Evrendeki her şey değiştiğinde: Yeniden iyonlaşma dönemi

Büyük Patlama’dan sonraki milyonlarca yılda, evrenin 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 evren, nötr hidrojen gazıyla örtülmüştü.

Ardından, belki 100 milyon yıl kadar sonra her şey değişmeye başladı. Sonraki bir milyar kadar yıl boyunca evren o sıkıcı manzaradan zengin ve dinamik bir yapıya dönüştü. Bu köklü değişim, ilk yıldızlar aydınlandığı zaman başlamıştı. Bu yıldızlar yanıp ısı ürettikçe ve yeni madde oluşturdukça, saçtıkları yoğun ışık evreni kaplayan hidrojeni parçalamaya başlamıştı. Her yerde bu atomlardan elektronlar ayrılmış, evrendeki en bol element olan hidrojenin büyük bir kısmını bugün içinde bulunduğu iyonlaşmış halde bırakmıştı.

Populer Science Türkçe'de yer verilen bazı bilgilere göre tüm o hidrojenin bir formdan başka bir forma geçtiği bu önemli dönem, yeniden iyonlaşma dönemi şeklinde biliniyor. Kozmik şafağımızla başlamış ve tüm o müthiş doku ve özellikleriyle modern çağın müdjesini vermişti. Söz konusu dönem evrenin büyüdüğü zamanlar için zemin teşkil ediyor.

Austin – Texas Üniversitesinde kuramsal astrofizikçi olarak çalışan Julian Munoz, “Evrenimizde meydana gelen son büyük değişim buydu” diyor. O bir milyar yıl civarı zamanda her şey değişmiş ve aradan geçen milyarlarca yıllık sürede fazla değişen olmamıştı.

Bu büyük geçişin nasıl gerçekleşmiş olabileceğini tarif eden modeller olsa da tabloda hala büyük boşluklar var. Bu ilk yıldızlar ne zaman oluşmuş ve ana galaksilerinden kaçan ışık, yeniden iyonlaşmayı ne zaman başlatmıştı? Bu durumdan en çok hangi tip galaksiler sorumluydu ve kara deliklerin rolü neydi? Yeniden iyonlaşma, uzay ve zaman boyunca nasıl ilerlemişti? Karanlık maddenin tabiatı gibi diğer kozmik gizemler için ne gibi ipuçları taşıyabilir?

“Evrenin bugün olduğu şeye nasıl dönüştüğünü anlamış değiliz” diyor Munoz.

Bilim insanlarının geriye, evrenin derinliklerindeki ilk birkaç milyar yılına bakmasını sağlayan yeni araçlar sayesinde bazı cevaplar artık görüş alanımızda. 2021 yılında fırlatılan James Webb Uzay Teleskobu (JWUT), Büyük Patlama’dan sadece yüz milyonlarca yıl sonra var olan ve hala sürprizler sunan galaksilere bakıyor. Aynı zamanda yeni nesil radyo teleskopları da sadece bu galaksilere değil, bir zamanlar uzayın tamamına nüfuz eden nötr hidrojene de odaklanıyor. Bu hidrojen, yeniden iyonlaşma döneminin nasıl meydana geldiğine ve kozmosun diğer özelliklerine dair ipuçları sunuyor.

Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde (MIT) çalışan astrofizikçi Rob Simcoe, “Şu an kozmik tarihin bu dönemini incelemek üzere uygulayabildiğimiz araçlar, daha öncekilere benzemiyor” diyor.

IŞIK BOLLUĞU

Evrenin ilk zamanlarındaki gelişimine dair güncel bilgilerimiz şöyle: 13,8 milyar yıl önceki Büyük Patlama’dan sonra kozmos genişledi ve atom altı parçacıklardan oluşan o ilkel çorba soğudu. İlk saniyede protonlar ve nötronlar oluştu. İlk birkaç dakikada birleşerek atom çekirdeğini meydana getirdiler. Yaklaşık 380.000 yıl içinde ise o çekirdekler elektron yakalamaya başlayarak ilk atomları meydana getirdi. İyonlaşmış çorbanın nötr atomlar haline geldiği bu dönüm noktası, yeniden birleşme şeklinde biliniyor (çekirdekler ve elektronlar daha önce hiç birleşmediğinden bu yanıltıcı bir tabir).

