James Webb Teleskobu’nun Şaşırtıcı Bulguları: Evrenin Yaşı Konusunda Yanılıyor muyuz?

James Webb Uzay Teleskobu (JWST), bugüne kadar inşa edilen en büyük ve en güçlü uzay teleskobudur. Aralık 2021’de fırlatıldığından bu yana, çığır açan bulgular sunmaktadır. Bu bulgular arasında, Büyük Patlama’dan sadece 300 milyon yıl sonra var olan en erken ve en uzak bilinen galaksilerin keşfi yer almaktadır.

Uzak nesneler, ışıklarının teleskoplara ulaşması uzun sürdüğü için aynı zamanda çok eskidir. JWST, şimdi bu çok erken galaksilerden bir dizi bulmuştur. Bu nesnelere bakarak, evrenin doğumundan kısa bir süre sonra nasıl göründüklerini gözlemlemiş oluyoruz.

JWST’den elde edilen bu gözlemler, evreni açıklamayı amaçlayan bilimsel disiplin olan kozmoloji ve galaksi oluşumu hakkındaki mevcut anlayışımızla uyumludur. Ancak bu gözlemler, beklemediğimiz bazı yönleri de ortaya koymaktadır. Bu erken galaksilerin birçoğu, Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra var olmalarına rağmen beklenenden çok daha parlaktır.

Daha parlak galaksilerin, daha fazla yıldız ve daha fazla kütleye sahip oldukları düşünülmektedir. Bu seviyede bir yıldız oluşumunun gerçekleşmesi için çok daha fazla zamana ihtiyaç olduğu düşünülmekteydi. Ayrıca bu galaksilerin merkezlerinde aktif olarak büyüyen kara delikler bulunmaktadır — bu da bu nesnelerin Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra hızla olgunlaştığının bir işaretidir. Peki bu şaşırtıcı bulguları nasıl açıklayabiliriz? Bu bulgular, kozmolojiye dair fikirlerimizi alt üst mü ediyor yoksa Evrenin Yaşını değiştirmemizi mi gerektiriyor?

Bilim insanları, bu erken galaksileri JWST’nin detaylı görüntüleme yetenekleri ile spektroskopi (ışık tayfı) gücünü birleştirerek inceleyebilmişlerdir. Spektroskopi, uzaydaki nesnelerin yaydığı veya emdiği elektromanyetik radyasyonu yorumlama yöntemidir. Bu yöntem, bir nesnenin özellikleri hakkında bilgi verebilir.

Kozmoloji ve galaksi oluşumu anlayışımız, birkaç temel fikre dayanır. Bunlardan biri, evrenin büyük ölçekte homojen (her yerde aynı) ve izotropik (her yöne aynı) olduğunu belirten kozmolojik ilkedir. Bu ilke, Einstein’ın genel görelilik teorisi ile birleştiğinde, evrenin genişlemesi veya daralması gibi evrimi ile enerji ve kütle içeriğini birbirine bağlamamızı sağlar.

Standart kozmolojik model, “Sıcak Büyük Patlama” teorisi olarak bilinir ve üç ana bileşeni içerir. Bunlardan biri, galaksilerde, yıldızlarda ve gezegenlerde çıplak gözle görebildiğimiz normal maddedir. İkinci bileşen, ışık yaymayan, emmeyen veya yansıtmayan yavaş hareket eden madde parçacıkları olan soğuk karanlık madde (CDM)dir.

Üçüncü bileşen ise kozmolojik sabit (Λ, lambda) olarak bilinir. Bu, karanlık enerji ile bağlantılıdır ve evrenin genişlemesinin hızlandığını açıklamanın bir yoludur. Bu bileşenler bir araya gelerek ΛCDM kozmoloji modelini oluşturur. Karanlık enerji, günümüz evreninin toplam enerji içeriğinin yaklaşık %68’ini oluşturur.

Karanlık madde ve karanlık enerji, bilimsel aletlerle doğrudan gözlemlenemese de, karanlık maddenin kozmostaki maddenin çoğunu oluşturduğu ve evrenin toplam kütle ve enerji içeriğinin yaklaşık %27’sini kapsadığı düşünülmektedir.

