Büyük Patlama’dan sonraki milyonlarca yılda, kainatın 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 öteki bir forma geçtiği bu kıymetli periyot, yine iyonlaşma periyodu halinde biliniyor. Kozmik şafağımızla başlamış ve tüm o harikulade doku ve özellikleriyle çağdaş çağın müdjesini vermişti. Kelam konusu periyot cihanın 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 unsurun tabiatı üzere öteki kozmik gizemler için ne üzere ipuçları taşıyabilir?
“Evrenin bugün olduğu şeye nasıl dönüştüğünü anlamış değiliz” diyor Munoz.
Bilim insanlarının geriye, kainatın 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. Tıpkı 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 başka 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 formunda 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. Ancak elektronların dizginlenmesiyle, fotonlar kozmos boyunca dışarı hakikat fırlayabilmişti. Bugün bu ışık parçacıkları bize, kozmik mikro dalga art plan formunda bilinen soluk bir parıltı formunda ulaşıyor.
Ardından, cihan karanlık çağlar olarak bilinen bir periyoda girdi. Hidrojen ve bir ölçü helyum gazının kainata yayılmasıyla, ışık yapacak pek bir şey kalmamıştı. Lakin karanlık unsur 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 istikamet verdiğiyle ilgili pek çok soruyu cevaplamaya hazır. Lakin şimdilik teleskop, karşılıklardan çok soru getiriyor. Erken periyotlarda bilim insanlarının düşündüğünden çok daha fazla galaksi varmış ve bu galaksiler, kozmosu yine iyonlaştırmak için gereken ışık tipinden çok daha fazla ölçüde üretiyormuş.
Teleskobun yayınladığı birinci manzaralar, 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 sadece 290 milyon yıl sonrasına tarihlenen bir galaksiyi duyurmasıyla tekrar kırılmıştı.
Bu galaksilerin pek birçok, iddia 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. Hasebiyle 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 cihanı akla getiriyor.”
Yapılan keşifler, bilim insanlarını galaksi evrimini tekrar değerlendirmeye zorlayabilir. Ayrıyeten yine 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, kozmosu çoğunlukla kendi başlarına tekrar 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 yine iyonlaşmaya katkıda bulunmuştur.
Munoz ve meslektaşları 2024 tarihli ve “JWUT’den sonra yine iyonlaşma: Bir foton bütçesi krizi mi?” başlıklı makalelerinde, tüm bu ışıkla birlikte 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. Ama yine iyonlaştırıcı ışığın görünürde bol ölçüde olması, kainatın erken devirlerine ilişkin tabloda bir şeyin eksik olduğunu gösteren net bir işaret. “Bulmacanın bütün modüllerini bilmiyoruz” diyor bilim insanı.
Hidrojende ipuçları aramak
Araştırmacılar, kozmosun 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 öbür bir araştırma imkanı sunuyor. Nötr hidrojen, kuvasarların bir gözlemciye gerçek olan güzergahında ışığın aşikâr dalga uzunluklarını soğuruyor ve hidrojenin mevcudiyetine yönelik bir işaret sunuyor. Ancak daha erken periyotlara 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 halde kullanılıyor. Lakin kozmosun erken periyotlarından 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. Ama 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 biçiminde galaksilerararası ortama nasıl girdiğine dair ipuçlarını da daha güzel anlayabilir.
Bu üzere güç patlamaları birinci yıldızlardan ve hususla beslenen kara deliklerden gelebilir. Ya da bu güç daha egzotik bir şeye işaret edebilir: Kendisi ile karanlık unsur ortasındaki etkileşimlere yahut karanlık unsur ile daha bilindik unsur ortasındaki bilinmeyen etkileşimlere. Munoz, bu cins etkileşimlerin galaksilerarası ortamı ısıtabileceğini ya da soğutabileceğini belirtiyor. 21 cm çizgisi, 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 Yine İyonlaşma Devri 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 öbür 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. Öteki araştırma ekipleri ise gökyüzü boyunca ortalama bir sinyal yakalayan geniş bir ölçüm yapmayı hedefliyor. Bu prosedürler farklılık gösterdiğinden, yapılan tespitlerden biri diğer bir tespitin doğrulanmasına yardımcı olabilir.
Yapıldığı sav edilen bir tespiti açıklamak için ise karanlık unsura başvurulmuş. Global Yine 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, iddia edilen hidrojen gazından daha soğuk olduğunu akla getirmiş ve teze yönelik pek çok kuşkuyu körüklemişti. Kimi araştırmacılar, hidrojen gazı ve karanlık husus ortasındaki etkileşimlere muhtemel 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 yeterli bir dayanak sağladı” diyor.
HERA ve öteki 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 imajında 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. En son amaç, Büyük Patlama’dan yaklaşık 100 milyon yıl sonrasından bir milyar yıl sonrasına kadarki vakit penceresini araştırmak. Bu vakit penceresi, kainatın toplam ömrünün yüzde 10’undan daha küçük bir kısmını temsil ediyor lakin kainatın devam eden genişlemesi sebebiyle bu vakit penceresi, görünebilir cihanın 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 imal kademesinde 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 birlikte erken kozmostaki 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 formda görünmeye aslında ne vakit başlamıştı’ sorusunun karşılığını.”
Bunu ne vakit öğreneceğimizi kimse bilmiyor lakin Simcoe, mevcut araçların ve hatta sıradaki araçların bunu mümkün kılabileceğini düşünüyor: “Kapıyı çalıyoruz.”
