Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Büyük Patlama'yı izleyen milyonlarca yıl boyunca, evrenin kaynayan parçacık çorbası soğuduktan sonra, kozmos karanlık ve sıkıcı bir yerdi. Işık saçan yıldızlar yoktu. Galaksilerin tanıdık girdapları yoktu. Kesinlikle gezegenler de yoktu. Ve tüm evren nötr hidrojen gazıyla örtülmüştü.

Sonra, belki 100 milyon yıl kadar sonra, her şey değişmeye başladı. Sonraki bir milyar küsur yıl boyunca evren yavan, etkileyici olmayan bir manzaradan zengin ve dinamik bir manzaraya dönüştü. Bu derin değişim ilk yıldızlar parladığında başladı. Yandıkça, ısı üretip yeni madde oluşturdukça, yoğun ışıkları evreni kaplayan hidrojeni parçalamaya başladı. Her yerde elektronlar bu atomlardan koptu ve evrende en bol bulunan element olan hidrojenin büyük kısmı bugün olduğu gibi iyonize halde kaldı.

Tüm bu hidrojenin bir formdan diğerine geçtiği bu önemli dönem, reiyonizasyon çağı olarak bilinir. Kozmik şafağımızla başlamış ve tüm muhteşem dokuları ve özellikleriyle modern çağı başlatmıştır. Evrenin ne zaman büyüdüğünün arka planı olarak hizmet eder.

Austin'deki Texas Üniversitesi'nden teorik astrofizikçi Julian Muñoz, “Bu, evrenimizde meydana gelen son büyük değişimdir” diyor. O milyar yıl boyunca her şey değişti ve o zamandan bu yana geçen milyarlarca yılda da pek bir şey değişmedi.

Bu büyük geçişin nasıl gerçekleşmiş olabileceğini açıklayan modeller olsa da, resmimizde dev boşluklar var. İlk yıldızlar ne zaman oluştu ve ev sahibi galaksilerinden kaçan ışık reiyonizasyonu ne zaman başlattı? En çok ne tür galaksiler sorumluydu ve kara deliklerin rolü neydi? Reiyonizasyon zaman ve mekân boyunca nasıl ilerledi? Ve karanlık maddenin doğası gibi diğer kozmik gizemler için ne gibi ipuçları taşıyor olabilir?

Muñoz, “Evrenin bugünkü haline nasıl geldiğini anlamıyoruz” diyor.

Bilim insanlarının evrenin ilk milyar yılının derinliklerine bakabilmelerini sağlayan yeni araçlar sayesinde bazı yanıtlar artık elimizin altında. 2021'de fırlatılan James Webb Uzay Teleskobu (JWST), Büyük Patlama'dan sadece yüz milyonlarca yıl sonra var olan galaksilere bakıyor ve şimdiden sürprizlerle karşılaşıyor. Aynı zamanda, yeni nesil radyo teleskopları galaksilere değil, bir zamanlar tüm uzayı kaplayan nötr hidrojene odaklanıyor. Bu hidrojen, yeniden iyonlaşma çağının nasıl ortaya çıktığına ve kozmosun diğer özelliklerine dair ipuçları sağlıyor.

MIT'den astrofizikçi Rob Simcoe, “Kozmik tarihin bu dönemini incelemek için şu anda kullanabileceğimiz araçlar daha önce sahip olduğumuz hiçbir şeye benzemiyor” diyor.

Bolca ışık

Erken evrenin gelişimine dair mevcut anlayışımız şu şekildedir: Büyük Patlama'dan sonra, 13,8 milyar yıl önce, kozmos genişledi ve atom altı parçacıklardan oluşan ilkel çorba soğudu. İlk saniye içinde protonlar ve nötronlar oluştu. İlk birkaç dakika içinde atom çekirdeklerine dönüştüler. Yaklaşık 380.000 yıl sonra, bu çekirdekler ilk atomları oluşturmak üzere elektronları yakalamaya başladı. İyonize çorbanın nötr atomlara dönüştüğü bu dönüm noktası rekombinasyon olarak bilinir (yanlış bir adlandırma, çünkü çekirdekler ve elektronlar daha önce hiç birleşmemişti).