Karanlık madde ve karanlık enerji gizemli olmasına rağmen, ΛCDM modeli, evrenin genişlemesi, kozmik mikrodalga arka planı (CMB, Büyük Patlama’nın “parıltısı”) ve galaksilerin gelişimi gibi çeşitli ayrıntılı gözlemlerle desteklenmektedir.

ΛCDM modeli, galaksilerin nasıl oluştuğu ve evrimleştiğine dair anlayışımızın temelini atar. Örneğin, Büyük Patlama’dan yaklaşık 380.000 yıl sonra yayılan CMB, erken evrende meydana gelen yoğunluk dalgalanmalarının anlık görüntüsünü sağlar. Özellikle karanlık maddede meydana gelen bu dalgalanmalar, nihayetinde bugün gözlemlediğimiz galaksi ve yıldızlar gibi yapılara dönüşmüştür.

Yıldızlar nasıl oluşur?

Galaksi oluşumu, birçok farklı fiziksel olgunun etkisi altında olan karmaşık süreçlerden oluşur. Galaksilerdeki gazın nasıl soğuyup yoğunlaştığını ve yıldızları nasıl oluşturduğunu yöneten süreçler gibi bazı mekanizmalar tam olarak anlaşılamamıştır.

Süpernovalar, yıldız rüzgarları ve büyük miktarda enerji yayan kara delikler (bazen aktif galaktik çekirdekler veya AGN olarak adlandırılır) galaksilerden gazı ısıtabilir veya dışarı atabilir. Bu durum, yıldız oluşumunu artırabilir veya kısıtlayabilir ve dolayısıyla galaksilerin büyümesini etkileyebilir.

Bu geri besleme süreçlerinin verimliliği ve ölçeği, ayrıca zaman içinde kümülatif etkileri, galaksi oluşumu simülasyonlarında önemli belirsizlik kaynaklarıdır.

Son on yılda galaksi oluşumuna dair karmaşık sayısal simülasyonlarda önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Yıldız oluşumunu karanlık madde halelerinin evrimi ile ilişkilendiren daha basit simülasyonlar ve modellerden hâlâ önemli bilgiler edinilebilir. Bu haleler, galaksileri etkin bir şekilde içinde tutan, karanlık maddeden yapılmış büyük, görünmez yapılardır.

Galaksi oluşumunun daha basit modellerinden biri, bir galakside yıldızların oluşma hızının, bu galaksilere akan gazla doğrudan bağlantılı olduğunu varsayar. Bu model ayrıca, bir galaksideki yıldız oluşum oranının, karanlık madde halelerinin büyüme oranına orantılı olduğunu önerir. Belirli bir zaman diliminde gazın yıldıza dönüştürülmesinde sabit bir verimlilik olduğunu varsayar.

Bu “sabit yıldız oluşum verimliliği” modeli, Büyük Patlama’dan sonraki ilk milyar yıl içinde yıldız oluşumunun dramatik bir şekilde arttığını açıklamak için uygundur. Bu dönemde karanlık madde halelerinin hızlı büyümesi, galaksilerin yıldızları verimli bir şekilde oluşturması için gerekli koşulları sağlamış olacaktı. Basitliğine rağmen, bu model, kozmik zaman boyunca genel yıldız oluşum oranı da dahil olmak üzere, gerçek gözlemlerin geniş bir yelpazesini başarıyla tahmin etmiştir.

İlk galaksilerin sırları

JWST, yeni bir keşif çağı başlatmıştır. Gelişmiş araçlarıyla uzay teleskobu, hem ayrıntılı görüntüler hem de elektromanyetik radyasyonun gökyüzündeki nesneler tarafından yayılan veya emilen yoğunluğunu gösteren yüksek çözünürlüklü tayflar (spektrumlar) yakalayabilir. JWST için bu tayflar, elektromanyetik spektrumun yakın kızılötesi bölgesindedir. Bu bölgeyi incelemek, evren genişledikçe optik ışığı yakın kızılötesine dönüşen (veya “kırmızıya kaymış”) erken galaksileri gözlemlemek için hayati önem taşır.

