Müjde, Nurtopu Gibi Bir Uydunuz Oldu!

– “Peki büyükanne, senin gözlerin neden bu kadar büyük?”
– “Seni daha iyi görebilmek için.”

Kırmızı Başlıklı Kız Masalı’ndan

Ay… Geceleri gökyüzündeki en parlak, en büyük gökcismi… Kendi ekseni çevresindeki dönüş hızıyla Dünya çevresindeki dönüş hızı aynı olduğundan diğer yanını bir türlü göremediğimiz uydumuz… Kimi zaman bizleri büyülemeyi başaran uydumuz aslında kütlesi ve çapıyla başka bir gezegenden bilmediğimiz bir uygarlıktan ziyaretçiler gelecek olsa onları bile büyüleyecek heybete sahip…

Evet! Yanlış okumadınız. Ay, güneş sistemimizdeki herhangi bir uyduya göre fazla büyük ve ağır ve bu yüzden onun nasıl oluştuğu da modern astronomi tarihindeki en önemli sorulardan birisi olmuş. Bu yazımızda Ay’ın nasıl oluşmuş olabileceğine yönelik teorileri tarihsel perspektifi ile birlikte ele alacak ve en geçerli modeli açıklayacağız.

AY BALAM…

Ay, insanlık tarihi boyunca her zaman yüksek öneme sahip olmuştur. Güneş’e atfedildiği kadar çok kez tanrı vasfı atfedilmemiş olsa da Ay, “olmasaydı insanlığın hali nice olurdu?” diye sorabileceğimiz kadar mühimdir; zira ay, birbirini takip eden düzenli evreleri sayesinde önce avcı toplayıcı sonra da tarım toplumları için önemli bir takvim olmuştur. Böylece avlanma zamanlarını,

harman ve hasat zamanlarını hesaplayabilen insanoğlu aynı zamanda yıl hesabından yaklaşan mevsimlere göre önlemler alabilmiş, doğa ile olan mücadelesinde bilinç kazanmıştır. Zira bildiğiniz üzere Dünya’nın Güneş çevresindeki dönüşünün 365 gün sürdüğü hesaplanmadan önce doğrudan ayın evrelerine göre hesaplanan Ay takvimi kullanılmaktaydı. Bugün gerek dilimizdeki “ay” kelimesinin uydumuz “Ay” ile sesteş olması, gerekse latin dillerinde (örn: İngilizce, “Moon” ve “Month”) biri zaman dilimi, diğeri Dünya’nın uydusu olan iki kelime arasındaki bağlantı bundandır. İslami (hicri) takvim hala kullanılagelen bir ay takvimidir.

Yaklaşık 4,5 milyar yıl önce oluştuğu düşünülen Ay, Güneş Sistemi’nin en büyük beşinci uydusudur, ancak gezegenine oranla büyüklüğünden bahsettiğimizde Dünya’nın çapının %27’si olan çapı ve 1/81’i olan kütlesiyle sistemimizdeki uydular arasında tartışmasız şampiyondur. Dünya’nın özkütlesinin %60’ı olan özkütlesiyle ise bu alanda lider olan Jüpiter’in uydusu Io’nun hemen ardından gelmektedir. Ay neredeyse Dünya’ya kardeş bir gezegen gibidir ve hatırı sayılır kütlesi ile Dünya üzerinde gelgitlere neden olmakta ve varolduğu günden bu yana Dünya’nın gün uzunluğunu onun dönüşünü yavaşlatmak suretiyle değiştirebilmektedir (Bu değer her yüzyılda 1.7 milisaniye kadardır).

İşte asıl gizem burada… Peki nasıl oldu da sistemimizdeki bir gezegenin bu denli büyük ve ağır bir uydusu olabildi?

UYDULAR NASIL OLUŞUR?

