Aslında olmaması gerekenler galaksiler
Bebek galaksilere dair bu keşif hem haberlere konu oldu hem de bilim camiasında epey kafa karışıklığına yol açtı çünkü ilk bakışta bu galaksilerin var olması imkânsız görünüyordu. Standart kozmoloji modeline göre, Büyük Patlama’dan bu yana bu kadar çok yıldızın oluşması için yeterli zaman geçmemişti. Öyleyse evreni anlama biçimimizde bir yanlışlık mı vardı? Büyük Patlama düşündüğümüz anda gerçekleşmemiş miydi?
Yoksa kozmoloji çöküyor muydu? Bu soruların nereden çıktığını anlamak için önce James Webb Teleskobu (JWST) verilerinin nasıl göründüğünü anlamak gerekiyor. JWST, evrene bakmak için şimdiye dek yapılmış en güçlü araç ve âdeta geçmişi görebiliyor. Çünkü öyle uzak galaksilere bakıyor ki bu galaksilerden gelen ışığın bize ulaşması milyarlarca yıl sürüyor. Yani JWST ile onları gördüğümüzde aslında evrenin milyarlarca yıl önceki gençlik dönemine bakıyoruz.
Ama bu kadar uzağa bakarken galaksilerin net ve pırıl pırıl görüntülerini elde edemiyoruz. JWST’nin topladığı görüntülerin çoğu bulanık lekeler gibi görünüyor ve bilim insanları bu sınırlı ipuçlarını kullanarak galaksiler hakkında olabildiğince çok çıkarımda bulunuyor.
ABD’deki Austin Teksas Üniversitesinden Katherine Chworowsky ve diğer araştırmacılar, JWST verilerini kullanarak bu galaksilerin kütlesini hesaplamaya çalışıyor. Bunu da aynı cismin farklı dalga boylarında çekilmiş görüntülerine bakarak yapıyorlar. Sonra bunları çeşitli yıldız dağılımları olan “model” galaksilerle karşılaştırarak gözlemlere en uygun olanı bulmaya çalışıyorlar.
“Yani aslında tahmin yürütüyoruz; doğrudan gözlem yapmıyoruz” diyor Chworowsky. JWST’nin ilk gözlemlerinde bilimsel aygıtlar hâlâ kalibrasyon sürecindeydi ve kalibrasyonlar yapıldıkça problemin bir kısmı da çözüldü. Bir “imkânsız” galaksi grubunun, aslında normal galaksiler olmadığı, büyük kara delikler olduğu düşünülen “küçük kırmızı nokta” adlı yeni bir gök cismi türü olduğu ortaya çıktı. Geriye ise şaşırtıcı derecede ağır ama evren anlayışımızı tamamen bozacak kadar da imkânsız olmayan galaksiler kaldı. Yani JWST Büyük Patlama teorisini çürüttü mü? Hayır; ama evrenin gençliğinde galaksilerin ve yıldızların nasıl oluştuğuna dair ilginç soruların ortaya çıkmasını sağladı.
Büyük Tekerlek galaksisi (ortada) evrenin ilk 2 milyar yılı içinde; yani beklenenden daha erken bir döneminde var olmuştu.
Şaşırtıcı derecede üretken
Evrenin erken dönemindeki çok büyük kütleli galaksiler probleminin iki ayağı var. Birincisi, evrenin ilk 400 milyon yılına ait; yani son derece erken oluşmuş ve morötesi (ultraviyole) dalga boyunda beklenenden daha parlak bir şekilde parlayan galaksiler. İkincisi ise evrenin ilk iki milyar yılında büyük kütleli galaksilerin çok fazla sayıda görülmesi.
Bu sıra dışı bulgular birbiriyle bağlantılı olabileceği gibi tamamen alakasız meseleler de olabilir. Çünkü galaksilerin parlaklığıyla kütlesi arasındaki ilişki her zaman net olmuyor. “Bir galaksi, morötesi dalga boyunda kütlesinden dolayı parlak görünebilir ama aynı zamanda yeni yıldızların oluşmasıyla da parlak görünebilir” diyor ABD Rochester Teknoloji Enstitüsünden Dr. Jeyhan Kartaltepe. Kartaltepe, JWST ile galaksi oluşumlarını inceleyen COSMOS-Web araştırmasının başındaki isim. “Çünkü büyük ve genç yıldızlar morötesi dalga boyunda daha parlak görünür.
