Araştırmacılar, yeniden iyonlaşma çağı olan ‘kozmik şafağın’ sonunu belirliyor

Max Planck Astronomi Enstitüsü’nden Sarah Bosman liderliğindeki bir grup gökbilimci, nötr hidrojen gazının yeniden iyonlaşma döneminin sonunu Büyük Patlama’dan yaklaşık 1,1 milyar yıl sonrasına sağlam bir şekilde zamanladı. Yeniden iyonlaşma, yıldızların ilk neslinin, kozmik “karanlık çağlardan”, yani herhangi bir ışık kaynağı olmaksızın evreni tek başına nötr gazla doldurduğu uzun bir dönemden sonra oluştuğunda başladı. Yeni sonuç, yirmi yıl süren ve ışığın Dünya’ya ulaşmadan önce içinden geçtiği hidrojen gazının izleriyle 67 kuasarın radyasyon imzalarını takip eden bir tartışmayı çözüyor. Bu “kozmik şafağın” sonunu saptamak, iyonlaştırıcı kaynakları belirlemeye yardımcı olacaktır: ilk yıldızlar ve galaksiler.

Evren, başlangıcından mevcut durumuna kadar farklı aşamalardan geçmiştir. Big Bang’den sonraki ilk 380.000 yıl boyunca, sıcak ve yoğun iyonize bir plazmaydı. Bu süreden sonra, evreni dolduran proton ve elektronların nötr hidrojen atomları halinde birleşmesi için yeterince soğudu. Çoğunlukla bu “karanlık çağlar” sırasında, evrenin görünür ışık kaynakları yoktu. Yaklaşık 100 milyon yıl sonra ilk yıldızların ve galaksilerin ortaya çıkmasıyla birlikte, bu gaz yavaş yavaş yıldızların ultraviyole (UV) radyasyonu tarafından tekrar iyonize oldu. Bu işlem elektronları protonlardan ayırarak onları serbest parçacıklar olarak bırakır. Bu çağ genellikle “kozmik şafak” olarak bilinir. Bugün, galaksiler arasında yayılan tüm hidrojen, galaksiler arası gaz, tamamen iyonize edilmiştir. Bununla birlikte, bunun ne zaman gerçekleştiği, bilim adamları arasında yoğun bir şekilde tartışılan bir konudur ve oldukça rekabetçi bir araştırma alanıdır.

Kozmik şafağın geç sonu

Almanya, Heidelberg’deki Max Planck Astronomi Enstitüsü’nden (MPIA) Sarah Bosman liderliğindeki uluslararası bir gökbilimciler ekibi, şimdi yeniden iyonlaşma çağının sonunu Büyük Patlama’dan 1,1 milyar yıl sonrasına kadar kesin olarak zamanladı. Sarah Bosman, “Evrenin Güneş ve Dünya’nın oluşumuna yol açan farklı evreler fikri beni büyüledi. Kozmik tarih bilgimize yeni bir küçük parça katkıda bulunmak büyük bir ayrıcalık” diyor. Dergide yer alan araştırma makalesinin ana yazarıdır. Kraliyet Astronomi Derneği’nin Aylık Bildirimleri bugün.

Aynı zamanda bir MPIA astronomu ve makalenin ortak yazarı olan Frederick Davies, “Birkaç yıl öncesine kadar, hakim görüş, yeniden iyonlaşmanın neredeyse 200 milyon yıl önce tamamlandığıydı. Burada şimdi, sürecin çok daha fazla sona erdiğine dair en güçlü kanıta sahibiz. daha sonra, kozmik bir çağda, mevcut nesil gözlemsel tesisler tarafından daha kolay gözlemlenebilir.” Bu kez düzeltme, Büyük Patlama’dan bu yana geçen milyarlarca yıl dikkate alındığında marjinal görünebilir. Bununla birlikte, erken kozmik evrimde birkaç düzine yıldız neslini üretmek için birkaç yüz milyon yıl daha yeterliydi. “Kozmik şafak” çağının zamanlaması, sürdüğü yüz milyon yıl boyunca mevcut olan iyonlaştırıcı kaynakların doğasını ve ömrünü kısıtlar.

Bu dolaylı yaklaşım, şu anda yeniden iyonlaşma sürecini yönlendiren nesneleri karakterize etmenin tek yoludur. Bu ilk yıldızları ve galaksileri doğrudan gözlemlemek, çağdaş teleskopların yeteneklerinin ötesindedir. Makul bir süre içinde faydalı veriler elde etmek için çok zayıflar. ESO’nun Aşırı Büyük Teleskopu (ELT) veya James Webb Uzay Teleskobu gibi yeni nesil tesisler bile böyle bir görevle mücadele edebilir.