Atomların içine hapsedilene kadar, serbest elektronlar ışığı bir arabanın farlarındaki yoğun sis gibi dağıtırdı. Ancak elektronlar dizginlendiğinde, fotonlar kozmos boyunca dışarı fırlayabildi. Bugün, bu ışık parçacıkları bize kozmik mikrodalga arka planı olarak bilinen soluk bir parıltı şeklinde ulaşıyor.

Sonra evren karanlık çağlar olarak bilinen döneme girdi. Hidrojen ve bir miktar helyum gazının evreni kaplamasıyla birlikte, etrafta ışık oluşturacak pek bir şey yoktu. Yine de karanlık madde damlaları çevredeki gazı çekmekle meşguldü, bazıları nükleer füzyonu başlatacak kadar yoğunlaşıyordu. Büyük Patlama'dan yüz milyon yıl ya da daha fazla bir süre sonra, kozmik şafağımızda ilk yıldızlar parladı. Bu ilk yıldızlar yandıkça, iyonlaştırıcı ultraviyole ışıkları galaksilerinden kaçmaya başladı. Bu, birleşene kadar büyüyen ve sonunda kozmosu dolduran iyonize hidrojen kabarcıkları yarattı.

JWST, erken galaksiler ve ışıklarının reiyonizasyon sürecini nasıl yönlendirdiği hakkında birçok soruyu yanıtlamaya hazırlanıyor. Ancak teleskop şimdilik cevaptan çok soru ortaya çıkarıyor. İlk zamanlarda bilim insanlarının düşündüğünden çok daha fazla galaksi vardı ve bu galaksiler evreni yeniden iyonlaştırmak için gereken ışık türünden çok daha fazlasını üretiyorlardı.

Teleskop tarafından yayınlanan ilk görüntüler, Büyük Patlama'dan 600 milyon yıldan daha kısa bir süre sonrasına tarihlenen galaksilerle dolup taşıyordu. Ardından, 2022'nin sonlarında, şimdiye kadarki en eski galaksinin Büyük Patlama'dan sadece 350 milyon yıl sonra var olduğu teyit edildi. Daha sonra UC Santa Cruz astrofizikçisi Brant Robertson ve meslektaşları Büyük Patlama'dan sadece 290 milyon yıl sonrasına tarihlenen bir galaksiyi açıkladıklarında bu rekor kırıldı.

Bu galaksilerin çoğu beklenenden daha parlak ve daha büyüktür: 2023 yılında, Büyük Patlama'dan 700 milyon yıl sonrasına tarihlenen altı galaksi, halihazırda ne kadar olgun göründükleri için manşetlere çıktı. Erken döneme rağmen, yıldız kütleleri, 60 milyar güneş kütlesi değerinde yıldıza sahip olan günümüz Samanyolu'na rakiptir.

Standart teori bu kadar erken dönemde bu kadar çok yıldız oluşumunu açıklayamadığı için bu galaksilere “evren kırıcılar” adı verildi. Makalenin yazarlarından Colorado Boulder Üniversitesi'nden astrofizikçi Erica Nelson “Bu kesinlikle çılgınca” diyor. “Bu, ya düşündüğümüzden daha kaotik ve patlamalı bir erken evren ya da her şeyin daha hızlı evrimleşebildiği bir evren anlamına geliyor.” Keşifler galaksi evriminin yeniden incelenmesini zorunlu kılabilir. Ve yeniden iyonlaşma hakkında büyük soruları gündeme getiriyorlar.

