Evrendeki her şey değiştiğinde: Yeniden iyonlaşma dönemi
Büyük Patlama’dan sonraki milyonlarca yılda, kozmosun şiddetle çalkalanan parçacık çorbası soğuduğunda kozmos karanlık ve sıkıcı bir yerdi. Işık saçan hiçbir yıldız yoktu. Tanıdık galaksi girdapları da yoktu. Hiç gezegen yoktu. Bütün cihan, nötr hidrojen gazıyla örtülmüştü.
Populer Science Türkçe’de yer verilen kimi bilgilere nazaran tüm o hidrojenin bir formdan öbür bir forma geçtiği bu değerli periyot, yine iyonlaşma devri biçiminde biliniyor. Kozmik şafağımızla başlamış ve tüm o dayanılmaz doku ve özellikleriyle çağdaş çağın müdjesini vermişti. Kelam konusu devir kainatın büyüdüğü vakitler için taban teşkil ediyor.
Austin – Texas Üniversitesinde kuramsal astrofizikçi olarak çalışan Julian Munoz, “Evrenimizde meydana gelen son büyük değişim buydu” diyor. O bir milyar yıl civarı vakitte her şey değişmiş ve ortadan geçen milyarlarca yıllık müddette fazla değişen olmamıştı.
Bu büyük geçişin nasıl gerçekleşmiş olabileceğini tanım eden modeller olsa da tabloda hala büyük boşluklar var. Bu birinci yıldızlar ne vakit oluşmuş ve ana galaksilerinden kaçan ışık, tekrar iyonlaşmayı ne vakit başlatmıştı? Bu durumdan en çok hangi tip galaksiler sorumluydu ve kara deliklerin rolü neydi? Yine iyonlaşma, uzay ve vakit boyunca nasıl ilerlemişti? Karanlık hususun tabiatı üzere başka kozmik gizemler için ne üzere ipuçları taşıyabilir?
“Evrenin bugün olduğu şeye nasıl dönüştüğünü anlamış değiliz” diyor Munoz.
Bilim insanlarının geriye, cihanın derinliklerindeki birinci birkaç milyar yılına bakmasını sağlayan yeni araçlar sayesinde birtakım yanıtlar artık görüş alanımızda. 2021 yılında fırlatılan James Webb Uzay Teleskobu (JWUT), Büyük Patlama’dan yalnızca yüz milyonlarca yıl sonra var olan ve hala sürprizler sunan galaksilere bakıyor. Birebir vakitte yeni kuşak radyo teleskopları da yalnızca bu galaksilere değil, bir vakitler uzayın tamamına nüfuz eden nötr hidrojene de odaklanıyor. Bu hidrojen, tekrar iyonlaşma devrinin nasıl meydana geldiğine ve kozmosun öbür özelliklerine dair ipuçları sunuyor.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde (MIT) çalışan astrofizikçi Rob Simcoe, “Şu an kozmik tarihin bu devrini incelemek üzere uygulayabildiğimiz araçlar, daha evvelkilere benzemiyor” diyor.
IŞIK BOLLUĞU
Evrenin birinci vakitlerindeki gelişimine dair yeni bilgilerimiz şöyle: 13,8 milyar yıl evvelki Büyük Patlama’dan sonra kozmos genişledi ve atom altı parçacıklardan oluşan o ilkel çorba soğudu. Birinci saniyede protonlar ve nötronlar oluştu. Birinci birkaç dakikada birleşerek atom çekirdeğini meydana getirdiler. Yaklaşık 380.000 yıl içinde ise o çekirdekler elektron yakalamaya başlayarak birinci atomları meydana getirdi. İyonlaşmış çorbanın nötr atomlar haline geldiği bu dönüm noktası, tekrar birleşme biçiminde biliniyor (çekirdekler ve elektronlar daha evvel hiç birleşmediğinden bu aldatıcı bir tabir).