Kozmik sondalar olarak kuasarlar

Evrenin ne zaman tamamen iyonlaştığını araştırmak için bilim adamları farklı yöntemler uygularlar. Biri, ünlü 21 santimetrelik spektral çizgide nötr hidrojen gazı emisyonunu ölçmektir. Bunun yerine Sarah Bosman ve meslektaşları, güçlü arka plan kaynaklarından alınan ışığı analiz ettiler. Uzak aktif galaksilerdeki merkezi büyük kara delikleri çevreleyen parlak sıcak gaz diskleri olan 67 kuasar kullandılar. Gökbilimciler, gözlemlenen dalga boylarında yayılan yoğunluğunu görselleştiren bir kuasar tayfına bakarak, ışığın eksik göründüğü yerlerde desenler bulurlar. Bilim adamlarının absorpsiyon çizgileri dediği şey budur. Nötr hidrojen gazı, kaynaktan teleskoba olan yolculuğu boyunca ışığın bu kısmını emer. Bu 67 kuasarın spektrumları, bu çalışmanın başarısı için çok önemli olan, benzeri görülmemiş bir kaliteye sahip.

Yöntem, 121.6 nanometre dalga boyuna eşdeğer bir spektral çizgiye bakmayı içerir. Bu dalga boyu UV aralığına aittir ve en güçlü hidrojen spektral çizgisidir. Bununla birlikte, kozmik genişleme, ışık ne kadar uzağa giderse, kuasar spektrumunu daha uzun dalga boylarına kaydırır. Bu nedenle, gözlemlenen UV absorpsiyon çizgisinin kırmızıya kayması, Dünya’dan olan uzaklığa çevrilebilir. Bu çalışmada, etki, UV hattını teleskopa ulaştığında kızılötesi aralığına taşımıştı.

Nötr ve iyonize hidrojen gazı arasındaki fraksiyona bağlı olarak, absorpsiyon derecesi veya tersine, böyle bir bulut yoluyla iletim belirli bir değere ulaşır. Işık, yüksek oranda iyonize gaz içeren bir bölgeyle karşılaştığında, UV radyasyonunu o kadar verimli bir şekilde ememez. Bu özellik, ekibin aradığı şeydi.

Kuasar ışığı, yolu üzerinde farklı mesafelerde birçok hidrojen bulutundan geçer ve her biri UV aralığından daha küçük kırmızıya kaymalarda damgasını bırakır. Teoride, kırmızıya kaydırılan hat başına iletimdeki değişikliği analiz etmek, hidrojen gazının tamamen iyonize olduğu süreyi veya mesafeyi vermelidir.

Modeller, rekabet eden etkilerin çözülmesine yardımcı olur

Ne yazık ki, koşullar daha da karmaşık. Yeniden iyonlaşmanın sona ermesinden bu yana, yalnızca galaksiler arası boşluk tamamen iyonize olmuştur. Galaksileri ve galaksi kümelerini birbirine bağlayan, “kozmik ağ” adı verilen, kısmen nötr bir madde ağı vardır. Hidrojen gazının nötr olduğu yerde, kuasar ışığında da izini bırakır.

Bu etkileri çözmek için ekip, galaksiler arası gazın zaten tamamen iyonize olduğu çok daha sonraki bir çağda ölçülen varyasyonları yeniden üreten fiziksel bir model uyguladı. Modeli sonuçlarıyla karşılaştırdıklarında, 121,6 nanometre çizgisinin 1,1 milyar yıllık bir kozmik yaşa karşılık gelen 5,3 kat kaydırıldığı bir dalga boyunda bir sapma keşfettiler. Bu geçiş, ölçülen kuasar ışığındaki değişikliklerin yalnızca kozmik ağdan kaynaklanan dalgalanmalarla tutarsız hale geldiği zamanı gösterir. Bu nedenle, bu, galaksiler arası uzayda nötr hidrojen gazının mevcut olması ve ardından iyonize hale gelmesi gereken en son dönemdi. “Kozmik şafağın” sonuydu.

Gelecek parlak

Frederick Davies, “Bu yeni veri kümesi, evrenin ilk milyar yılının sayısal simülasyonlarının gelecek yıllarda test edileceği çok önemli bir kıyaslama sağlıyor” diyor. Yıldızların ilk nesilleri olan iyonlaştırıcı kaynakları karakterize etmeye yardımcı olacaklar.

Sarah Bosman, “Çalışmamız için gelecekteki en heyecan verici yön, onu yeniden iyonlaşma sürecinin orta noktasına doğru daha da eski zamanlara doğru genişletmek” dedi. “Ne yazık ki, daha büyük mesafeler, daha önceki kuasarların önemli ölçüde daha sönük olduğu anlamına geliyor. Bu nedenle, ELT gibi yeni nesil teleskopların genişletilmiş toplama alanı çok önemli olacak.”