Gezegen uydularının oluşumuna dair klasik teori, onların gezegenlerle birlikte gezegen öncesi disk (protoplanetory disk) içerisinde oluştuğudur. Güneş sistemindeki pek çok gezegenin gezegen öncesi disk içerisinde oluştukları düşünülmektedir. Gezegen öncesi disk, adından da biraz anlaşılacağı üzere toz ve gaz bulutundan bir disktir ve henüz yeni var olmuş yıldızın çevresinde bulunurlar. Bu disk içerisindeki toplanmalar –ve hatta topaklanmalar- ile gezegenler ve uyduların bir kısmı ortaya çıkmıştır. Yani Güneş’imiz de henüz yeni doğmuş genç bir yıldızken, onun da çevresinde bir gezegen öncesi disk mevcuttu ve gezegenlere bu disk kaynaklık etti. Gezegenler Güneş’in çekimi tarafından yakalanarak yörüngeye girerken, uydular ise kütlece küçük oldukları için gezegenler tarafından yakalanmıştır ve böylece Güneş Sistemi’nin yörünge mekaniği ortaya çıkmıştır. Bu yolla oluşan gezegen ve uyduların yörüngeleri düzgündür. Gezegenler büyük kütleli olduklarından küresel bir şekle sahip iken uyduların kütlesi yeterince büyük olanları küreseldir ve yeterince büyük olmayanlar tuhaf şekillerde olabilirler.

Video: Gezegen öncesi diskten gezegenlerin oluşumu temsili gösterimi

Düzensiz veya ekzantrik yörüngeli ya da gezegeninin etrafında olması gerekenden çok daha uzakta konuşlanan uydular genelde başka bir cisim iken gezegenin yörüngesi tarafından yakalanan astreoidlerdir ve gezegen öncesi disk ile var olmamışlardır.

Düzenli ya da düzensiz, gezegen öncesi disk içerisinden doğan uydular güneş sisteminin doğal elemanlarıdırlar. Ancak bizim uydumuz Ay ve bir ihtimal Plüto’nun uydusu Charon gezegen öncesi disk içerisinde oluşarak gezegeninin çevresinde yörüngeye girecek kadar küçük değildirler ve bu halleriyle “biz başka bir şekilde var olduk” der gibidirler.

ESKİ AY TEORİLERİ

Ay’ın nasıl oluştuğuna yönelik pek çok kuram öne sürülmüştür. Bu kuramlar aşağıdaki gibidir:

Kardeş Gökcismi: Önceki paragraflarda bahsettiğimiz gezegen öncesi diskte birlikte oluşma ya da Ay’ın Dünya’nın çevresindeki bulutsudan meydana gelmesi gibi seçenekler, Ay ve Dünya’nın kütlesel ve çapsal özel durumunun (ve bunun yarattığı açısal momentumun) açıklamamaktadır. Ayrıca Ay’ın demir çekirdeğine ait bir veri, bu kuramı tamamen bertaraf etmektedir: Dünya’nın demir çekirdeği onun çapının %50’sini işgal etmektedir. Ay’da ise bu oran %25’tir. Eğer aynı dönemde birlikte oluşmuş olsalardı, soğuma dinamikleri de eşit olacaktı ve böylece her ikisinde de demir çekirdeğin oranı aynı olacaktı. Ancak böyle değil…

Yakalanma: Bu kuramlardan bir diğeri Yakalanma’dır. Yakalanma kuramına göre Ay kendi başına bir gökcismi iken Dünya’nın yer çekimi tarafından yakalanmıştır ve böylelikle Ay, Dünya yörüngesine girmiştir. 80’li yıllara dek popüler olan bu kuramın zayıf yanı, bu yakalanmanın gerçekleşmesi için Dünya’nın oluşma aşamasındayken sahip olduğu geniş atmosferin Ay’ı yavaşlatması ve kaçışını engellemesi gerekliliğidir. Zaten az sonra bahsedeceğimiz Büyük Çarpışma Teorisi’ni destekleyen bulgular bu kuramı tamamen tedavülden kaldırmıştır.