Institut Astrophysique de Paris'ten astrofizikçi Hakim Atek ve meslektaşları, JWST'nin tespit ettiği en sönük erken galaksilerin bile beklenenden dört kat daha fazla reiyonlaştırıcı ışık ürettiğini tespit etti. Sönüklüklerine rağmen, bu galaksilerden evreni çoğunlukla kendi başlarına yeniden iyonlaştırmaya yetecek kadar var.

JWST ayrıca süper kütleli kara deliklerin kozmik tarihte düşünülenden çok daha önce oluştuğuna dair ipuçları da ortaya çıkarıyor; çevrelerindeki maddeyle beslenirken ürettikleri yüksek enerjili emisyonlar da yeniden iyonlaşmaya katkıda bulunmuş olabilir. Muñoz ve meslektaşları 2024'te yayınlanacak “JWST'den sonra reiyonlaşma: foton bütçesi krizi mi?” başlıklı makalede, tüm bu ışıkla birlikte evrenin bildiğimizden daha erken reiyonlaşmış olması gerektiğini öne sürüyor.

Muñoz, bunun gerçekten bir kriz olmadığını söylüyor. Mevcut araştırmalar reiyonizasyonun Büyük Patlama'dan 1,1 milyar yıl sonra sona erdiğini ortaya koymuştur. Ancak yeniden iyonlaşan ışığın aşırı bolluğu, erken evren resmimizde bir şeylerin eksik olduğunun açık bir işaretidir. “Bulmacanın tüm parçalarını bilmiyoruz” diyor.

Hidrojende ipuçları aranıyor

Diğer çabalar, erken evrende zaman içinde ne kadar nötr hidrojenin var olduğunu görmek için yeni nesil radyo teleskopları kullanarak reiyonizasyonu izlemeyi umuyor.

Bilim insanları bu hidrojeni başka şekillerde de araştırmışlardır. Örneğin kozmik mikrodalga arka plan ışığının saçılması, Büyük Patlama'dan yaklaşık 380.000 yıl sonra bu ışığın yayılmasından bu yana toplam reiyonizasyon miktarına dair ipuçları sunmaktadır. Devasa, beslenen kara delikler tarafından üretilen parlak radyasyon işaretleri olan kuasarlar başka bir sonda sunar. Nötr hidrojen, gözlemciye giden yolda kuasarlardan gelen ışığın belirli dalga boylarını emerek hidrojenin varlığına dair bir işaret sağlar. Ancak daha erken dönemlere yaklaştıkça, daha az kuasar vardır.

Bu yüzden bilim insanları şimdi nötr hidrojenin kendisinden, iyonize olmadan önce, kozmik şafaktan ve hatta karanlık çağlara kadar uzanan bir radyo sinyali tespit etmeyi amaçlıyor. 21 cm çizgisi olarak bilinen bu sinyal 1950'lerden beri tespit ediliyor ve astronomide yaygın olarak kullanılıyor, ancak evrenin erken dönemlerine ait olduğu kesin olarak tespit edilememişti.

Radyo sinyali, nötr hidrojenin elektronundaki bir kuantum geçişi nedeniyle ortaya çıkıyor. Bu geçiş, 21 santimetre dalga boyunda bir miktar elektromanyetik radyasyon yayar ve sık sık gerçekleşmez. Ancak nötr hidrojen bol olduğunda, tespit etmek mümkündür.

Ve sinyal, nötr hidrojenin nerede olduğunu izlemekten daha fazlasını yapabilir. Aynı zamanda bir tür termometre görevi de görür. Bilim insanları bunu kozmik sıcaklığı daha iyi anlamak için kullanabilirler, buna enerjinin galaksiler arası ortama ışık veya ısı şeklinde ne zaman enjekte edildiğine dair ipuçları da dahildir.