Galaksinin çoğunu oluşturan yaşlı yıldızlarsa ışıklarının büyük kısmını ya görünür ya da kızılötesi dalga boyunda yayar.” Gök bilimciler bir galaksinin ne kadar parlak ya da büyük olması gerektiğini hesaplamak için belli ortamlarda ne kadar hızlı yıldız oluşabileceğine ve genel olarak yıldız oluşumuna dair bildiklerimize dayanan modelleri kullanıyor. Ama erken evrendeki galaksiler bugün gördüklerimizden oldukça farklıydı. “En büyük fark gaz miktarıyla yıldız miktarı arasındaki dengede” diyor Kartaltepe. “Bugün evrendeki kütlenin çoğu yıldızlarda.
Geriye çok az gaz kalmış durumda. Ama çok erken dönemlerde neredeyse her şey gazdı, çok daha az yıldız vardı. Dolayısıyla o galaksilerin özellikleri de farklı olacaktır.” Gaz bolluğu, bugün gördüğümüz düzenli ve ince disk yapısından uzak, daha çalkantılı galaksilere yol açıyordu.
Disk oluşturan erken galaksiler ise daha kalın ve daha dengesizdi. “Tüm bu tahminler kozmolojik simülasyonlardan geliyor” diyor Kartaltepe. “Bu simülasyonların girdileri ise erken evren fiziğine dair en iyi anlayışımıza dayanıyor: Hangi bileşenler var, yıldız oluşumu ne zaman başlıyor, nasıl ilerliyor, toz nasıl davranıyor… Yani aslında simülasyonlara çok sayıda varsayım ve çok iyi bilmediğimiz şeyler dâhil oluyor.” Bu modeller evrenin daha sonraki dönemlerinde gördüğümüz galaksilerle gayet iyi uyuşuyor ama en erken dönemlerle örtüşmüyor.
Bu da Chworowsky’nin üzerinde çalıştığı türden büyük kütleli galaksilerin o dönemde imkânsız olmadığını ama bekle - nenden fazla “üretken” olduklarını gösteriyor. “Nadir olmaları gerekirken onları epey fazla görüyoruz” diyor Chworowsky. “Acaba neden?”
Büyük tekerlek
JWST bu yılın başlarında bir sürprizi daha ortaya çıkardı. Araştırmacılar sarmal yapılı dev bir galaksi keşfetti. Bu yapısından dolayı Büyük Tekerlek (Big Wheel) adı verilen galaksi, evrenin ilk iki milyar yılı içinde var olmuştu.
“Onu ilginç kılan şeyler büyük ve sarmal yapılı olması” diyor Avustralya’daki Swinburne Teknoloji Üniversitesinden Dr. Themiya Nanayakkara. Nanayakkara, galaksiyi keşfeden araştırmacılardan biri.
Bu kadar büyük kütleli ve erken döneme ait bir galaksinin şeklinin eliptik, düzgün ve ayrıntısız olması beklenirdi. Oysa Büyük Tekerlek, kendisinden çok daha sonra ortaya çıkan sarmal galaksilere (bizim galaksimiz Samanyolu da onlardan biri) benziyordu.
“Bu demek oluyor ki onun büyümesini sağlayan şey ya çok düzenli bir biçimde gerçekleşti ve galaksi şiddetli birleşmeler olmadan dönmeye devam edebildi ya da kütlesinin büyük kısmı, bulunduğu yerde (in situ) oluştu” diyor Nanayakkara.
Galaksilerin iki şekilde büyüyebileceğini hatırlatalım: Ya diğer galaksilerle birleşerek ya da galaksinin kendi içindeki malzemeden yeni yıldızlar oluşturarak. Büyük Tekerlek’in yoğun ve kalabalık bir uzay bölgesinde bulunması, muhtemelen geçmişinde başka galaksilerle çarpışmalar veya birleşmeler yaşadığını düşündürüyor.
