Doppler Etkisi Sayesinde Gezegenleri Nasıl Keşfedebiliyoruz?

Araştırmacıların ve fizikçilerin, yalnızca bir teleskop, bir bilgisayar ve onlara yardımcı olacak belirli istatistiksel verilerle, araştırma laboratuvarlarından dışarı çıkmadan evrenin haritasını çıkarmayı nasıl başardıklarını hiç merak ettiniz mi? Başlıktan da anlayacağınız gibi cevap Doppler etkisi. Ses, ışık, elektromanyetik fark etmeksizin her türlü dalga türü için geçerli olan Doppler etkisi gökbilim hesaplamalarında da aktif olarak kullanılmaktadır. Tüm bunlar Avusturyalı fizikçi Christian Doppler’in keşfettiği bir fizik kuralı sayesinde mümkün olmuştur.

1842’de Doppler, bir nesnenin hareketinin aynı nesne­nin yaydığı bütün dalgalan (ses, ışık veya su dalgaları­ nı) etkileyeceğini ilan etti. 2017 yılı, Christian Doppler’in 214. doğum günü idi. Google’da kendisini bu doodle ile anımsamıştı.

Doppler Etkisi Nedir?

Yanımızdan hızla ambulans geçerken siren sesinin nasıl değiştiğini hepimiz duymuşuzdur. Yaklaşan bir sirenin perdesi yükselir, araç uzaklaşırken de düşer. Sesin tonundaki bu değişim aslında Doppler etkisi için verilen klasik bir örnektir. Dalga üreten bir nesne gözlemciye yaklaşırsa gözlemci, dalga boyunda bir azalma görür fakat dalga üre­ten nesne gözlemciden uzaklaşırsa dalga boyunda artış olur.

Ambulans size yaklaştıkça aynı sayıda dalga, giderek küçülen bir aralığa sıkışır. Bu da işittiğiniz ses dalgalarının frekansını artırır, o yüzden sesin perdesi daha yüksek (yani tiz) gelir. Ambulans uzaklaşırken de ses dalgaları giderek artan bir mesafeye yayılacaktır. Bunun sonucunda frekans ve dolayısıyla sesin perdesi de düşer.

Doppler Etkisi Yardımı İle Hız Ölçümü

Doppler etkisini kullanarak başta da söylediğimiz gibi yıldızların hızını hesapla­mak birçok kişiye garip gelebilir. Ancak bu yöntem gerçek­ten de işe yaramaktadır. Hatta ve hatta bir çok kişinin farkında olmasa da hayatını etkilemektedir. Polis radarları, Doppler etkisini ölçerek aşın hız yapan araçları tespit et­mektedir. Polis radarı yaklaşmakta olan araca bir radyo dalgası gönderir ve arabadan yansıyarak dönen dalga bo­yundaki değişimi ölçer. Arabadan dönen dalga boyu ne ka­dar artarsa arabanın hızı ve sürücüye kesilen ceza da o kadar yüksek olur.

20. yüzyılın başlarında spektroskop artık olgunlaş­mış bir teknolojiydi. Bu teleskoplar­la ve hassas fotoğraf plakalarıyla uyumlu çalıştığı anlamına geliyordu. Bu teknolojik üçlü, astronomların yıldızların hızını ve içe­riklerini öğrenmeleri için bir fırsattı. Ama nasıl diyeceksiniz? Anlatalım.

Doppler Etkisi Astronomi de Ne İşimize Yaradı?

Bir gök cisminin Dünya’ya yaklaşma ya da Dünya’dan uzaklaşma hızını hesaplamak için o cisimden Dünya’ya ulaşan ışık analiz edilir. Ancak bunu anlamak için ışığın doğasını hatırlamanız gerekir. Fizikçiler ışığı elektrik ve manyetik alanla­rın bir dalgalanması olarak görürler ve ışık gibi radyasyon ışımalarına elektromanyetik radyasyon adını verirler.

Işık bir enerji türüdür ve bir ışık dalgasının taşıdığı enerji miktarı dalga boyuyla ters orantılıdır. Yani dalga boyu ne kadar uzunsa ışığın enerjisi o kadar düşük­ olacaktır. İnsan gözü, ışığın enerji seviyesini renkler aracılığıyla ayırt edebilmektedir. Mavi, lacivert ve mor renkler daha kısa dalga boyu ve yüksek enerjili ışık dalgalarını; turuncu ve kırmızı renkler ise daha uzun dalga boyunda ve düşük enerjili ışık dalgalarını göstermektedir.

Astronomlar için bu olayın önemi yıldızların da ışık saç­masıdır. Dünya’daki bir astronom, bir yıldızın yaydığı dalga boylarına baka­rak, yıldızın sıcaklığını ölçebilir. Dalga boyu dağılımı sıcaklığının bir göstergesidir. Bir yıldız ne kadar soğuksa dalga boyunda o kadar uzun ışık saçar ve kırmızı görünür, ne kadar sıcaksa dalga boyunda o kadar kısa ışık saçar ve mavi görünür. Bir yıldızın sıcaklığını ölçmenin yanında astronomlar, yıldızın yaydığı ışınları analiz ederek yıldızın içerdiği atomları da bulabilmektedir. Astronomların kullandığı bu teknik, İskoç fizikçi Thomas Melvill’in 1752’de yaptığı bir gözleme dayanmaktadır. Konudan konuya atlıyoruz ancak sabredin birazdan hepsi birleşecek.

Yıldızların Kimyasal İçeriklerini Işık Yardımı İle Nasıl Anlıyoruz?

Thomas Melvill yaptığı deneylerde birçok maddeyi yakarak her birinin farklı renkler çıkardığını görmüştü. Örneğin sod­yum klorür olarak da bilinen tuzun, turuncu ışık yayma­sının sebebi içindeki sodyum atomlarıdır.