Fizyon (Bölünme): 19. Yüzyılın sonunda İngiliz astronom ve matematikçi George Darwin tarafından öne sürülen fizyon kuramı, bir zamanlar Dünya’nın ve Ay’ın yekvücut oldukları ve Ay’ın Dünya’dan ayrıldığı iddiasına dayanır. 1925’te Avusturyalı Jeolog Otto Ampherer tarafından da desteklenmiş ve o dönemde kıta kaymalarının ve Pasifik Okyanus’unun kaynağının bu fizyon olduğu öne sürülmüştür. Ay’dan örnek toplamamızı ve ayak basmamızı sağlayan ABD Apollo görevleri, jeolojik dönemlere ait daha sonra elde edilen bilgiler ve modelin Dünya-Ay Açısal Momentum’unu açıklamakta yetersiz oluşu kuramın tarihe gömülmesine neden olmuştur. Ayrıca hesaplamalara göre bu modelin geçerli olabilmesi için doğum gerçekleştiğinde Dünya’nın kendi ekseni etrafında bir tam günü 2,5 saatte dönüyor olması gerekirdi (gerekli santrifüj kuvvetini yaratabilmesi için) ki bu da Dünya’nın Ay’ı fırlattıktan sonra geçen 4,5 milyar yıl içerisinde yavaşlayarak dönüş süresinin 2,5 saatten 24 saate çıkması demektir. Bu yavaşlama mevcut bilgilerimize çelişkilidir.

Nihayet: BÜYÜK ÇARPIŞMA TEORİSİ

Takvimler 1946’yı gösterdiğinde ayın santrifüj kuvvetiyle fırlatıldığını öne süren fizyon teoreminin Ay’ın neden yavaşlayarak Dünya yörüngesinde kaldığını açıklamakta yetersiz bulan Harvard Üniversitesi’nden Reginal Aldworth Daly, Ay’ın Dünya’dan ayrıldığını kabul etmekle birlikte bunun bir çarpışma sonucu olabileceğini öne sürdü. Daly’nin iddiası önceleri pek dikkate alınmadı, ta ki 1974 yılında William K. Hartmann ve Donald R. Davis tarafından bir konferansta yeniden dile getirilip, 1975 yılında oldukça prestijli bir gezegenbilim dergisi olan Icarus’ta konuyla ilgili yeni makaleler yayınlanana kadar.

Hartmann ve Davis’e göre Dünya’ya çarpan cismin kütlesi Dünya kütlesinin onda birine kadar bir kütlede olmalıydı. Bilim insanları giderek çarpışma teorisi üzerinde uzlaşıya varıyorlardı ancak Dünya’ya çarpan cismin kütlesinin hangi miktarda olması halinde açısal momemtum probleminin en iyi şekilde açıklanacağı soru işaretiydi.

Başından beri bu konuyu gündemde tutmada ısrarlı olan Hartmann, Roger Philips (O sırada Houston’daki Ay ve Gezegen Enstitüsü’nün Müdürü) ve Hawaii Üniversitesi’nden Jeolog Jeff Taylor bir “Ayın Orijini” konferansı düzenlemeye karar verdiler. Konferanstan 18 ay önce meslektaşlarına “Apollo verilerini mi incelersiniz, bilgisayarınızda mı çalışırsınız, ne yaparsanız yapın ama bir şeyler bulmadan bu konferansa gelmeyin” diye duyurdular. Bu konferansın çok büyük bir etki yaratmayacağını, ama ilk olarak kendilerinin öne sürdüğü “Büyük Çarpışma Teorisi”nin artık daha fazla ilgi göreceğini düşünüyorlardı, ama 1984’te Hawaii’de gerçekleştirilen “Ayın Orijini Konferansı” büyük çarpışma teorisi için bir dönüm noktası oldu.

Hartmann’ın “Büyük Astrofizikçi” olarak tanımlandığı ve konferansta onun sunumundan sonra el karldırdığında “bir şey söyleyecek ve her şey çöpe gidecek diye çok korktum” diyerek bilgeliğinin hakkını verdiği A. G. W. Cameron, bu konferansta sunduğu çalışmasında Hartmann’in aksine çarpışmanın en az Dünya’nın 10’da biri kütlesine sahip bir cisimle olması gerektiğini, cismin hemen hemen Mars boyutlarında olduğunu öne sürdü. Gerçekten de Cameron, Hartmann’ın sandığı gibi büyük çarpışma teorisine karşı çıkmamış ve hatta daha doğru bir yaklaşımda bulunarak Büyük Çarpışma Teorisinin kaderini değiştirmiştir (zaten daha sonra bu konuda birlikte çalışmışlardır).