Ama nedense bu şiddetli olaylar sarmal yapıyı bozmamış. Normalde birleşmeler galaksinin zarif sarmal kollarını dağıtarak ya da silerek geriye ayrıntısız bir eliptik şekil bırakır. “Bu galaksi eliptik hâle gelmediyse galaksilerin büyümesine yol açan ama yerel evrende hiç karşılaşmadığımız başka yollar da olabilir” diyor Nanayakkara.
25 Aralık 2021’de fırlatılan James Webb Uzay Teleskobunun ana aynası montaj ve test aşamasında.
Büyük Tekerlek her ne kadar çarpıcı olsa da Büyük Patlama’dan sonraki iki milyar yıl içinden tek bir örnek. Yani büyük kütleli erken galaksiler bilmecesini doğru bir şekilde temsil etmiyor olabilir ama onların gelişimine dair ilginç bir ipucu sunuyor. “Her zaman istisnalar vardır” diyor Nanayakkara. Bu galaksi söz konusu olduğunda “Onun var olması için her şey mükemmel şekilde bir araya gelmiş.”
Potansiyel açıklamalar
Bilim insanları bu fazla büyük kütleli galaksileri açıklayabilecek birkaç teori üzerinde çalışıyor. Bunlardan biri de erken evrenin bugünkünden daha küçük ve daha yoğun olmasının rol oynadığı teorisi. “Erken dönemde evrenin çok yoğun olduğunu biliyoruz” diyor Chworowsky. “Yoğun gazlar daha kolay çöker ve yıldız oluşumu da böyle başlar. Dolayısıyla yoğun gaz daha hızlı bir şekilde yıldız oluşturur.” Yani erken dönem galaksilerinde daha çok yıldız oluşması belki de şaşırtıcı değil.
Ama yıldız oluşumunu artırmak için gazın ne kadar yoğun olması gerektiği hâlâ araştırılıyor. Bir başka teori ise erken evrendeki toz miktarıyla ilgili. Toz ışığı engeller, bu yüzden de çok tozlu bir galaksi bazı dalga boylarında daha sönük görünür. Eğer bu uzak galaksilerde sandığımızdan daha az toz varsa ışıkları daha az engelleniyor demektir. Bu durumda daha parlak görünürler ve gök bilimciler gerçekte olduklarından daha büyük kütleli olduklarını sanabilir.
Bazı açıklamalarsa erken evrenin koşullarına değil de yıldız oluşumunun tabiatına odaklanıyor. Belki de erken galaksilerde yıldız oluşumu stabil bir şekilde ilerlemiyor ve dönem dönem “patlama” yapıyordu; yani bazı dönemlerde daha yoğun, bazı dönemlerde daha sönük gerçekleşiyordu. Bizim gözlemlediğimiz galaksiler ise yoğun bir “patlama” dönemine denk gelmiş olabilir.
Ayrıca son dönemde ilgi gören bir kavram da “başlangıç kütle fonksiyonu” yani farklı kütlelerdeki yıldızların bir galaksiye dağılımı ve bu dağılımın zaman içindeki değişimi. Bir galaksinin evrimi boyunca görmeyi beklediğimiz büyük-küçük yıldız oranı modelleri, bize yakın galaksilerde (yerel evren) yaptığımız gözlemlere dayanıyor. Mesela gördüğümüz her büyük kütleli yıldız için göremediğimiz belli sayıda küçük yıldız olduğunu varsayıyoruz. Ama belki erken evrende bu oran farklıydı.
“Eğer baştan itibaren daha çok sayıda parlak ve büyük yıldız oluştuysa o galaksi çok daha parlak görünürdü” diye açıklıyor Chworowsky. Yani bu erken galaksilerde büyük yıldızların oranı küçüklerden fazla olabilir, dolayısıyla parlaklığa bakmak bizi yanıltabilir ve sandığımız kadar büyük kütleli olmayabilirler.