Bu tür enerji patlamaları ilk yıldızlardan ve beslenen kara deliklerden gelebilir. Ya da enerji daha egzotik bir şeye işaret edebilir: karanlık madde ile kendisi arasındaki etkileşimler veya karanlık madde ile daha tanıdık madde arasındaki bilinmeyen etkileşimler. Muñoz bu tür etkileşimlerin galaksiler arası ortamı ısıtabileceğini ya da soğutabileceğini belirtiyor. 21 cm'lik hat, beklenmedik fizik tarafından teşvik edilenler de dahil olmak üzere, oyundaki süreçleri araştırmak için bir yol sunuyor. “Bu size başka türlü elde edemeyeceğiniz bilgiler verebilir” diyor.

Bu parmak izini arayan teleskoplardan biri Hidrojen Reiyonizasyon Çağı Dizisi ya da HERA olarak biliniyor. JWST karmaşıklığı ve maliyetiyle biliniyorsa, HERA daha hazır. Berkeley'deki California Üniversitesi'nden astrofizikçi Josh Dillon, HERA'nın “PVC boru, tel örgü ve telefon direklerinden yapıldığını” söylüyor.

HERA, Güney Afrika'nın Kuzey Cape eyaletinde bir kilometrekarenin yüzde 5'ine yayılmış 350 radyo anteninden oluşuyor. Teleskobun kendisi düşük teknolojili olsa da, gözlemleri mevcut en gelişmiş sinyal işleme ve veri analizini gerektiriyor. Bunun nedeni, doğası gereği zayıf olan sinyalin, galaksimizden ve diğerlerinden gelen radyo gürültüsü arasında tespit edilmesi gerektiğidir.

Dillon 21 cm'lik sinyali tespit etmeyi, bas seslerin 100.000 kat daha güçlü olduğu bir konserde tiz sesleri dinlemeye benzetiyor. “İşte bu yüzden henüz yapılmadı” diyor.

HERA, 21 cm sinyalindeki uzaysal dalgalanmaların istatistiksel bir ölçüsünü arıyor. Bu dalgalanmalar nötr hidrojenin gökyüzündeki dağılımındaki değişimlerden kaynaklanıyor ve böylece gazın yanı sıra yıldızların ve galaksilerin nasıl düzenlendiğine dair bir fikir veriyor. Diğer ekipler bunun yerine gökyüzünde ortalama bir sinyal yakalayan toplu bir ölçüm yapmayı hedefliyor. Teknikler farklı olduğundan, biri diğerini doğrulamaya yardımcı olabilir.

İddia edilen bir tespiti açıklamak için şimdiden karanlık maddeye başvuruldu. 2018 yılında, Küresel Reiyonizasyon İmzası Çağını Tespit Etme Deneyi (EDGES) araştırmacıları, ilk yıldızlardan gelen ışığın çevredeki hidrojenle etkileşime girmeye başladığı zamana karşılık gelen ortalama 21 cm'lik sinyalin tespit edildiğini bildirdi.

Sinyalin beklenenden daha güçlü olması, hidrojen gazının tahmin edilenden daha soğuk olduğuna işaret ediyor ki bu da iddiaya yönelik pek çok şüpheyi körükledi. Bazı araştırmacılar olası bir açıklama olarak hidrojen gazı ve karanlık madde arasındaki etkileşimlere işaret ettiler, ancak böyle bir açıklama beklenmedik fizik gerektirecektir.

Almanya'daki Heidelberg Üniversitesi'nden gözlemsel kozmolog Sarah Bosman, “Pek çok hayali teori var” diyor. “Hayali olmak zorunda,” diye belirtiyor, çünkü hiçbir sıradan fizik EDGES'in gördüğü gücü veremez.

Bosman bu iddiayı heyecanla karşılayan az sayıda insandan biri olduğunu kabul ediyor ve bunun da iddiayı doğrulayacak ya da çürütecek başka deneyler üzerinde çalışan araştırmacıları motive ettiğini söylüyor. “Bu alana gerçekten iyi bir ivme kazandırdı” diyor.