Bu serbest elektronlar atomlara girene kadar, bir arabanın farlarındaki yoğun sis gibi ışık saçmışlardı. Fakat elektronların dizginlenmesiyle, fotonlar kozmos boyunca dışarı doğru fırlayabilmişti. Bugün bu ışık parçacıkları bize, kozmik mikro dalga arka plan şeklinde bilinen soluk bir parıltı şeklinde ulaşıyor.

Ardından, evren karanlık çağlar olarak bilinen bir döneme girdi. Hidrojen ve bir miktar helyum gazının evrene yayılmasıyla, ışık yapacak pek bir şey kalmamıştı. Fakat karanlık madde öbekleri, etraftaki gazı kendine çekmekle meşguldü ve bu gazların bir kısmı, nükleer kaynaşma başlatacak kadar yoğunlaşmıştı. Büyük Patlama’dan yüz milyon yıl veya daha fazla süre sonra, ilk yıldızlar kozmik şafağımızda aydınlanmıştı. Bu ilk yıldızlar yandıkça, iyonlaştırıcı morötesi ışıkları içinde bulundukları galaksilerden kaçmaya başlamıştı. Bunun sonucunda birleşip nihayetinde kozmosu doldurana kadar büyüyen, iyonlaşmış hidrojen baloncukları oluşmuştu.

JWUT, ilk galaksiler ve bu galaksilerin ışıklarının yeniden iyonlaşma sürecine nasıl yön verdiğiyle ilgili pek çok soruyu cevaplamaya hazır. Ancak şimdilik teleskop, cevaplardan çok soru getiriyor. Erken dönemlerde bilim insanlarının düşündüğünden çok daha fazla galaksi varmış ve bu galaksiler, evreni yeniden iyonlaştırmak için gereken ışık tipinden çok daha fazla miktarda üretiyormuş.

Teleskobun yayınladığı ilk görüntüler, tarihleri Büyük Patlama’dan sonraki 600 milyon yıla uzanan galaksilerle dolup taşıyordu. Ardından ise 2022 yılının sonlarında, o zamana 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 yalnızca 290 milyon yıl sonrasına tarihlenen bir galaksiyi duyurmasıyla yeniden kırılmıştı.

Bu galaksilerin pek çoğu, tahmin edilenden daha parlak ve büyüktü: 2023’te Büyük Patlama’dan sonraki 700 milyon yılda oluşan altı galaksi, olgun görünmeleri yönünden manşet olmuştu. Bu erken döneme rağmen 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. Dolayısıyla bu galaksilere “evreni ihlal edenler” lakabı takılmış.

Makalenin eş yazarlarından olan ve Boulder – Colorado Üniversitesinde çalışan astrofizikçi Erica Nelson, “Kesinlikle çılgınca” diyor. “Evrenin erken dönemlerinin ya düşündüğümüzden daha kaotik ve patlamalı olduğunu ya da cisimlerin daha hızlı evrimleştiği bir evreni akla getiriyor.”

Yapılan keşifler, bilim insanlarını galaksi evrimini yeniden değerlendirmeye zorlayabilir. Ayrıca yeniden 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 miktarda yeniden iyonlaştırıcı ışık ürettiğini ve bunun beklenenden dört kat daha fazla olduğunu keşfetmiş. Solukluklarına rağmen, evreni çoğunlukla kendi başlarına yeniden iyonlaştıracak kadar var bu galaksilerden.

Ayrıca JWUT, kozmik tarihde süperkütleli kara deliklerin zannedilenden çok daha erken oluştuğuna işaret eden bulgular sunuyor; bu yapıların etraflarındaki maddelerle beslendikçe yaydığı yüksek enerjili emisyonlar da yeniden iyonlaşmaya katkıda bulunmuştur.

Munoz ve meslektaşları 2024 tarihli ve “JWUT’den sonra yeniden iyonlaşma: Bir foton bütçesi krizi mi?” başlıklı makalelerinde, tüm bu ışıkla beraber evrenin bildiğimizden daha erken bir tarihte yeniden iyonlaşmış olması gerektiğini ileri sürüyor.

