yelpazesinde bu karakteristik çizgileri arayan bilim insanları, kaybolan renklerin ya da plakalardaki boşlukların atomik elementlerle birebir uyumlu olduğunu gözlemleyebiliyorlardı. Bu sayede gazları oluşturan elementler ayrıştırılabiliyordu. Gökyüzündeki yıldızlar gazlarının, çekirdeklerindeki nükleer fırından yayılan enerjiyi emdiği noktalarda boşluklar oluşturuyordu.
Bu laboratuvar çalışmalarının sonuçları, nötr elementlere odaklanmayı gerektiriyordu. Ancak yıldızlar, son derece sıcak ve basınçlı gazlardan oluşuyor ve o dönemde hiç kimse bu aşırı yüksek sıcaklık ve basıncın farklı elementlerin ışık örüntülerini nasıl değiştirebileceğini bilmiyordu. Payne, otobiyografisinde belirttiği gibi, atom fiziğinin güncel yaklaşımlarını Hindistanlı fizikçi Meghnad Saha’nın “zekice bir fikirle” birleştirdi. Saha, kısa süre önce gazların farklı sıcaklık ve yoğunluklarda nasıl davrandığını, özellikle de içeriğindeki elektronların uç ortamlarda nasıl hareket ettiğini tespit etmişti. Payne, yıldızların yüksek sıcaklıklarından ve basınçlarından hareketle, Harvard’ın elinde bulunan plakalardaki yıldız ışığı yelpaze çizgilerinin güçlerini hesapladı.
Frebel, “Farklı çizgiler her zaman birbirlerine kıyasla belli bir güce sahiptirler” diye belirtiyor. Payne, bu noktaya odaklanarak yıldızlardaki elementlerin miktarını hesaplayabilecekti. Payne’in çalışmaları, kimyasal elementlerin en hafifleri olan hidrojen ve helyumun yıldızlarda büyük miktarlarda bulunduğunu, daha ağır elementlerin ise oldukça seyrek olduğunu göstermiştir. Ayrıca Payne, çizgilere görünen şeklini veren şeyin ne olduğunu da tanımladı: Gaz halindeki maddenin iç basınçları ve sıcaklıkları, ışık imzasını etkiliyordu. Iowa State Üniversitesi’nde yıldız astrofiziği üzerine çalışan Steven Kawaler, “Bu şekiller, yelpazeleri anlamak için, atmosferin dinamiklerini anlamak amacıyla gerekliydi” dedi. Kawaler, Payne’in emme çizgilerini yalnızca aşırılıklar ya da sıcaklıklar için değil, yıldızların içinde fiziksel anlamda olan biteni anlamak için de kullandığını vurguladı.
Payne’in Tezi ve Sonrası
Payne, tezini 1925 yılında tamamlayarak Radcliffe Koleji’nden doktora derecesini almaya hak kazandı. Çağdaşları, başlangıçta Payne’in çalışmalarına şüpheyle yaklaştı. Dönemin önde gelen yıldız astronomlarından biri olan Henry Norris Russell, Payne’i en sert dille eleştirenlerden biriydi. Payne, tezinde bu eleştirilere atıfta bulunarak, hidrojen ve helyum hakkında, “Bu elementlerin yıldızların atmosferindeki dev bolluğu neredeyse kesinlikle gerçek değil” diye yazmıştı. Kawaler, tezin geri kalanının özgüven dolu olduğunu, ancak bu ifadenin “diğer açılardan çok heyecan verici bir sonucun geçici dağılması” olduğunu belirtti. Nitekim sadece dört yıl sonra Russell, Payne’in bulgularını teyit etti.
Frebel, çalışmalarında en yaşlı yıldızları aramak için yıldız ışığından faydalanıyor ve “Bu çalışma, yıldız spektroskopisinde ölçülen şeyi anlamamız için başlangıç oldu.” diye ekliyor. Payne’in keşifleri, gelecekteki araştırmacıların bir yıldızın ömrü boyunca yüzeyinin altında yaşananları, yıldızların merkezinde üretilen enerjinin dış katmanlara doğru nasıl hareket ettiğini ve yıldızların neden bazen patladığını, bazen de sönüp karanlığa kavuşarak yok olduğunu anlamalarının yolunu açtı. Joyce, “Yıldızlar her şeydir” diyerek, “Evrene dair bildiğimiz diğer her şey yıldızlardan gelir.” ifadesini ekledi.
