Evrendeki ilk yıldızları 'görmek' için yeni bir yol geliştirildi

Cambridge Üniversitesi öncülüğündeki araştırmacılar, Büyük Patlama’dan yaklaşık 378 bin yıl sonra evreni kaplayan hidrojen bulutları aracılığıyla, oluşan ilk yıldızları gözlemlemelerini ve incelemelerini sağlayacak bir yöntem geliştirdiler. İlk yıldızların ve galaksilerin oluşumunu gözlemlemek, evrenin Büyük Patlama’dan sonraki boşluktan 13.8 milyar yıl sonra şu anda gözlemlediğimiz karmaşık gök cisimleri alemine dönüşecek biçimde nasıl evrimleştiğini açıklamaya yardımcı olacağı için, on yıllardan beridir gökbilimcilerin hedefiydi. 2020'lerin sonuna dek tamamlanması hedeflenen yeni nesil bir teleskop olan Kilometrekare Gözlem Dizisi, muhtemelen evrendeki en eski ışığın görüntülerini yakalayabilecek; fakat mevcut teleskoplar açısından asıl zorluk, kalın hidrojen bulutlarını aşarak yıldızların kozmolojik sinyallerini saptayabilmek.

YENİ YÖNTEM NASIL İŞLİYOR?

Gökbilimcilerin tespit etmeyi amaçladıkları sinyalin, örneğin kendi galaksimizden yayınlanan radyo sinyalleri gibi gökyüzünden gelen diğer radyo sinyallerinden yaklaşık yüz bin kat daha zayıf olması bekleniyor. Bir radyo teleskobunun kullanılması, aranan kozmolojik sinyali tamamen gizleyebilecek biçimde, alınan sinyalde bozulmalara neden olur. Bu durum, modern radyo kozmolojisinde aşırı gözlemsel bir güçlük olarak görülür. Buna benzer araçların yol açtığı bozulmalar, çoğunlukla bunun gibi gözlemlerde en büyük güçlük olarak itham edilir.

Şimdi Cambridge liderliğindeki bir araştırma ekibi, radyo teleskobunun yol açtığı bozulmaların zararlı etkilerini bertaraf ederek, ilkel bulutları ve diğer gürültülü gökyüzü sinyallerini görmek için bir metodoloji meydana getirdi. REACH (Kozmik Hidrojen Analizi için Radyo Deneyi) deneyinin bir parçasını oluşturan metodolojileri, gökbilimcilerin en eski yıldızları hidrojen bulutlarıyla etkileşimleri aracılığıyla gözlemlemelerine ve aynı şekilde sisler içindeki gölgelere bakarak bir manzara resmi oluşturmalarına imkân tanıyacak. Geliştirdikleri yöntem, evrenin gelişim sürecindeki henüz keşfedilmemiş bu kilit zamana bakan radyo teleskoplarının sürdürdüğü gözlemlerin kalite ve güvenilirliğini artıracak. REACH’in ilk gözlemlerini bu yıl içinde gerçekleştirmesi bekleniyor.

SONSUZ BOŞLUKTA IŞIK ARAMAK

Makalenin başyazarı olan ve Cambridge Üniversitesi’ne bağlı Cavendish Laboratuvarı’nda görevini sürdüren Dr. Eloy de Lera Acedo, “İlk yıldızların ortaya çıktığı dönemde, evren genelde boştu ve çoğunlukla hidrojen ve helyumdan oluşuyordu” diyor: “Elementler, kütleçekimi sebebiyle nihayet bir araya geldi ve ilk yıldızları oluşturacak bir nükleer füzyon için doğru koşullar oluştu. Buna karşın, ışığı gerçekten sıkı sıkıya emen ve ‘nötr hidrojen’ adı verilen bulutlarla çevriliydiler; hâl böyleyken, bulutların arkasındaki ışığı doğrudan tespit etmek ya da gözlemlemek çok güç.”

2018 yılında, ‘Küresel Yeniden İyonlaşma İmzasını Tespit Etme Deneyi’, kısaca EDGES’i gerçekleştiren diğer bir araştırma grubu, bu ilk ışığın muhtemelen tespit edildiğine işaret eden bir sonuç yayınladı fakat gökbilimciler sonucu tekrarlayamadılar ve bu durum, ulaşılan orijinal sonucun kullanılan teleskobun neden olduğu parazitten kaynaklanmış olabileceğine inanmalarına yol açtı.