Munoz, bunun aslında bir kriz olmadığını söylüyor. Mevcut araştırmalar, yeniden iyonlaşmanın Büyük Patlama’dan 1,1 milyar yıl sonra sona erdiğini belirlemiş. Fakat yeniden iyonlaştırıcı ışığın görünürde bol miktarda olması, evrenin erken dönemlerine ait tabloda bir şeyin eksik olduğunu gösteren net bir işaret. “Bulmacanın bütün parçalarını bilmiyoruz” diyor bilim insanı.

Hidrojende ipuçları aramak

Araştırmacılar, evrenin erken dönemlerindeki zamanlarda ne kadar nötr hidrojen olduğunu görmek için yeni nesil radyo teleskoplarını kullanarak, yeniden iyonlaşmayı takip etmeyi ümit ediyor.

Bilim insanları, bu hidrojeni başka şekillerde araştırmış. Örneğin kozmik mikrodalga arka plan ışımasının ışık dağılımı, o ışık Büyük Patlama’dan yaklaşık 380.000 yıl sonra yayıldığı zamandan beri toplam yeniden iyonlaşma miktarına dair ipuçları sunuyor. Maddeyle beslenen dev kara deliklerin çıkardığı parlak ışınım fenerleri olan kuvasarlar da başka bir araştırma imkanı sunuyor. Nötr hidrojen, kuvasarların bir gözlemciye doğru olan güzergahında ışığın belli dalga boylarını soğuruyor ve hidrojenin mevcudiyetine yönelik bir işaret sunuyor. Fakat daha erken dönemlere yaklaştığınızda, daha düşük sayıda kuvasar ortaya çıkıyor.

Bu yüzden şimdi bilim insanları, kozmik şafağa ve hatta karanlık çağlara kadar, iyonlaşmadan önce nötr hidrojenin kendisinden gelen bir radyo sinyalini tespit etmeyi amaçlıyor. 21 cm hattı olarak bilinen bu sinyal, 1950’lerden beri tespit ediliyor ve gökbilimde yaygın şekilde kullanılıyor. Fakat evrenin erken dönemlerinden gelen sinyaller kesin şekilde tespit edilmemiş.

Bu radyo sinyali, nötr hidrojenin elektronundaki bir kuantum geçişinden ortaya çıkıyor. 21 santimetrelik dalga boyunda bir miktar elektromanyetik radyasyon yayan bu geçiş sık sık gerçekleşmiyor. Fakat nötr hidrojenin bol olduğu zamanlarda tespit etmek mümkün.

Ayrıca bu sinyal, nötr hidrojenin bulunduğu yerleri göstermekten daha fazlasını yapabilir. Bir çeşit termometre görevi de görüyor. Bilim insanları onu kullanarak kozmik sıcaklığın yanısıra enerjinin ışık veya ısı şeklinde galaksilerararası ortama nasıl girdiğine dair ipuçlarını da daha iyi anlayabilir.

Bu gibi enerji patlamaları ilk yıldızlardan ve maddeyle beslenen kara deliklerden gelebilir. Ya da bu enerji daha egzotik bir şeye işaret edebilir: Kendisi ile karanlık madde arasındaki etkileşimlere veya karanlık madde ile daha bilindik madde arasındaki bilinmeyen etkileşimlere. Munoz, bu tür etkileşimlerin galaksilerarası ortamı ısıtabileceğini ya da soğutabileceğini belirtiyor. 21 cm hattı, 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 Yeniden İyonlaşma Dönemi Teleskop Dizisi veya HERA şeklinde biliniyor. Eğer JWUT karmaşıklığı ve maliyetiyle biliniyorsa, HERA daha basit bir teleskop. Berkeley – California Üniversitesinde çalışan astrofizikçi Josh Dillon, “PVC borular, tel örgüler ve telefon direklerinden yapılmış” diyor.

HERA, Güney Afrika’nın Northern Cape ilindeki bir kilometrekarelik alanın yüzde 5’ine dağıtılmış 350 radyo anteninden oluşuyor. Teleskobun kendisi düşük teknolojili olsa da yaptığı gözlemler, günümüzdeki en ileri sinyal işlemeyi ve veri analizini gerektiriyor. Bunun sebebiyse tabiatı itibarıyla zayıf olan bu sinyalin, kendi galaksimiz ve diğer galaksilerden gelen kuvvetli radyo gürültüleri arasından 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 ilişkin fikir veriyor. Diğer araştırma takımları ise gökyüzü boyunca ortalama bir sinyal yakalayan geniş bir ölçüm yapmayı hedefliyor. Bu yöntemler farklılık gösterdiğinden, yapılan tespitlerden biri başka bir tespitin doğrulanmasına yardımcı olabilir.