Astronominin kutsal kasesi
Bu konu, astronomi araştırmalarının “kutsal kâse”sine çıkıyor: Evrendeki ilk yıldızları bulmak. Bunlara Popülasyon III yıldızları deniyor. Popülasyonlar geriye doğru numaralanıyor: Bugün gördüğümüz yıldızlar Popülasyon I, daha yaşlıları Popülasyon II, en eski yıldızlarsa Popülasyon III. Popülasyon III yıldızları henüz hiç gözlemlenmediler ama evrenin en genç zamanlarında mutlaka var olmuş olmalılar. Bu popülasyonların farkı, ağır elementlerden yoksun olmaları.
Çünkü evrendeki ağır elementlerin neredeyse hepsi, yıldızların içinde füzyon süreciyle üretildi ve o yıldızların süpernova hâlinde patlamasıyla evrene yayıldı. Zamanı geriye sardıkça ağır elementlerin giderek azaldığı, sonunda neredeyse tamamen hidrojen ve helyumdan oluşan Popülasyon III yıldızlarına ulaşıyoruz. Bu farklı bileşim nedeniyle ilk yıldızlar, bugünkü yıldızlardan çok daha büyük kütleliydi ve çok daha kısa ömürlüydü.
Ama son derece yaşlı oldukları için bu yıldızların net izlerini yakalamak çok zor. Yine de JWST’nin Popülasyon III yıldızlarının izlerini yakalaması ihtimal dâhilinde. Hatta bu izler, yakından incelenmek üzere seçilen galaksilerden bazılarında bizi bekliyor bile olabilir. “Takip spektroskopisi için seçtiğimiz galaksilerde Popülasyon III izlerini görme ihtimalimiz bence var” diyor Chworowsky. Ama yine de bir sorun var: Galaksiler o kadar çok yıldızdan oluşuyor ki, Popülasyon III yıldızlarının ışığı orada bir yerde olsa bile diğer yıldızların ışığı içinde onları görüp göremeyeceğimizi bilmiyoruz.
Çözülebilir bir gizem
Uzmanlara göre bu büyük kütleli galaksiler ne kadar kafa karıştırıcı olursa olsun gizemlerini çözmek imkânsız değil. Bugüne kadarki araştırmaların çoğu, kızılötesine yakın kırmızı gözlemlerine dayanıyordu; ancak JWST orta dalga kızılötesi gözlemleri ve spektroskopi gözlemleri üzerinde çalışmaya başladı bile.
Bu gözlemler daha uzun sürüyor ama erken galaksilerin bileşimini ve kütlesini çok daha iyi anlamamızı sağlayabilirler. Gök bilimcilerin öngörüsüne göre on yıl içinde erken galaksilerin gerçekten bu kadar büyük kütleli olup olmadığını ve bunun nedenini anlayacak noktaya geleceğiz. Büyük sorular ve bilinmezlerle dolu bir araştırma alanında bu tuhaflığın çözülmesi mümkün görünüyor. Üstelik fizik yasalarını baştan yazmamıza da gerek kalmayacak.
CR7 keşfedildiğinde erken evrenin en parlak galaksisiydi. (sanatçının tasviri)
“Şimdilik her şey mevcut kozmoloji modelimizle ve Büyük Patlama’nın ne zaman yaşandığına dair tahminlerimizle açıklanabiliyor; sadece biraz ince ayar gerekiyor” diyor Kartaltepe. “Bu gelişmeler, anlamadığımız noktaların üzerine ışık tutuyor.”
Gerçeğe giden yol bazen dolambaçlıdır. Bu da bilimin tabiatında var. “Her şey bir formülden ibaret değil” diyor Chworowsky. “Bazen çizdiğiniz yolun dışına çıkan şeyler görürsünüz.
Bu da revizyon yapmanızı gerektirir. Bu geçmişte söylediklerinizin yanlış olduğu anlamına gelmez ama ‘İstisnalar varmış. Bu ilginçlikleri de işin içine katmalıyız’ demektir.” JWST, vadettiği devrimi çoktan yaptı bile. “Teleskobun bulguları, ‘dönüştürücü’ nitelikte” diyor Nanayakkara. Ona göre asıl çığır açıcı gözlemler, teleskobun ilk yıllarında yapıldı ve şimdi asıl iş bunları anlamlandırmak: “Bundan sonrası daha eğlenceli olacak.
Yazar: Georgina Torbet