Bu özgür elektronlar atomlara girene kadar, bir otomobilin farlarındaki ağır sis üzere ışık saçmışlardı. Ama elektronların dizginlenmesiyle, fotonlar kozmos boyunca dışarı yanlışsız fırlayabilmişti. Bugün bu ışık parçacıkları bize, kozmik mikro dalga art plan biçiminde bilinen soluk bir parıltı halinde ulaşıyor.
Ardından, cihan karanlık çağlar olarak bilinen bir periyoda girdi. Hidrojen ve bir ölçü helyum gazının cihana yayılmasıyla, ışık yapacak pek bir şey kalmamıştı. Ama karanlık husus öbekleri, etraftaki gazı kendine çekmekle meşguldü ve bu gazların bir kısmı, nükleer kaynaşma başlatacak kadar ağırlaşmıştı. Büyük Patlama’dan yüz milyon yıl yahut daha fazla müddet sonra, birinci yıldızlar kozmik şafağımızda aydınlanmıştı. Bu birinci yıldızlar yandıkça, iyonlaştırıcı morötesi ışıkları içinde bulundukları galaksilerden kaçmaya başlamıştı. Bunun sonucunda birleşip nihayetinde kozmosu doldurana kadar büyüyen, iyonlaşmış hidrojen baloncukları oluşmuştu.
JWUT, birinci galaksiler ve bu galaksilerin ışıklarının yine iyonlaşma sürecine nasıl taraf verdiğiyle ilgili pek çok soruyu cevaplamaya hazır. Lakin şimdilik teleskop, karşılıklardan çok soru getiriyor. Erken devirlerde bilim insanlarının düşündüğünden çok daha fazla galaksi varmış ve bu galaksiler, kainatı tekrar iyonlaştırmak için gereken ışık tipinden çok daha fazla ölçüde üretiyormuş.
Teleskobun yayınladığı birinci imajlar, tarihleri Büyük Patlama’dan sonraki 600 milyon yıla uzanan galaksilerle dolup taşıyordu. Akabinde ise 2022 yılının sonlarında, o vakte kadarki en eski galaksi onaylandı; Büyük Patlama’dan sonraki 350 milyon yılda var olmuştu. Bu rekor daha sonra, Santa Cruz – California Üniversitesinde çalışan astrofizikçi Brant Robertson ve meslektaşlarının Büyük Patlamadan sırf 290 milyon yıl sonrasına tarihlenen bir galaksiyi duyurmasıyla tekrar kırılmıştı.
Bu galaksilerin pek birçok, varsayım edilenden daha parlak ve büyüktü: 2023’te Büyük Patlama’dan sonraki 700 milyon yılda oluşan altı galaksi, olgun görünmeleri tarafından manşet olmuştu. Bu erken periyoda karşın yıldız kütleleri, 60 milyar Güneş kütleli yıldız barındıran günümüzün Samanyolu galaksisiyle rekabet ediyordu.
Standart kuram, bu kadar fazla yıldızın nasıl bu kadar erken oluştuğunu açıklayamıyor. Münasebetiyle bu galaksilere “evreni ihlal edenler” lakabı takılmış.
Makalenin eş müelliflerinden olan ve Boulder – Colorado Üniversitesinde çalışan astrofizikçi Erica Nelson, “Kesinlikle çılgınca” diyor. “Evrenin erken devirlerinin ya düşündüğümüzden daha kaotik ve patlamalı olduğunu ya da cisimlerin daha süratli evrimleştiği bir kainatı akla getiriyor.”
Yapılan keşifler, bilim insanlarını galaksi evrimini yine değerlendirmeye zorlayabilir. Ayrıyeten tekrar iyonlaşmayla ilgili büyük sorular da ortaya çıkarıyorlar.
Paris Astrofizik Enstitüsünde çalışan Hakim Atek ve meslektaşları, JWUT’nin tespit ettiği erken galaksilerden en soluklarının bile fazla ölçüde yine iyonlaştırıcı ışık ürettiğini ve bunun beklenenden dört kat daha fazla olduğunu keşfetmiş. Solukluklarına karşın, cihanı çoğunlukla kendi başlarına yine iyonlaştıracak kadar var bu galaksilerden.