Kırmızıya kayma, galaksilerden gelen ışık dalga boylarının seyahat ettikçe nasıl gerildiğini açıklar. Bir galaksi ne kadar uzakta ise, kırmızıya kayması o kadar büyüktür.

Son iki yılda JWST, on ile 15 arasında değerlerde kırmızıya kaymalar (redshift) ile galaksileri tanımlayıp karakterize etmiştir. Bu galaksiler, Büyük Patlama’dan 200-500 milyon yıl sonra oluşmuştur ve galaksiler için nispeten küçüklerdir (yaklaşık 100 parsek veya 3 katrilyon kilometre genişliğindedirler). Her biri yaklaşık 100 milyon yıldızdan oluşur ve yılda yaklaşık bir Güneş benzeri yıldız oluşturma hızına sahiptir.

Bu pek etkileyici görünmeyebilir, ancak bu sistemlerin yalnızca 100 milyon yıl içinde yıldız içeriklerini ikiye katladığını ima eder. Karşılaştırma yapacak olursak, kendi Samanyolu galaksimiz yaklaşık 25 milyar yılda yıldız kütlesini ikiye katlar.

Erken galaksi oluşumu

JWST’nin yüksek kırmızıya kaymalarda veya uzaklıklarda parlak galaksilere ilişkin şaşırtıcı bulguları, bu galaksilerin Büyük Patlama’dan sonra beklenenden daha hızlı olgunlaştığı anlamına gelebilir.

Bu önemlidir çünkü mevcut galaksi oluşumu modellerine meydan okuyacaktır. Yukarıda açıklanan sabit yıldız oluşum verimliliği modeli, gördüklerimizin çoğunu açıklamakta etkili olsa da, ondan fazla kırmızıya kayma ile gözlemlenen çok sayıda parlak ve uzak galaksiyi açıklamakta zorlanmaktadır. Bunu ele almak için bilim adamları çeşitli olasılıkları araştırıyorlar. Bunlar arasında gazın zaman içinde ne kadar verimli bir şekilde yıldızlara dönüştüğüne dair teorilerinde değişiklikler yer alıyor.

Ayrıca, süpernova ve kara delikler gibi fenomenlerin yıldız oluşumunu düzenlemeye nasıl yardımcı olduğu gibi geri besleme süreçlerinin göreceli önemini de yeniden gözden geçiriyorlar. Bazı teoriler, erken evrendeki yıldız oluşumunun daha önce düşünülenden daha yoğun veya “patlamalı” olabileceğini ve bu erken galaksilerin hızlı büyümesine ve görünür parlaklıklarına yol açtığını öne sürüyor. Diğerleri, daha düşük miktarda galaktik toz, yıldız kütlelerinin tepeden ağır bir dağılımı veya aktif kara delikler gibi fenomenlerin katkıları gibi farklı faktörlerin, bu erken galaksilerin beklenmedik parlaklığından sorumlu olabileceğini öne sürüyor.

Bu açıklamalar, JWST’nin bulgularını açıklamak için galaksi oluşum fiziğinde değişiklikler yapılmasını gerektiriyor. Ancak bilim insanları geniş kozmolojik teorilerde de değişiklikler yapmayı düşünüyorlar. Örneğin, erken, parlak galaksilerin bolluğu kısmen madde güç spektrumu denilen bir şeydeki değişiklikle açıklanabilir.

Bu, evrendeki yoğunluk farklılıklarını tanımlamanın bir yoludur. Madde güç spektrumundaki bu değişikliğe ulaşmak için olası bir mekanizma, “erken karanlık enerji” adı verilen teorik bir olgudur. Bu, karanlık enerjiye benzerlik gösteren yeni bir kozmolojik enerji kaynağının erken zamanlarda, 3.000 kırmızıya kaymada var olabileceği fikridir. Bu, CMB’nin yayılmasından önce ve Büyük Patlama’dan sadece 380.000 yıl sonradır. Bu erken karanlık enerji, evrenin rekombinasyon olarak bilinen evrim aşamasından sonra hızla bozunmuş olacaktır. İlginç bir şekilde, erken karanlık enerji, evrenin yaşına ilişkin farklı tahminler arasındaki tutarsızlık olan Hubble gerilimini de hafifletebilir. 2023’te yayınlanan bir makale, JWST’den elde edilen galaksi bulgularının bilim insanlarının evrenin yaşını birkaç milyar yıl uzatmasını gerektirdiğini öne sürdü.

