Dünyaya Yağan Atomaltı Parçacık Yağmuru: Kozmik Işınlar

Kozmik Işınları Tanıyalım

Kozmik ışınlar, ismindeki ışın ibaresi nedeniyle bir tür elektromanyetik radyasyon türünü çağrıştırsa da ışık hızına yakın hızlarda hareket eden yüksek enerjili atomaltı parçacıklardır [1]. Bu parçacıklar, süpernova patlamaları, aktif galaksi çekirdekleri ve Güneş patlamalarından dolayı Yer’e seyahat edebilir ve bir tür kozmik yağmur oluşturabilir. Ayrıca kozmik ışınlar, Güneş Sistemi’ne ve Yer’e ulaştığında uzay havasını etkileyen önemli bir faktör haline gelir.

Kozmik ışınları birincil ve ikincil olarak sınıflandırabiliriz. Birincil kozmik ışınlar doğrudan astrofiziksel kaynaklardan gelir. İkincil kozmik ışınlar ise birincil kozmik ışınların atmosferdeki gaz atomlarıyla etkileşip farklı parçacıklara dönüşmesiyle oluşur.

Kozmik ışınlar genellikle proton ve atom çekirdekleridir. Yer atmosferine girdiklerinde çeşitli etkileşimlerle müonlar gibi ikincil parçacıklara dönüşerek atmosferde akı ve enerji değişimine yol açarlar (Şekil 1). Bu sayede kozmik ışınların doğasının araştırılması ve uzay havası tahminlerinde kullanılmak üzere önemli bir veri kaynağı elde edilir.

**Şekil 1.** Kozmik ışınların Yer atmosferiyle etkileşimlerini gösteren şematik diyagram.
*(Kaynak: CERN)*
*Kozmik ışınların Yer atmosferiyle etkileşimlerini incelenebilmesi için“Bulut Odası” deneyi geliştirilmiştir.*

Temel parçacıkların ve bunların etkileşimlerinin tanımlanması için geliştirilmiş bir teori olan “Standart Model” hakkında daha fazla bilgi için: https://home.cern/science/physics/standard-model

Kozmik Işınların Keşfi

Kozmik ışınların keşfedilmesine ön ayak olan çeşitli deneyler yapılmıştır. Bunların ilki 1785 yılında Fransız fizikçi Charles Augustin de Coulomb’un yaptığı elektrometre (elektriksel yükleri ölçmeye yarayan alet) deneyinde elektrometredeki yüklerin atmosferik basınç nedeniyle kendiliğinden boşaldığını göstermesi; 1879’da İngiliz fizikçi William Crookes, düşük atmosfer basıncının kendiliğinden boşalma oranının azaldığını göstererek bu kendiliğinden boşalmanın doğasına ilişkin bir açıklama arayışı; Henri Becquerel’in radyoaktiviteyi keşfinden sonra Julius Elster ve Hans Geitel’ın havadaki elektrik iletimini incelemesi; ve Charles Wilson’ın elektroskop yardımıyla radyoaktivite ölçümleri yapıp radyasyonun uzaydan mı yoksa Yer’den mi kaynaklandığını bulma arayışı.

1909 yılında Theodor Wulf, yeni bir elektrometre tasarlayıp Eyfel Kulesi’nin tepesinde havanın iyonizasyonunu ölçmüş. Ertesi yıl Albert Gockel, deniz seviyesinden yaklaşık 3000 metre yüksekliğe kadar balon aracılığıyla uçuş yaparak radyasyon seviyelerini ölçerek bu yazımızın konusunu oluşturan kozmik radyasyon terimini kullanmıştır.

1911 yılında Domenico Pacini deniz seviyesi ve deniz seviyesi altında radyasyon ölçümleri sonucunda iyonlaştırıcı radyasyonun Yer atmosferinden kaynaklanması gerektiğini savunmuştır. Aynı yıl Charles Wilson’ın kurguladığı Bulut Odası Deneyi’nde birçok temel parçacığın izleri gözlenmiştir. Böylelikle parçacık fiziği alanında önemli bir adım atılmıştır.

