Evrenin sıcaklığı nedir diye sorduğumuzda 2,725 K yanıtını alıyoruz.

"Kelvin" sıcaklık ölçeği, çok düşük sıcaklıklar için kullanılıyor. Bu ölçekte 2,725 K, bizim kullandığımız ölçekte -270 ⁰C'ye karşılık geliyor.

Yani evren gerçekten çok soğuk.

Ancak evren doğası gereği homojen değil; hayal sınırlarımızın ötesinde çok geniş ve hayal edilemeyecek kadar farklı nesnelerle dolu.

Bu durumda uzayda homojen bir sıcaklık değeri söz konusu olabilir mi?

Örneğin yıldızlar; her biri birer nükleer füzyon reaktörü ve doğal olarak yıldızlar ve çevreleri uzayın en sıcak bölgeleri.

Öte yandan yıldızlardan uzaklaştıkça yıldızlararası uzayda sıcaklık hızlı bir şekilde düşüyor. 

Bunun nedeni yıldızlararası uzayın olağanüstü geniş ve yoğunluğunun çok düşük olması.

Isı ve sıcaklık

Biliyoruz ki ısı, bir sistemdeki parçacıkların enerjisi ile ilintili bir kavram; sıcaklık ise parçacıkların hareket hızının bir ölçüsü olarak tanımlı. 

Örneğin, Dünya atmosferinde uzaya doğru çıkarsanız, yükseklik arttıkça daha soğuk hissetmeye başlarsınız. Bunun nedeni yüzeye yakın bölgedeki atmosfer yoğunluğunun üst katmanlara doğru çıkıldıkça azalıyor olmasıdır. Dünya yüzeyinde daha sık olan moleküler çarpışmalar, üst katmanlarda daha az sıklıkta gerçekleşir, dolayısıyla enerji aktarımı azalır ve giderek sıcaklığın düştüğünü hissedersiniz.

En düşük sıcaklık Kelvin ölçeğinde sıfır olarak tanımlıdır ve "mutlak sıfır" olarak bilinir. Mutlak sıfır, ortamdaki tüm parçacıkların birbirine göre tamamen durduğu anı adresler ve bir nesnenin sıcaklığı bu değerin altında olamaz; çünkü bir hareket var değildir.

Her ne kadar boş uzay deniyorsa da uzay, yoğunluğu az olsa da parçacıklarla doludur ve dolayısıyla evrende mutlak sıfır olan bir sıcaklık değeri bulunmaz.

Bugün, evrenin ortalama sıcaklığının, mutlak sıfırın biraz üzerinde 2.725 K dolayında olduğu belirtiliyor. Üstelik sıcak nokta ile soğuk nokta arasındaki fark ise yalnızca 0,000018 K gibi düşük bir değer.

Peki bu sıcaklık değerine nasıl ulaşılmış?

Evrenin sesi

1960'larda iki bilim insanı, tesadüfen bir keşifte bulundular.

Arno Penzias ve Robert Wilson isimli iki araştırmacı, büyük bir radyo teleskopu kullanarak evreni dinliyor ve deneyler yapıyorlardı. Bu sırada açıklayamadıkları sürekli bir arka plan gürültüsü fark ettiler. Gürültü her yönden geliyor ve gece gündüz süreklilik gösteriyordu. Tüm olası etkenleri (yıldızlar, Güneş, Samanyolu ve hatta güvercin pisliği dahil) ortadan kaldırdıktan sonra bile gürültü yoğun olarak devamlılık gösteriyordu.

Bunun her yönden gelen mikrodalga radyasyonu olduğuna karar verdiler. Dahası bu, bir yerlerde bir büyük patlamanın varlığının habercisiydi.

Bu evrenin sesiydi.

O anda bilmiyorlardı ama bu ses, evrenin yaklaşık 13,8 milyar yıl önce belirli bir anda doğduğunun kanıtıydı.

Aslında bilim insanları George Gamow, Ralph Alpher ve Robert Herman, 1948 yılında, Büyük Patlama'dan arta kalan fosil bir radyasyon olması gerektiğini ileri sürmüşlerdi. Bu kuramsal bir öngörüydü ve kanıtlanması ise imkansız gibiydi. Ama artık kanıtlanmıştı.

Bu keşif, Büyük Patlama kuramını doğrularken Arno Penzias ve Robert Wilson'a 1978 Nobel Fizik Ödül'ünü getirdi.