Konferans o kadar başarılı olmuştur ki, konferanstan sonra bırakın en popüleri, hemen hemen sağlam kalan tek ay kökeni teorisi büyük çarpışma teorisi olmuştur. 1984 yılındaki Ay konferansı hakkındaki ilk popüler bilim kitabının yazarı Dana Mackenzie konferans hakkında şunu söylemektedir:

“Konferanstan önce üç klasik teorinin de partizan boyutta destekçileri vardı ve çok az insan büyük çarpışma teorisini destekliyordu; ancak konferanstan sonra geriye sadece iki grup kaldı: Büyük Çarpışma Teorisi destekçileri ve agnostikler.”

Mars kütleli cisim “Thiea” olarak anılmaktadır ve bu isim ona 21. Yüzyılın hemen başında verilmiştir. Theia, Yunan mitolojisi’nde Ay Tanrıçası Selena’nın annesinin adıdır ve bu yönüyle Dünya ile birleşmesine bir mana yüklemiştir –biz de aynı manayı “nurtopu gibi bir uydumuzun olması ile başlığa yüklemiş olduk”.

Artık tarihi ve magazini bir kenara bırakıp çarpışmanın biçimine gelelim:

Astronomlara göre büyük çarpışma 4,4 ila 4,45 milyar yıl önce gerçekleşmiştir. Modele göre Theia Dünya’ya ne çok hızlı, ne de çok yavaş bir hızla yaklaşmış ve eğik bir açıyla çarpmıştır (Gerçekleştirilen bilgisayar simülasyonları 45 derecelik bir açı ve 4 km/s’lik bir yaklaşma hızının böyle bir çarpışmayı doğurmak için yeterli olduğunu gösteriyor).

Aşağıdaki video çarpışmayı muazzam bir biçimde görselleştirdiği için dikkate değer (özellike 1 dakika 11. saniyeden itibaren izlerseniz doğrudan videoyu görüntüleyebilirsiniz).

Video: BBC’nin konuyla ilgili bir belgesel için hazırladığı temsili görüntü

Video’da da görselleştirildiği üzere, çarpışma ile birlikte Theia’nın demir çekirdeği Dünya’nınkine batmış, böylece bir miktar Theia magması Dünya’nınkine karışmıştır. Buradaki yüksek basınç ile artık magma karışımı Dünya’dan uzaya fırlamış, bir ay ila bir yüzyıl gibi kısa bir süre içerisinde birleşip soğuyarak Ay’ı oluşturmuştur. Bu çarpışma neticesinde açısal momentum ve kütle kazanan Dünya’nın dönüşü bir miktar yavaşlamıştır. Astronomlar bu yavaşlamanın Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüşünü 5 saat kadar olduğunu düşünüyor.

Bilgisayar simülasyonları Theia’nın kütlesinin %20 kadarlık bir patlama artığının halka oluşturarak ay çevresinde dönmesi gerekliliğini ortaya koyuyordu. 2011 yılında Nature dergisinde yayınlanan bir çalışma, bu artıkların birleşerek ikinci bir uydu yarattığını ve bu uydunun saatler sürecek kadar yavaş bir biçimde Ay’ın görmediğimiz arka yüzeyine hareket ederek çarpışmadan birkaç on milyon yıl sonra orada birleştiğini gösteren bir takım bulguları ortaya koydu. Ayın bize dönük yüzü delik deşik alçak düzlüklerce kaplanmışken, arka yüzünün yüksek dağlardan oluşmasının nedeninin muhtemel nedeninin bu ikinci gizemli uydu olduğu düşünülüyor. Uydunun Dünya’dan fırlayan parçalardan Dünya’ya yeniden düşmeyen, ama uzaya da fırlamayan, başka bir deyişle Ay’ın arka tarafındaki Lagrange noktasında (yani Dünya ve Ay çekimlerinin birbirini dengelediği bir nokta) stabil olarak kalabilen parçalardan teşekkül olduğu sanılıyor. Bu modele göre 1000 km’lik küçük bir çapa sahip olan ikinci gizemli uydu Ay’ın arkasındaki dağları oluşturacak şekilde kardeşiyle birleşmiş.