1912 yılına gelindiğinde Avusturyalı fizikçi Victor Franz Hess balonla yaptığı yüksek irtifa uçuşlarında diğer meslektaşları gibi iyonlaştırıcı radyasyonun sebebini araştırıyordu [2]. 17 Nisan 1912’de gerçekleşen Güneş tutulması sırasında balonla deniz seviyesinden 5300 metre yükselerek yaptığı ölçümde iyonlaştırıcı radyasyonun azalmadığını tespit ederek radyasyonun Güneş kaynaklı olmadığını ve bunun uzayın derinliklerinden geliyor olması gerektiğini savunmuştur (Şekil 2). Böylelikle kozmik ışınlar için bir kaynak önererek 1936’da Nobel Fizik Ödülü’nün sahibi olmuştur.

CERN’nin kozmik ışınlar ve diğer konularla alakalı hazırladığı tarihsel gelişim dizinlerine erişmek için: https://timeline.web.cern.ch/timelines

**Şekil 2.** Victor Franz Hess *(Kaynak: Research Gate)*

Yıldızımız Güneş: Bizi Hem Koruyor Hem de Tehdit Ediyor

Güneşimiz, Güneş Sistemi’ni derin uzaydan gelen ışınımdan korur. Bu korumayı kendi rüzgarıyla oluşturduğu plazma yapılı helyosfer olarak adlandırılan balonla sağlar (Şekil 3). Bu koruyucu kalkan sayesinde Güneş Sistemi’ne girmeye çalışan kozmik ışınların bir kısmı yön değiştirebilir.

Helyosfer, iki kelimenin birleşiminden oluşur: Yunanca Güneş anlamına gelen “Helios” ve küre anlamına gelen “sphere” ancak bilim insanları helyosferin şeklinden tam emin değillerdir [3]. Helyosfer, Güneş yüzeyinden püskürtülen yüklü parçacıkların (genellikle proton, elektron ve alfa parçacıkları) oluşturduğu Güneş rüzgarlarıyla oluşmakta ve Oort bulutuna (1000 AB) kadar uzanan geniş bir alanı kapsamaktadır.

1950’lerin sonunda keşfedilen helyosferi daha ayrıntılı incelemek için 1977 yılında Voyager 1 ve Voyager 2 sondaları fırlatılmıştır. Bu görevin asıl amacı helyosferin yapısını incelemek olsa da temel olarak iki sorunun cevabını aranmaktadır: (i) Yıldızların yakınlarındaki gezegenler üzerindeki etkilerinin neler olduğunu öğrenmek ve (ii) uzaya gönderilen cihazların yüksek dozda radyasyona maruz kalmaları nedeniyle bozulmalarını engelleyerek cihaz malzemelerinin radyasyona dayanıklı hâle nasıl getirilebileceğidir.

***Şekil 3.*** *Güneş tarafında oluşturulan helyosfer katmanlarının, Voyager 1 ve Voyager 2 sondalarını şematize edilmiş hâli*. *(Kaynak: NASA)*

Güneş her ne kadar bizleri korusa da bir o kadar da tehdit etmektedir. Güneş’te meydana gelen Güneş patlamaları ve koronal kütle atımları Güneş rüzgârlarını oluşturarak, aynı zamanda uzay havasını oluşturur. Yer doğrultusunda Güneş’ten gelen yüksek enerjili parçacıklar Yer’in manyetik kalkanı manyetosfer ile karşılaşır. Yer’in merkezi kısımlarında dış çekirdek bölgesinde bulunan erimiş akışkan demirin hareketiyle manyetik alan oluşturur. Bu da aynı Güneş’in oluşturduğu helyosfer balonuna benzer bir manyetosfer balonu oluşturur.

Güneş rüzgârlarıyla Yer manyetosferi etkileşime girer. Güneş rüzgârlarıyla gelen yüklü parçacıkların çoğu manyetosfer tarafından Yer’in çevresinden saptırılır (Şekil 4). Saptırılamayan ve Dünya’nın üst atmosferindeki atomlarla etkileşime giren yüklü parçacıklar auroraları (kutup ışıklarını) oluştururlar ve hatta bazı durumlar ise birtakım sorunlara neden olabilirler. Bu nedenle Güneş aktivitesinin takibinin yapılması ve gerekli önlemlerin alınması gerekir.