Ayrıca JWUT, kozmik tarihde süperkütleli kara deliklerin zannedilenden çok daha erken oluştuğuna işaret eden bulgular sunuyor; bu yapıların etraflarındaki hususlarla beslendikçe yaydığı yüksek güçlü emisyonlar da tekrar iyonlaşmaya katkıda bulunmuştur.
Munoz ve meslektaşları 2024 tarihli ve “JWUT’den sonra tekrar iyonlaşma: Bir foton bütçesi krizi mi?” başlıklı makalelerinde, tüm bu ışıkla bir arada cihanın bildiğimizden daha erken bir tarihte yine iyonlaşmış olması gerektiğini ileri sürüyor.
Munoz, bunun aslında bir kriz olmadığını söylüyor. Mevcut araştırmalar, tekrar iyonlaşmanın Büyük Patlama’dan 1,1 milyar yıl sonra sona erdiğini belirlemiş. Lakin yine iyonlaştırıcı ışığın görünürde bol ölçüde olması, kozmosun erken devirlerine ilişkin tabloda bir şeyin eksik olduğunu gösteren net bir işaret. “Bulmacanın bütün modüllerini bilmiyoruz” diyor bilim insanı.
Hidrojende ipuçları aramak
Araştırmacılar, cihanın erken periyotlarındaki vakitlerde ne kadar nötr hidrojen olduğunu görmek için yeni kuşak radyo teleskoplarını kullanarak, tekrar iyonlaşmayı takip etmeyi ümit ediyor.
Bilim insanları, bu hidrojeni öteki formlarda araştırmış. Örneğin kozmik mikrodalga art plan ışımasının ışık dağılımı, o ışık Büyük Patlama’dan yaklaşık 380.000 yıl sonra yayıldığı vakitten beri toplam tekrar iyonlaşma ölçüsüne dair ipuçları sunuyor. Hususla beslenen dev kara deliklerin çıkardığı parlak ışınım fenerleri olan kuvasarlar da diğer bir araştırma imkanı sunuyor. Nötr hidrojen, kuvasarların bir gözlemciye gerçek olan güzergahında ışığın belirli dalga uzunluklarını soğuruyor ve hidrojenin mevcudiyetine yönelik bir işaret sunuyor. Lakin daha erken devirlere yaklaştığınızda, daha düşük sayıda kuvasar ortaya çıkıyor.
Bu yüzden artık bilim insanları, kozmik şafağa ve hatta karanlık çağlara kadar, iyonlaşmadan evvel nötr hidrojenin kendisinden gelen bir radyo sinyalini tespit etmeyi amaçlıyor. 21 cm sınırı olarak bilinen bu sinyal, 1950’lerden beri tespit ediliyor ve gökbilimde yaygın formda kullanılıyor. Ama cihanın erken devirlerinden gelen sinyaller kesin biçimde tespit edilmemiş.
Bu radyo sinyali, nötr hidrojenin elektronundaki bir kuantum geçişinden ortaya çıkıyor. 21 santimetrelik dalga uzunluğunda bir ölçü elektromanyetik radyasyon yayan bu geçiş sık sık gerçekleşmiyor. Lakin nötr hidrojenin bol olduğu vakitlerde tespit etmek mümkün.
Ayrıca bu sinyal, nötr hidrojenin bulunduğu yerleri göstermekten daha fazlasını yapabilir. Bir çeşit termometre vazifesi de görüyor. Bilim insanları onu kullanarak kozmik sıcaklığın yanısıra gücün ışık yahut ısı halinde galaksilerararası ortama nasıl girdiğine dair ipuçlarını da daha yeterli anlayabilir.
Bu üzere güç patlamaları birinci yıldızlardan ve unsurla beslenen kara deliklerden gelebilir. Ya da bu güç daha egzotik bir şeye işaret edebilir: Kendisi ile karanlık husus ortasındaki etkileşimlere yahut karanlık unsur ile daha bilindik husus ortasındaki bilinmeyen etkileşimlere. Munoz, bu tıp etkileşimlerin galaksilerarası ortamı ısıtabileceğini ya da soğutabileceğini belirtiyor. 21 cm sınırı, beklenmedik fiziğin sebep oldukları dahil iş başındaki süreçleri incelemenin bir yolunu sunuyor. “Başka türlü elde edemeyeceğiniz bilgiler verebilir” diyor araştırmacı.