TEORİYİ DESTEKLEYEN ÖNEMLİ BULGULAR

Ay’ın oluşumuna yönelik teoriler arasında Ay-Dünya fiziksel etkileşimini ve açısal momentumlarını en iyi şekilde açıklayabilen teorinin Büyük Çarpışma Teorisi olduğunu dolaylı olarak söylemiştik, ancak bu açıklamayı yapabilmesi onun doğrudan kabul edilmesi için yeterli değil.

Simülatörlerden elde edilen sonuçlar büyük çarpışmanın gerçekleşmiş olabileceğini gösterse de sahici fiziksel kanıt haberi 2001 yılında Washington’daki Carneige Enstitüsü’nden geldi:
Apollo’nun getirdiği Ay kaya örneklerini inceleyen araştırmacılar Ay’dan alınan kaya örneklerinin Dünya kayaları ile aynı oksijen izotopik içeriğe sahip olduğunu ve Güneş Sistemi’ndeki diğer tüm cisimlerden farklı olduğunu ortaya koydu. Bu Ay için bir DNA analizi niteliği taşımaktaydı ve bu analiz başka bir sürpriz bilgiyi daha ortaya çıkardı: O tarihe kadar sanıldığı gibi Ay’ın materyalinin büyük kısmı Theia değil Dünya kaynaklıydı. Ancak bu bilgi 2007’de biraz daha revize edilerek Theia’nın da Dünya’ya benzer bir izotopik profile sahip olduğu bilgisiyle değiştirildi. Yeni bilgiye göre çarpışmadan sonra Dünya ve çarpışma nedeniyle oluşan gezegen çevresindeki Ay Öncesi Disk homojen bir biçimde karışmıştı.

Yapılan derin analizlerde tespit edilen, oksijen haricindeki madde farkları ise çarpışma modeline uygun başka dolaylı kanıtlar sundular. Örneğin Ay’daki ağır çinko izotoplarının Dünya’ya nispeten fazla olması, hafif izotopun buharlaşarak kaçtığını doğrular ve dolayısıyşa çarpışmanın düşünülen niteliğini kanıtlar nitelikte.

Bu arada yeri gelmişken uydumuza dair büyük ihtimalle bu çarpışmadan miras kalan ilginç bir bilgiden de bahsetmek gerek: Ay Dünya’dan her yıl 3.82±0.07 cm uzaklaşmaktadır.

Şu ana dek öne sürülenler arasında en çok destekleneni ve en geçerli olmasına rağmen Büyük Çarpışma Teorisi’nin hala açık kalan bazı noktaları mevcut. Bunlardan birisi, böylesine bir çarpışmada Dünya’da bir magma okyanusunun oluşmuş olma gerekliliği. Henüz Dünya tarihinde böylesine bir magma okyanusu oluştuğuna dair jeolojik bir kanıta rastlanmış değil. Bu eksik halkanın tamamlanması halinde büyük bir astronomik ve tarihi muamma çözülmüş olacak.

Kaynaklar:

1. Brush, Stephen G., “ Early History of Selegony” – Origin of the moon; Proceedings of the Conference, Kona, HI, October 13-16, 1984 (A86-46974 22-91). http://adsabs.harvard.edu/abs/1986ormo.conf….3B
2. Cameron A.G.W., “Impact Theory of the Moon” – Origin of the moon; Proceedings of the Conference, Kona, HI, October 13-16, 1984 (A86-46974 22-91). http://adsabs.harvard.edu/abs/1986ormo.conf..609C
3. Wikipedia, “Origin of the Moon”, “Natural Satellite” maddeleri.
4. “Early Earth may have had two moons”,  http://www.nature.com/news/2011/110803/full/news.2011.456.html#B1
5. Dana Mackenzie, “The Big Splat, or How Our Moon Came to Be”