***Şekil 4.*** *Güneş rüzgârlarının Yer manyetosferiyle etkileşiminin görselleştirilmiş hâli*.
(Kaynak: NASA)

Uzay Havası

Uzay havası; Avrupa Uzay Ajansı tarafından Yer’in manyetosferi, iyonosferi ve termosferinde Güneş rüzgârlarından kaynaklanan sistem ve hizmetlerin, işleyiş ve güvenilirliğini etkileyebilen veya insan sağlığını tehlikeye atabilen çevresel koşullar olarak tanımlanmaktadır [4].

Uzay havası takibi önemlidir çünkü uzay havasındaki değişimlere bağlı gelişebilecek tehdit unsurlarına karşı önlem alınabilmelidir. Bu tehdit özellikle günümüzde büyük önem arz eden GPS, iletişim ağları, uçuşlar ve enerji iletim hatları gibi teknolojik altyapılar üzerinedir (Şekil 5).

Bir diğer neden insan sağlığına yol açabileceği olumsuz etkilerdir. Güneş’ten gelip Yer atmosferinden geçebilen zararlı ışınlar morötesi (UV) ışınlar cilt yanıkları, cilt kanseri, göz hasarı gibi biyolojik hastalıklara neden olur. Ayrıca astronotlarda radyasyon nedeniyle ciddi biyolojik hasarlar gelişebilir.

Kozmik ışınlar, uzay hava tahminleri için önemli bir gözlem aracı olarak kullanılır. Uzaydaki yüksek enerjili parçacıkların Yer atmosferine girişi ve atmosferdeki etkileşimleri, atmosferik süreçlerin anlaşılmasına yardımcı olur.

**Şekil 5.** Uzay havası etkilerinin görselleştirilmiş hâli. *(Kaynak: ESA)*

Dünyada ve Ülkemizde Kozmik Işın Araştırmaları

Hem Yer’de hem de Türkiye’de kozmik ışınların doğasını anlamak amacıyla birçok araştırma ve deney yürütülmektedir. Bunlardan bazıları yer tabanlı bazıları ise uydu veya balon aracılığıyla yapılmaktadır.

Dünya’daki bazı kozmik ışın araştırma ve deneyleri şöyle özetlenebilir:

Alfa Manyetik Spektrometresi Deneyi: Uluslararası Uzay İstasyonu üzerinde bulunan ve kontrol odası CERN’de olan; kozmik ışınların hassas ölçümünü yaparak antimaddeyi ve karanlık maddeyi arayan parçacık fiziği detektörüdür (Şekil 6).

***Şekil 6.*** *Uluslararası Uzay İstasyonu üzerinde bulunan Alfa Manyetik Spektrometresi Deneyi*. *(Kaynak: AMS-02 Resmi Sayfası)*

Fermi Gama-Işın Uzay Teleskobu: Fermi Uzay Teleskobu, özellikle gama ışınlarını tespit etmek için tasarlanmıştır. Kozmik ışınların en yüksek enerjili olanları gama ışınlarıdır. Fermi Uzay Teleskobu gama ışınlarını tespit edip inceleyerek kozmik ışınların doğasını ve kaynaklarını anlamamıza yardımcı olur.

IceCube Nötrino Gözlemevi: Antarktika’da buz tabakaları altına yerleştirilmiş devasa bir nötrino detektörüdür. IceCube aynı zamanda kozmik ışınları da gözlemlemektedir (Şekil 7).

***Şekil 7.*** *IceCube Nötrino Gözlemevi* *(Kaynak: IceCube)*

CLOUD: CERN’de yapılan bir deneydir. Amacı bulut oluşumunu anlamak ve bulutların iklim üzerindeki etkisini araştırmaktır. Özellikle kozmik ışınların bulut oluşumunu etkileyip etkilemediğini anlamak için yapılan bir dizi deneyi içerir (Şekil 8).

***Şekil 8.*** *CLOUD Deneyi* *(Kaynak: CERN)*

Ülkemizde çeşitli üniversitelerdeki araştırmacılar, hem uluslararası alanda hem de yurt içinde gerçekleştirilen proje ve deneylerde görev almaktadır. Ayrıca birçok araştırma merkezi de bu alanda yapılan araştırmalara katkıda bulunur. Sarayköy Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezinde bulunan
ODTÜ – İVME-R Saçılmalı Demet Hattı Laboratuvarı bunlardan bir tanesidir (Şekil 9).

