Görsel: CMB (kozmik arkaplan ışıması) polarizasyonu
Avrupa Uzay Ajansı’nın (ESA) Plank Uydusu uzay taramaları, erken evrenden gelen polarize ışığı meydana çıkararak ilk yıldız oluşumlarının daha önce düşünülenden çok daha sonra gerçekleştiğini ortaya koydu.
13,8 milyar yaşındaki evrenimizin tüm tarihi uzayda yazılıdır. Şanslıyız ki, bu tarihi okuyabilmek için çok önemli bir kaynağımız mevcut: Erken evrenin fosilleşmiş kalıntıları olan “Kozmik Arkaplan Işıması” ya da kısaca CMB (Cosmic Microwave Background). CMB, evrenin oluştuğu Büyük Patlama’dan yaklaşık 380.000 yıl sonrasına ait ve günümüzde -evrenin genişlemesinden dolayı- dalgaboyu mikrodalga mertebelerine ulaşmış ışık kalıntılarıdır. CMB’de homojenliği bozan çok küçük sıcaklık ve yoğunluk dalgalanmaları, bugünkü galaktik yapıların çıkış noktasını oluşturur.
Plank Uydusu, 2009 ve 2013 yılları arasında CMB kalıntılarını daha önce görülmemiş bir detayda taradı ve iki yıl boyunca yapılan yayınlarla standart kozmolojik teorileri ve gözlemleri daha kesin sonuçlarla onayladı. Ancak dahası da var: Plank çalışanı Jan Tauber’e göre, CMB’nin kozmik tarihimize dair önemli bilgileri polarizasyonunda saklı.
Işığın polarize olması, ışık dalgasının hareket yönüne dik gelen düzlemdeki salınımların yönlendirilmesi demektir ve fotonların çarpışmasıyla ışık polarize olabilir. Erken evrende CMB’ye olan da aynı şeydi: Evren henüz birkaç saniye yaşındayken çoğunlukla elektron, proton ve nötrinolardan oluşmuş çok sıcak ve yoğun bir kozmik çorbadan ibaretti. Bu sebepten dolayı içerideki fotonlar kayda değer mesafeler alamadan elektronlarla etkileşime giriyor; tuzaklanıyordu. Bu sürelerde evren oldukça yoğun bir kozmik sis olarak tasvir edilebilir.
Evren genişledikçe soğudu. Elektronların ve protonların birleşebileceği yeterli soğukluğa ulaşan evrenin bu evresinde ilk nötral atomlar meydana geldi. Evrenin genişlemesi ve buna bağlı atomların oluşması sonucunda evren daha seyrek bir yer halini aldı. Seyrek evrende ise fotonlar tuzaklanmadan yol alabilirdi; sisten kaçan fotonlar günümüze dek yol almaya devam ederek CMB olarak karşımıza geldi ve gelirken de son etkileşime girdiği elektronun üzerinde yarattığı polarizasyonu da beraberinde getirdi.
“CMB’nin polarizasyonu, bir yerden başka bir yere evren boyunca sıcaklık dalgalanmaları gibi küçük dalgalanmalar göstermektedir. Bu dalgalanmalar ise evrenin o zamanki yaşına ait madde ve ışık dağılımları hakkında bilgi vermektedir” diyen François Bouchet, bu yöntemin evrenin yaşının ve genişleme oranın belirlenmesinde; madde, karanlık madde ve karanlık enerji yüzdelerinin tespit edilmesinde kullanılabilecek güçlü bir yöntem olduğunu savunuyor.
Plank’ın polarizasyon verileri CMB sıcaklık dalgalanmalarından belirlenmiş kozmolojik resmi onaylamasının yanı sıra çok önemli bir sorunun daha cevabını veriyor:
Yıldızlar ne zaman oluştu?
Plank çalışanı Marco Bersanelli, “CMB’nin ortaya çıktığı zamanlarda evren şimdikinden çok daha farklıydı ve yıldız oluşumu için çok uzun süreler geçmesi gerekiyordu. Plank’ın CMB polarizasyon verileri göstermiştir ki “karanlık çağ” olarak adlandırılan bu evre Büyük Patlama’dan yaklaşık 550 milyon yıl kadar sonra sona ermiştir; daha önce tahmin edilenden 100 milyon yıl sonra. 14 milyar yaşın yanında 100 milyon ihmal edilebilir gözükebilir fakat konu ilk yıldızların formasyonları olduğunda bu sayı önem kazanır.”
Karanlık çağ ilk yıldız parlamaya başladığında son buldu. Yıldızın ışığı evrendeki gaz ile etkileşime girince, atomlar bileşenlerine ayrışarak yeniden proton ve elektrona dönüştü. Bu dönem “yeniden iyonlaşma dönemi” olarak adlandırılır. Serbest kalmış elektronlar ise -evren her ne kadar eskisi kadar yoğun olmasa da- CMB ile yeniden çarpışmış ve bu etkileşimler CMB’nin polarizasyonunda kalıcı izler bırakmıştır. Uzaktaki galaksi ve kuasar ölçümleri sonucunda yeniden iyonlaşmanın evren yaklaşık 900 milyon yaşındayken bittiğini belirten George Efstathiou, sürecin başlangıç zamanını kestirebilmek için ise elimizde sadece CMB verilerinin olduğundan bahsediyor.
Daha önceki CMB polarizasyon çalışmaları yeniden iyonlaşma yaşını 450 milyon yıl olarak koyuyor ve böylece ilk yıldızların oluşumu daha erken bir zamana denk geliyordu. NASA-ESA Hubble Uzay Teleskobu’nun uzayın derinliklerini taradığı çalışmaya göre ise, galaksilerin oluşmaya başladığı yıllar Büyük Patlama’dan 300-400 milyon yıl sonrasına denk düşmektedir ve bu bulgular önceki CMB polarizasyon çalışmalarıyla çelişki içerisindedir. Çünkü karanlık çağın sona erebilmesi için 450 milyon yıl yeterli olamaz. Yeniden iyonlaşma sürecini yaklaşık 100 milyon yıl sonrasına atan Plank verileri bu problemin üstesinden geldiği için oldukça önemlidir.
Karanlık çağın daha uzun olması ilksel galaksilerin yeni nesil teleskoplarla daha kolay tespit edilebilmesine de işaret eder. Ayrıca Plank’ın verileriyle Samanyolu’ndaki gaz ve toz kaynaklı önplan emisyon polarizasyonu da analiz edilerek galaktik manyetik alan hakkında çalışmalar yapılıyor. Bunlara ek olarak kozmik enflasyonun sebep olduğu öne sürülen kütleçekim dalgaları da CMB’nin polarizasyonuna kazınmış olabilir. Sinyale dair henüz doğrudan bir tespit olmasa da eski uzay taramalarıyla yenisi birleştirilerek ilksel kütleçekim dalgalarına bir üst limit koyulabilir.
“Bunlar Plank’ın CMB polarizasyon taramasından elde edilmiş henüz birkaç başlık” diyen Jan Tauber, Plank’ın verilerinin inanılmaz zengin ve keşiflere gebe olduğundan bahsediyor.
Hazırlayan: Hakan Sert
Yıldız Ünv. Fizik Blm Doktora Öğr.
Kaynaklar ve ileri okuma:
– http://www.sciencedaily.com/releases/2015/02/150205131233.htm
– http://www.cosmos.esa.int/web/planck/publications