Büyük Patlama'dan arta kalan ve bugün kozmik mikrodalga arka planı olarak gözlemlenebilen radyasyon, evrenin enrjisinin temel bileşeni olarak karşımıza çıkıyor. Bu sıcaklığı ölçerek Evren'in mutlak sıfırın sadece birkaç derece üzerinde olduğu sonucunu çıkarıyoruz:

Yıldızlar tarafından üretilen enerji ise oldukça yerel ve evrenin olağanüstü geniş hacminin yanında bir kazan dolusu buzlu suya atılan birer kaşık sıcak su kadar işlevseldir.

Büyük Patlama'dan arta kalan bu kozmik parıltı, ortalama 2.725 K'lık bir radyasyon banyosu oluştursa da, evrendeki bazı yerler daha soğuk olabiliyor ama asla mutlak sıfır değil.

Kozmik mikrodalga arka planı

Arno Penzias ve Robert Wilson, evrenin sesini duymuşlardı ama bu ses nasıl oluşmuş ve nasıl bize kadar ulaşmıştı?

Dikkatlerimizi Büyük Patlama'nın hemen sonrasına çeviriyoruz. Evren çok küçük bir ateş topu, son derece sıcak ve son derece yoğun. Sıcaklık o kadar yüksek ki atomlar henüz oluşamamış; ortam elektronlar, protonlar, nötronlar ve ışık fotonlarıyla dolu. O dönemde evren opak; çünkü serbest elektronlar fotonların serbest kalmasını engelliyorlar. 

Bu süreç, Güneş ışığının Dünya atmosferindeki bulutların içinden geçişine benzetilir. Bulutlar ışığı saçıyor; bulutların alt yüzeylerini görebiliyorsunuz ama ötesini göremiyorsunuz.

Evren, genişlemesini sürdürürken sıcaklık azalmaya başlıyor ve bu süreçte serbest elektronlar proton ve nötronlar bir araya gelerek ilk atomları oluşturmaya başlıyorlar. Evrenin kozmik tarihindeki bu evreye "rekombinasyon" adı verilir. Bu anda, Büyük Patlama'nın üzerinden 380 bin yıl geçmiştir. Yani evren 380 bin yaşında.

Rekombinasyon ile birlikte fotonlar serbest kalır ve uzayda serbestçe hareket etmeye başlarlar. Evren artık opak değildir.

Şimdi evrenin bu anında yola çıkan ve 13.8 milyar yıl yol aldıktan sonra bize ulaşan fotonları mikrodalga formunda izleyebiliyoruz.

Buna kozmik mikrodalga arka planı (CMB-Cosmic Microwave Background) denilmektedir.

CMB'yi oluşturan radyasyonun başlangıç ​​sıcaklığının 3000 K dolayında olduğu tahmin ediliyor. Evren genişlemeye devam ettikçe sıcaklık azalıyor.

Bugün evren, Büyük Patlama'dan kaynaklanan kozmik radyasyon "banyosu" içindedir ve evrenin sıcaklığı bu radyasyon ile karakterizedir.

Bu, kozmik mikrodalga arka planı (CMB) olarak 2,7 K (-270⁰C) homojen bir sıcaklığa sahip ve son olarak ESA'nın Planck misyonu tarafından ince ayrıntılarla haritalandırılmıştır. 

Kozmik mikrodalga arka planı, evrendeki en eski ışıktır ve Büyük Patlama'dan yaklaşık 380 bin yıl sonra, kozmosun ilk atomların oluşmasına ve fotonların serbestçe seyahat etmesine izin verecek kadar soğuduğu zaman yola çıkmıştı.

Bu fosil radyasyon, zaman içinde genişleyen evrenle birlikte yoluna devam edecek ve birkaç milyar yıl içinde mikrodalga yerine radyo frekanslarına sahip olacaktır.

Muhtemelen o zaman evren daha soğuk olacak ama mutlak sıfır olmayacaktır!

Kaynakça

https://www.sciencefocus.com/space/will-the-cosmic-microwave-background-disappear

https://www.newscientist.com/definition/cosmic-microwave-background/

https://aps.org/publications/apsnews/200207/history.cfm

https://physicsworld.com/a/arno-penzias-nobel-laureate-who-co-discovered-echo-of-big-bang-dies-aged-90/