Yapıldığı iddia edilen bir tespiti açıklamak için ise karanlık maddeye başvurulmuş. Küresel Yeniden İyonlaşma Döneminin İmzasını Tespit Etme Deneyi veya EDGES’te çalışan araştırmacılar, 2018 yılında 21 cm sinyalinin ortalamasını tespit ettiklerini ve bu sinyalin, ilk yıldızlardan çıkan ışığın etraftaki hidrojenle etkileşime girmeye başladığındaki zamana tekabül ettiğini söylemişlerdi.

Bu sinyalin beklenenden daha güçlü olması, tahmin edilen hidrojen gazından daha soğuk olduğunu akla getirmiş ve iddiaya yönelik pek çok kuşkuyu körüklemişti. Bazı araştırmacılar, hidrojen gazı ve karanlık madde arasındaki etkileşimlere olası bir açıklama gözüyle bakıyor ancak böyle 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 çünkü sıradan fiziğin hiçbir tarafı, EDGES’in gördüğü kuvveti vermiyor.

Bosman, bu iddiaya karşı heyecan duyan birkaç kişiden biri olduğunu ve bu durumun, iddiayı doğrulayabilecek ya da çürütebilecek başka deneyler üzerinde çalışan araştırmacıları motive ettiğini söylüyor. “Alana çok iyi bir destek sağladı” diyor.

HERA ve diğer 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. Halen yapım aşamasında olsa da teleskop, istasyonlarından iki tanesini bağlayarak ilk verisini 2024’te aldı.

DAHA İYİ ARAÇLAR, DAHA DERİN BİLGİ

Bosman, 21 cm sinyalinden ne bekleneceğini gerçekte kimsenin bilmediğini belirtiyor. Kozmik evrimin mevcut görüntüsünde sadece ufak değişiklikler meydana getirebilir ya da bildiklerimizi tamamen tümüyle yeniden yazan yeni bir fizik ortaya çıkarabilir. Söylemek için henüz çok erken.

Fakat Dillon, 21 cm hattının günün birinde “Mümkün olan en büyük veri setini” sunabileceğini söylüyor. Nihai hedef, Büyük Patlama’dan yaklaşık 100 milyon yıl sonrasından bir milyar yıl sonrasına kadarki zaman penceresini araştırmak. Bu zaman penceresi, evrenin toplam ömrünün yüzde 10’undan daha küçük bir kısmını temsil ediyor ama evrenin devam eden genişlemesi sebebiyle bu zaman penceresi, görünebilir evrenin hacminin yaklaşık yarısını kapsıyor.

Gelecekteki cihazlar, çok daha eski zamanlara 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 veya Ay’daki teleskoplar, bu problemin üstesinden gelebilir.

21 cm’e dair tüm ipuçları, JWUT’nin erken galaksi gözlemlerinin yanısıra onun varisi Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu ve şu an Şili’de yapım aşamasında olan Avrupa Son Derece Büyük Teleskobu gibi yer tabanlı teleskoplar ile de araştırılacak.

MIT’de çalışan ve 2023 yılında Annual Review of Astronomy and Astrophysics‘te meslektaşlarıyla beraber erken evrendeki 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 özellikle faydalı olduğunu ifade ediyor. En genç yıldız ve galaksilerin (ya da onları meydana getiren maddelerin) bu ceplerde ikamet ediyor olması lazım.

Bu erken dönem 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; belki de ilk yıldızlara.

“Bu durum, nihayet oraya ulaştığımız anlamına gelecektir” diyor Simcoe. “Ayrıca arayışımız da bu aslında: Evrendeki karmaşıklığın ne zaman ortaya çıktığını bulmak. ‘Evren, bugün göründüğü şekilde görünmeye aslında ne zaman başlamıştı’ sorusunun cevabını.”

Bunu ne zaman öğreneceğimizi kimse bilmiyor fakat Simcoe, mevcut araçların ve hatta sıradaki araçların bunu mümkün kılabileceğini düşünüyor: “Kapıyı çalıyoruz.”