Bununla birlikte, diğer fenomenler parlak galaksileri açıklayabilir. JWST’nin gözlemleri kozmolojinin geniş fikirlerinde değişiklik yapmak için kullanılmadan önce, galaksilerdeki fiziksel süreçlerin daha ayrıntılı bir şekilde anlaşılması şarttır. JWST tarafından tanımlanan en uzak galaksinin mevcut rekor sahibi JADES-GS-z14-0 olarak adlandırılıyor. Şimdiye kadar toplanan veriler, bu galaksilerin çok çeşitli özelliklere sahip olduğunu göstermektedir. JADES-GS-z14-0 da dahil olmak üzere JWST tarafından gözlemlenen galaksilerin 3D görselleştirmesi.

Bazı galaksiler enerji yayan kara deliklere ev sahipliği yaptığına dair işaretler gösterirken, diğerleri genç, tozsuz yıldız popülasyonlarına ev sahipliği yapmakla tutarlı görünmektedir. Bu galaksiler soluk olduğundan ve onları gözlemlemek pahalı olduğundan (saatler süren pozlama süreleri gerektirir), bugüne kadar kırmızıya kaymanın ondan fazla olduğu sadece 20 galaksi spektroskopi ile gözlemlenmiştir ve istatistiksel bir örnek oluşturmak yıllar alacaktır.

Farklı bir saldırı açısı, evrenin 1 milyar ila 2 milyar yıl yaşında olduğu (kırmızıya kaymanın üç ila dokuz arasında olduğu) daha sonraki kozmik zamanlarda galaksilerin gözlemlenmesi olabilir. JWST’nin yetenekleri araştırmacılara bu nesnelerdeki yıldızlardan ve gazdan elde edilen ve galaksi oluşumunun genel tarihini kısıtlamak için kullanılabilecek önemli göstergelere erişim sağlar.

Evreni Parçalamak mı?

JWST’nin çalışmasının ilk yılında, en eski galaksilerden bazılarının son derece yüksek yıldız kütlelerine (içlerinde bulunan yıldızların kütleleri) sahip olduğu ve evrenin çok erken dönemlerinde var olan parlak galaksileri barındırmak için kozmolojide bir değişiklik yapılması gerektiği iddia edildi. Hatta bu galaksiler “evren kırıcı” galaksiler olarak adlandırıldı.

Kısa bir süre sonra, bu galaksilerin evreni bozmadığı, ancak özelliklerinin bir dizi farklı fenomenle açıklanabileceği anlaşıldı. Daha iyi gözlemsel veriler, bazı nesnelerin uzaklıklarının olduğundan fazla tahmin edildiğini gösterdi (bu da yıldız kütlelerinin olduğundan fazla tahmin edilmesine yol açtı).

Bu galaksilerden gelen ışık emisyonu, biriken kara delikler gibi yıldızlar dışındaki kaynaklar tarafından desteklenebilir. Modellerdeki veya simülasyonlardaki varsayımlar da bu galaksilerdeki toplam yıldız kütlesinde sapmalara yol açabilir. JWST görevine devam ederken, bilim insanlarının modellerini iyileştirmelerine ve kozmik kökenlerimizle ilgili en temel sorulardan bazılarını yanıtlamalarına yardımcı olacaktır. Bu parlak, uzak galaksilerin bilmecesi de dahil olmak üzere, evrenin ilk günleri hakkında daha da fazla sırrın kilidini açmalıdır.

Bu düzenlenmiş makale Creative Commons lisansı altında The Conversation‘dan yeniden yayınlanmıştır.