Acedo, “Orijinal sonuç, evrenin şu anki anlayışımızın imkân tanıdığından çok daha soğuk olması gereken hidrojen gazının sıcaklığı yüzünden, bunu açıklamak için yeni bir fizik anlayışı gerektirecektir. Buna bir alternatif olarak, arka plan radyasyonunun açıklanamayan daha yüksek sıcaklığı -tipik olarak, iyi bilinen Kozmik Mikrodalga Arka Planı olduğu varsayılır- bunun sebebi olabilir” diyor: “Daha önceki deneyde bulunan sinyalin gerçekten de ilk yıldızlardan geldiğini teyit edebilseydik, sonuçlar devasa olurdu.”

KOZMİK ŞAFAK GÖRÜLEBİLECEK Mİ?

Gökbilimciler, evrenin gelişimindeki genellikle ‘Kozmik Şafak’ diye adlandırılan bu dönemi incelemek için, erken evrendeki hidrojenden geriye kalan elektromanyetik bir radyasyon imzası olan 21 santimetrelik çizgiyi incelerler. Hidrojenden kalan radyasyon ile hidrojen sisinin arkasındaki radyasyon arasındaki kontrastı gösteren bir radyo sinyali bulmaya çalışırlar.

De Lera Acedo ve meslektaşlarınca geliştirilen metodoloji, teleskoptan gelen parazit ve gökyüzünden gelen genel gürültü koşullarında kozmolojik bir sinyali tespit etmek için Bayes istatistiklerini kullanıyor ve bu sayede sinyaller ayrıştırılabilir. Bunu gerçekleştirmek için, farklı alanlardan en son teknik ve teknolojilere ihtiyaç duydular.

Araştırmacılar, birden fazla antenin yanı sıra gerçek bir gözlemi taklit etmek amacıyla simülasyonlar kullandılar ve bu yöntem verilerin güvenilirliğini artırdı; buna karşın, daha eski gözlemler yalnızca bir antene dayanıyordu. De Lera Acedo, “Kullandığımız yöntem, birden fazla antenden ve eşdeğer akım cihazları sayesinde daha geniş bir frekans aralığından gelen verileri ortaklaşa biçimde analiz ediyor. Bu yaklaşım bize Bayes veri analizimiz için gereken bilgileri sağlayacaktır” diyor: “Özünde, alışılmış tasarım stratejilerini bir kenara bıraktık ve bundan ziyade verileri analiz etmeyi planladığımız duruma uygun bir teleskop tasarlamaya yoğunlaştık; kısaca, ters tasarım yapmak gibi bir şey. Bu, Kozmik Şafak’ta ve evrendeki hidrojenin yeniden iyonize olduğu ‘reiyonizasyon çağı’na kadar gerçekleşen şeyleri ölçmemize yardımcı olabilir.”

Teleskopun inşası, şu anda Güney Afrika’da bulunan Karoo radyo alanında, gökyüzünde radyo gözlemleri yapmak için mükemmel koşullara sahip olduğu için seçilen bir yerde tamamlanıyor. Televizyon ve FM radyo sinyalleri gibi insan yapımı radyo frekansı parazitlerinden uzak bir bölgede bulunuyor.

EKSİK PARÇAYA DOĞRU BİR ADIM DAHA

Otuzdan fazla araştırmacının meydana getirdiği REACH ekibi, teorik ve gözlemsel kozmoloji, anten tasarımı, radyo frekansı araç inşası, sayısal modelleme, dijital işleme, büyük veri ve Bayes istatistikleri gibi alanlardan uzmanları barındıran çok disiplinli ve dünya çaplı bir oluşum. REACH, Güney Afrika’daki Stellenbosch Üniversitesi tarafından idare ediliyor. Güney Afrika’da bulunan Stellenbosch Üniversitesi’nde yürütülen projenin ortak lideri Profesör de Villiers şunları aktarıyor: “Bu araç için kullanılan anten teknolojisi fazlasıyla basit olmasına karşın, zorlu ve uzak dağıtım ortamı ve üretimde gereken sıkı toleranslar, üzerinde çalışmak için fazlasıyla güç bir proje haline getiriyor. Sistemin ne kadar iyi performans sergileyeceğini görmek hususunda son derece heyecanlıyız ve bu zor tespiti yapacağımıza güvenimiz tam.”

Kozmik Mikrodalga Arkaplan (SPK) radyasyonu çalışmaları sayesinde, Büyük Patlama ve evrenin en erken zamanları iyi anlaşılmış dönemlerdir. Daha da iyi anlaşılan alan, yıldızların ve diğer gök cisimlerinin geç ve yaygın evrimidir. Buna karşın, evrendeki ilk ışığın oluşma anı, evren tarihiyle ilgili bilmecede temel bir eksik parçadır.