***Şekil 9.*** *ODTÜ Saçılmalı Demet Hattı Laboratuvarı*
*(Kaynak: ODTÜ – Uzay ve Hızlandırıcı Teknolojiler Uygulama ve Araştırma Merkezi)*

ODTÜ- İVME-R Saçılmalı Demet Hattı, “Parçacık Radyasyonu Testleri Oluşturma Laboratuvarı Projesi” kapsamında Türkiye Enerji, Nükleer ve Maden Araştırma Kurumu (TENMAK) Proton Hızlandırıcı Tesisi’nde uzay uygulamalarına yönelik “Tekil Olay Etkileri” konusunda incelenme ve radyasyon testlerinin yapılabilmesi için, Türkiye’nin uzay yol haritası ve stratejik planları ile uyumlu olarak İMECE Uydusu Geliştirme Programı altında ürün odaklı tanımlanan proje kapsamında kurulmuştur ve 05.12.2019 tarihinde açılışı yapılmıştır [5].

Bunlardan bir diğeri de 2023 yılında İstanbul Üniversitesi Gözlemevi Uygulama ve Araştırma Merkezi’nde kurulan; kozmik ışın araştırmaları olmak üzere uzay havası ve Güneş aktivitesi çalışmalarına yeni bir pencereden katkı sağlayabileceği düşünülünen Mirya Uzay Havası Takip İstasyonu’ dur.

İstanbul Üniversitesi Gözlemevi Uygulama ve Araştırma Merkezi Uzay Havası Takip İstasyonu

İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi Astronomi ve Uzay Bilimleri ve Fizik bölümlerindeki araştırmacılarla, Universidad de Alcalá’dan araştırmacıların katkılarıyla uluslararası işbirliği çerçevesinde uzay havası takibinde, kozmik ışınların doğası ve Güneş aktivitesi araştırmalarında kullanılmak üzere İstanbul Üniversitesi Gözlemevi’nde 6 Ekim 2023 tarihinde Uzay Havası Takip İstasyonu açıldı (Şekil 10).

***Şekil 10***. *Mirya- 𝛍1 dedektörü İstanbul Üniversitesi Beyazıt Kampüsü bahçesinde*
*(Kaynak: İstanbul Üniversitesi Gözlemevi Uygulama ve Araştırma Merkezi)*

***Şekil 11.*** Mirya- 𝛍1 dedektörünün içinde bulunduğu gemi konteyner.
(Kaynak: İstanbul Üniversitesi Gözlemevi Uygulama ve Araştırma Merkezi)

***Şekil 12.*** (Kaynak: İstanbul Üniversitesi Gözlemevi Uygulama ve Araştırma Merkezi)

Uzay Havası Takip İstasyonu şu aşamada iki bileşenden oluşmaktadır. Bunlardan ilki Güneş patlamalarını takip edecek olan radyo spektrometresidir. Diğeri ise asıl olarak müon tespiti üzerine odaklanılan
Mirya- 𝛍1 isimli Türkiye’deki bilinen en büyük kozmik ışın dedektörüdür (Şekil 13).

***Şekil 13.*** Kozmik ışın dedektörü (Kaynak: DergiPark)

***Şekil 14.*** (Kaynak: İstanbul Üniversitesi Gözlemevi Uygulama ve Araştırma Merkezi)

İstasyon bir süre İstanbul Üniversitesi Beyazıt Kampüsü’nde bulunan Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümü’nün bahçesinde kaldıktan sonra daha verimli gözlem koşullarının olduğu Atatürk Üniversitesi Doğu Anadolu Gözlemevi yerleşkesine gönderilmiştir (Şekil 15). İstasyon geçtiğimiz aylarda veri almaya başlamıştır. Güncel veriler ve bilgiler için aşağıdaki adresleri kullanabilirsiniz:

Kozmik ışın dedektörü için: http://ist60.istanbul.edu.tr/mirya/info/

Radyo anteni için tüm ağın adresi: http://ist60.istanbul.edu.tr/mirya/