Işıklandırma uzmanlarının yanı sıra havai fişek yapımcı­ları da atomların yaydığı ışıklarla ilgilenirler ve yaratmak istedikleri ışıklar için farklı maddeler kullanırlar. Örneğin baryum içeren havai fişekler yeşil ışık saçarken stronsi­yum içeren havai fişekler kırmızı ışık saçar.

Atomları, dalga boylarını, ışığı ve renklerini inceleyen bilim dalına spektroskopi denmektedir. Bir maddenin ışık yayma işlemine spektroskopik emisyon denir. Bu işle­min zıddına da spektroskopik soğurma denmektedir. Maddelerin ışığı soğurma özellikleri ast­ronomların ilgisini çeker. Bu bize yıldızların içerdikleri maddeleri gösterebilir. Bu nedenle astronomlar uzun süre yıldızları incele­diler.

1868’de William ve Margaret Huggins, Sirius yıldızı­nın spektrumundaki Doppler etkisini keşfettiler. Sirius’un soğurma çizgileri, Güneş’in soğurma çizgileriyle neredey­se aynıydı fakat dalga boylarının her birinde bir artış vardı. Bunun nedeni Sirius’un Dünya’dan uzağa doğru hareket etmesiydi.

Kırmızıya Kayma Ve Maviye Kayma Nedir?

Hatırlarsanız, dal­ga saçan nesneler gözlemciden uzaklaştıkça yaydıkları dalgaların dalga boyları artmaktadır. Dalga boyundaki bu tip artışlara kırmızıya kayma denir, çünkü kırmızı gözle görünen spektrumun en sonunda yer alan, en uzun dalga boyudur. Benzer şekilde dalga boylarında oluşan azalma­ ya da maviye kayma denilmektedir. Kırmızıya kayma ve maviye kayma kavramı, Doppler etkisi ile yakından ilişkilidir.

Her yıldız Dünya’da bulunan sodyum gibi elementlere sahiptir. Az önce de aktardığımız gibi bu ele­mentler standart dalga boylarında ışımalar yapar. Ancak Doppler etkisiyle değişen bu dalga boyları ölçülebilir ve yıldızın hızını bulabiliriz. Gökbilimciler, Samanyolu galaksimizin hareketini belirlemek için kırmızıya kaymayı kullanabilirler. Evrenimizde en az üç farklı türde kırmızıya kayma gözlemlenmiştir.

  • Tip I kırmızıya kayma, galaksilerin komşu galaksilere göre hareketinden kaynaklanır.
  • Tip II, kırmızıya kaymanın en yaygın şeklidir ve iki sabit cisim arasındaki boşluğun genişlemesi nedeniyle gözlenir.
  • Tüm kırmızıya kayma çeşitlerinin en inceliklisi ise Tip III olarak bilinir. Büyük cisimlerden gelen yerçekimi kuvvetleri ışığın hafifçe bükülmesine neden olur. Bu da gelen ışığın yörüngesini çarpıtarak gözlenen ışığın dalga boyunda bir değişiklik oluşturur. Yerçekiminin ışık üzerindeki etkisinin doğrulanması, Einstein’ın genel görelilik teorisinin doğrulanmasına da yardımcı olmuştur.  

Kırmızıya Kayma İle Yeni Gezegenleri Keşfetmek Mümkündür

Gökbilimciler, radyal hız yöntemi olarak bilinen bir yöntemle güneş dışı gezegenleri tespit etmek için kırmızıya kayma ve maviye kayma kullanır. Uzayda kütleçekimiyle bağlı iki cisim, ortak bir kütleçekim merkezinin etrafında dolanmaktadır. Yani sanılanın aksine gezegen yıldızın çevresinde dolanmaz. Yıldız ve gezegen birbirlerinin çevresinde dolanmaktadır. Kütle merkezi yıldızın içindedir, bu nedenle gezegen etrafında hareket ederken yıldız hafifçe yalpalıyormuş gibi görünür. 

Gökbilimciler bu yalpalamayı spektroskopi kullanarak ölçebilmektedir. Eğer yıldızın bu yalpası bizim görüş yönümüzdeyse, yıldız gözlemciye göre düzenli aralıklarla hafifçe yaklaşıp uzaklaşır. Bu hareket Doppler etkisi denen bir süreçle yıldızın saçtığı ışığın tayfında küçük değişimlere yol açar. Yıldız bize yaklaşırken, ışığının tayfı daha kısa dalga boylarına, maviye doğru kayar. Uzaklaştığındaysa daha uzun dalga boylarına, tayfın kırmızı bölgesine doğru kayar.

Evren hakkındaki bilgimiz öncelikle teorilere ve istatistiksel verilere dayanmaktadır. Bu nedenle, Doppler etkisinin kırmızıya kayma fikrinin yolunu açması, kozmolojik keşif alanında önemli bir atılımdı. Doppler zamanında buluşunun gelecek kuşakların işine yarayacağını öngörmüş olsa da bu kadarını muhtemelen kendisi de düşünememiştir.



Kaynaklar ve ileri okumalar:

Matematiksel

Sibel Çağlar

Merhabalar. Matematik öğretmeni olarak başladığım hayatıma 2016 yılında kurduğum matematiksel.org web sitesinde içerikler üreterek devam ediyorum. Matematiğin aydınlık yüzünü paylaşıyorum. Amacım matematiğin hayattan kopuk olmadığını kanıtlamaktı. Devamında ekip arkadaşlarımın da dahil olması ile kocaman bir aile olduk. Amacımıza da kısmen ulaştık. Yolumuz daha uzun ama kesinlikle çok keyifli.

Bu Yazılarımıza da Bakmanızı Öneririz