HERA ve diğer teleskoplar, 21 cm'lik sinyali tüm gökyüzünde haritalamaya çalışacak olan Kare Kilometre Dizisi'nin öncüleridir. Bu dizi, Güney Afrika ve Avustralya'daki radyo antenlerini şimdiye kadar inşa edilmiş en büyük radyo teleskopuna bağlayacak. Halen yapım aşamasında olan teleskop, ilk verilerini 2024 yılında almak üzere iki istasyonunu birbirine bağladı.

Daha iyi araçlar, daha derin bilgi

Bosman, 21 cm'lik sinyalden ne bekleneceğini kimsenin gerçekten bilmediğini belirtiyor. Kozmik evrimin mevcut resminde sadece küçük değişiklikler gerektirebilir ya da anlayışımızı tamamen yeniden yazan yeni fiziği ortaya çıkarabilir. Bunu söylemek için henüz çok erken.

Ancak Dillon, 21 cm'lik hattın bir gün “mümkün olan en büyük veri setini” sunabileceğini söylüyor. Nihai amaç, Büyük Patlama'dan yaklaşık 100 milyon yıl sonrasından bir milyar yıl sonrasına kadar olan zaman dilimini araştırmaktır. Bu zaman dilimi evrenin toplam ömrünün yüzde 10'undan daha azını temsil ediyor, ancak evrenin sürekli genişlemesi nedeniyle, zaman dilimi görünür evrenin hacminin kabaca yarısını kapsıyor.

Gelecekteki araçlar tüm geçmişe ulaşmaya yardımcı olacaktır. Uzayda ve hatta Dünya kaynaklı parazitlerden uzak olacakları Ay'da yeni radyo teleskopları için çeşitli öneriler var. İngiltere'nin Cambridge kentindeki Astronomi Enstitüsü'nde kozmolog ve astrofizikçi olan Anastasia Fialkov, en eski 21 cm sinyalinin bize Dünya'nın iyonosferinden yansıyan dalga boylarında ulaşacağını belirtiyor. Uzaydaki ya da Ay'daki teleskoplar bu sorunu aşabilir.

Herhangi bir 21 cm'lik ipucu, JWST'nin erken galaksilere ilişkin gözlemlerinin yanı sıra, halefi Nancy Grace Roma Uzay Teleskobu'ndan ve şu anda Şili'de yapım aşamasında olan Avrupa Son Derece Büyük Teleskobu gibi gelecekteki yer tabanlı gözlemevlerinden gelen gözlemlerle birlikte incelenecektir.

MIT'den Simcoe, meslektaşlarıyla birlikte 2023 Annual Review of Astronomy and Astrophysics'te erken evrendeki kuasarlar hakkında yazdığı yazıda, kuasarlar üzerine yapılan çalışmaların daha söyleyecek çok şeyi olduğunu belirtiyor.

Simcoe, kuasarların özellikle “evrenin nötr hidrojen gazını hâlâ koruyan son bölgelerini” tanımlamak için yararlı olduğunu söylüyor. Bu ceplerin içinde en genç yıldızlar ve galaksiler - ya da onları doğuran materyal - bulunmalıdır.

Bu ilk yıldızlar, bugünün yıldızları tarafından üretildiğini gördüğümüzden farklı eser elementler üretiyor olabilir. Kuasarlardan gelen ışık eski bir gaz bulutunda bu eser elementleri ortaya çıkarırsa, bu eski bir popülasyona - belki de ilk yıldızlara - ulaştığımıza dair bir ipucu olacaktır.

Simcoe, “Bu nihayet oraya ulaştığımız anlamına gelecektir” diyor. “Ve gerçekten de arayışımız bu: Evrende karmaşıklığın ne zaman ortaya çıktığını bulmak. Evren gerçekten ne zaman bugünkü gibi görünmeye başladı?”

Ne zaman bileceğimizi kimse bilmiyor ama Simcoe elimizdeki araçların ya da belki de bir sonrakinin buna muktedir olduğunu düşünüyor.

Kaynak : Popsci.com