Bu parmak izini arayan bir teleskop da Hidrojenli Tekrar İyonlaşma Periyodu Teleskop Dizisi yahut HERA biçiminde biliniyor. Şayet JWUT karmaşıklığı ve maliyetiyle biliniyorsa, HERA daha kolay bir teleskop. Berkeley – California Üniversitesinde çalışan astrofizikçi Josh Dillon, “PVC borular, tel örgüler ve telefon direklerinden yapılmış” diyor.
HERA, Güney Afrika’nın Northern Cape vilayetindeki bir kilometrekarelik alanın yüzde 5’ine dağıtılmış 350 radyo anteninden oluşuyor. Teleskobun kendisi düşük teknolojili olsa da yaptığı müşahedeler, günümüzdeki en ileri sinyal işlemeyi ve data tahlilini gerektiriyor. Bunun sebebiyse tabiatı prestijiyle zayıf olan bu sinyalin, kendi galaksimiz ve öteki galaksilerden gelen kuvvetli radyo gürültüleri ortasından tespit edilmesinin gerekmesi.
Dillon 21 cm sinyalini tespit etmeyi, bass’ın 100.000 kat daha güçlü olduğu bir konserde tiz duymaya çalışmakla kıyaslıyor. “Bu yüzden şimdiye kadar yapılmadı” diyor bilim insanı.
HERA, 21 cm sinyalindeki uzamsal dalgalanmaların istatistiksel bir ölçümünü yapmayı amaçlıyor. Bu dalgalanmalar, nötr hidrojenin gökyüzü boyunca dağılımındaki farklılıklardan ortaya çıkıyor ve bu gazın yanısıra yıldız ve galaksilerin de nasıl bir sergilediğine ait fikir veriyor. Başka araştırma ekipleri ise gökyüzü boyunca ortalama bir sinyal yakalayan geniş bir ölçüm yapmayı hedefliyor. Bu sistemler farklılık gösterdiğinden, yapılan tespitlerden biri öteki bir tespitin doğrulanmasına yardımcı olabilir.
Yapıldığı tez edilen bir tespiti açıklamak için ise karanlık hususa başvurulmuş. Global Tekrar İyonlaşma Devrinin İmzasını Tespit Etme Deneyi yahut EDGES’te çalışan araştırmacılar, 2018 yılında 21 cm sinyalinin ortalamasını tespit ettiklerini ve bu sinyalin, birinci yıldızlardan çıkan ışığın etraftaki hidrojenle etkileşime girmeye başladığındaki vakte tekabül ettiğini söylemişlerdi.
Bu sinyalin beklenenden daha güçlü olması, kestirim edilen hidrojen gazından daha soğuk olduğunu akla getirmiş ve argümana yönelik pek çok kuşkuyu körüklemişti. Kimi araştırmacılar, hidrojen gazı ve karanlık husus ortasındaki etkileşimlere mümkün bir açıklama gözüyle bakıyor lakin bu türlü bir açıklama, beklenmeyen bir fizik gerektiriyor.
Almanya’daki Heidelberg Üniversitesinde çalışan gözlemsel evrenbilimci Sarah Bosman, “Bir sürü acayip kuram var” diyor. “Acayip olması gerekiyor” diye belirtiyor zira sıradan fiziğin hiçbir tarafı, EDGES’in gördüğü kuvveti vermiyor.
Bosman, bu argümana karşı heyecan duyan birkaç şahıstan biri olduğunu ve bu durumun, iddiayı doğrulayabilecek ya da çürütebilecek öteki deneyler üzerinde çalışan araştırmacıları motive ettiğini söylüyor. “Alana çok âlâ bir dayanak sağladı” diyor.
HERA ve öbür teleskoplar, 21 cm sinyalini gökyüzünün tamamında saptamaya çalışacak Kilometrekare Teleskop Dizisi’nin müjdecisi. Bu dizi, Güney Afrika ve Avustralya’daki radyo antenlerini birleştirerek şimdiye kadar yapılan en büyük radyo teleskobunu meydana getirecek. Hala üretim etabında olsa da teleskop, istasyonlarından iki adedini bağlayarak birinci verisini 2024’te aldı.
DAHA YETERLİ ARAÇLAR, DAHA DERİN BİLGİ
Bosman, 21 cm sinyalinden ne bekleneceğini gerçekte kimsenin bilmediğini belirtiyor. Kozmik evrimin mevcut imgesinde yalnızca ufak değişiklikler meydana getirebilir ya da bildiklerimizi büsbütün tümüyle yine yazan yeni bir fizik ortaya çıkarabilir. Söylemek için şimdi çok erken.
Fakat Dillon, 21 cm sınırının günün birinde “Mümkün olan en büyük data setini” sunabileceğini söylüyor. Sonuncu amaç, Büyük Patlama’dan yaklaşık 100 milyon yıl sonrasından bir milyar yıl sonrasına kadarki vakit penceresini araştırmak. Bu vakit penceresi, cihanın toplam ömrünün yüzde 10’undan daha küçük bir kısmını temsil ediyor fakat kozmosun devam eden genişlemesi sebebiyle bu vakit penceresi, görünebilir kozmosun hacminin yaklaşık yarısını kapsıyor.
Gelecekteki aygıtlar, çok daha eski vakitlere kadar ulaşılmasına yardımcı olacak. Uzayda ve hatta Ay’da yeni radyo teleskopları için çeşitli teklifler var. Teleskoplar buralarda Dünya tabanlı müdahelelerden ırak olacak. Cambridge Üniversitesi Gökbilim Enstitüsünde çalışan evrenbilimci ve astrofizikçi Anastasia Fialkov, en eski 21 cm sinyalinin bize Dünya’nın iyonosferinden yansıyan dalgaboylarda ulaşacağını belirtiyor. Uzay’daki yahut Ay’daki teleskoplar, bu sorunun üstesinden gelebilir.
21 cm’e dair tüm ipuçları, JWUT’nin erken galaksi müşahedelerinin yanısıra onun varisi Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu ve şu an Şili’de üretim etabında olan Avrupa Son Derece Büyük Teleskobu üzere yer tabanlı teleskoplar ile de araştırılacak.
MIT’de çalışan ve 2023 yılında Annual Review of Astronomy and Astrophysics‘te meslektaşlarıyla bir arada erken kainattaki kuvasarlar üzerine makale yazan Simcoe, kuvasarlar üzerinde yürütülen çalışmaların da çok şey söyleyeceğini belirtiyor.
Simcoe kuvasarların, “evrenin hala nötr hidrojen gazlarına tutunan son bölgelerini” tanımlamada bilhassa yararlı olduğunu tabir ediyor. En genç yıldız ve galaksilerin (ya da onları meydana getiren maddelerin) bu ceplerde ikamet ediyor olması lazım.
Bu erken devir yıldızlar, günümüzdeki yıldızlar tarafından üretildiğini gördüğümüz şeylerden farklı iz elementler üretiyor olmalı. Kuvasarlardan gelen ışık antik bir gaz bulutunda bu iz elementleri ortaya çıkarırsa, antik bir popülasyona ulaşıyor olduğumuzun işaretini görürürüz; tahminen de birinci yıldızlara.
“Bu durum, nihayet oraya ulaştığımız manasına gelecektir” diyor Simcoe. “Ayrıca arayışımız da bu aslında: Cihandaki karmaşıklığın ne vakit ortaya çıktığını bulmak. ‘Evren, bugün göründüğü halde görünmeye aslında ne vakit başlamıştı’ sorusunun karşılığını.”
Bunu ne vakit öğreneceğimizi kimse bilmiyor ancak Simcoe, mevcut araçların ve hatta sıradaki araçların bunu mümkün kılabileceğini düşünüyor: “Kapıyı çalıyoruz.”
