Bu grafik, Büyük Patlama’dan günümüze Evren’in evrimini göstermektedir. Evrenin kozmik genişleme yoluyla büyümesini ve galaksilerin ve galaksi kümelerinin büyümesini gösterir. Evren neredeyse 14 milyar yaşında. Kredi: ESO/M. Kornmesser
Kozmik Karanlık Çağlar olarak bilinen erken evren, iyonize atomlar oluşturan atom altı parçacıklardan oluşan sıcak bir çorbadan oluşan ışık kaynaklarından yoksundu. Soğudukça, bu atomlar nötr hale geldi ve ışığın serbestçe hareket etmesine izin verdi. Bu çağ, ultraviyole ışığın bu atomları yeniden iyonlaştırdığı yeniden iyonlaşma çağına geçti. Bu UV ışığının kaynağı halen araştırılmaktadır. Teknolojideki ilerlemeler, astronomların uzak yıldızları ve ilk galaksileri gözlemlemesini sağladı, ancak yine de erken evren hakkında pek çok gizem devam ediyor.
Büyük olasılıkla aşağıdaki görüntüyü görmüşsünüzdür: Işığı bize ulaşmadan önce milyarlarca yıl yol kat etmiş binlerce gökadayı içeren ünlü Hubble Ultra Derin Alanı.
Ama evrenin her zaman yıldızlar ve galaksiler gibi ışık kaynaklarıyla dolu olmadığını biliyor muydunuz? Astronomlar buna Kozmik Karanlık Çağ diyorlar. Erken Evren’de bir zaman, yaklaşık bir milyar yıl sonra[{” attribute=””>Big Bang, something switched on the lights and brought the Universe into the era we know today. Let’s find out how this happened!
This image shows the Hubble Ultra Deep Field 2012, an improved version of the Hubble Ultra Deep Field image featuring additional observation time. Credit: NASA, ESA, R. Ellis (Caltech), and the HUDF 2012 Team
Let’s start at the very beginning (a very good place to start)…
Around 13.8 billion years ago, the Universe sprang into being, and started gradually transforming into the vast cosmos we know today. The Big Bang wasn’t really a “bang,” so to speak – it was more a very rapid expansion from something infinitely small, infinitely hot, and infinitely dense to something marginally less so – which then continued to expand for the rest of time.
Straight after the expansion began, the whole Universe was an extremely hot “soup” of subatomic particles: protons, neutrons and electrons. As it began to cool, the protons and neutrons started grouping together to form hydrogen and helium atoms. These atoms were ionized: the intense heat of the early Universe stripped these atoms of their electrons. At this point, light could not travel through the Universe as it would be deflected by the free electrons.
Once the Universe cooled a little more, electrons were able to join the ionized atoms, creating neutral hydrogen and helium. This process, known by astronomers as recombination, occurred roughly 300,000 years after the Big Bang and made the Universe transparent, because light would no longer be deflected by free electrons.
The reason astronomers know about this era is from remnant Cosmic Microwave Background radiation, which is scattered across the cosmos today. This is leftover light from the era of recombination whose wavelength has been stretched by the expansion of the Universe, becoming redshifted. This means that the further this light has travelled, the longer its wavelength has stretched. This remnant light is a sort of footprint of how the Universe looked back then: just a gaseous soup of hydrogen and helium, with gas being more densely packed in some areas than others. But at this point there were still no sources of light like stars, so astronomers refer to this epoch as the Cosmic Dark Ages.
Map of the Cosmic Microwave Background captured by the European Space Agency’s Planck space telescope. Different colours show small fluctuations in temperature that correspond to areas with slightly different densities, which would later become the seeds for the formation of the first stars and galaxies. Credit: ESA and the Planck Collaboration
Clearing the Fog
Between 500 million to 1 billion years after the Big Bang, the Universe transformed, clearing the fog of neutral gas. It is thought that a vast amount of ultraviolet (UV) light was able to burn through this fog, stripping electrons from their atoms, and ionising them. Because of this, astronomers call this time in the early Universe the epoch of reionization, with “bubbles” of ionized gas growing amidst the surrounding neutral gas. It’s not yet known what exactly provided the necessary UV light to reionize the Universe; it could have been stars, early galaxies, or quasars, or even a combination of these.
Bu video, yeniden iyonlaşmanın nasıl gerçekleşmiş olabileceğinin bir simülasyonunu gösterir. Simülasyon, koyu tonlarda gösterilen nötr gazla başlar. İlk yıldızlardan gelen ultraviyole radyasyon, bu atomlardan elektronları ayırarak, UV radyasyonu daha da uzaklaştıkça genişleyen iyonize gaz kabarcıkları (mavi ile gösterilmiştir) oluşturur. Kredi bilgileri: M. Alvarez, R. Kaehler ve T. Abel
Gökbilimciler, yeniden iyonlaşma döneminden gelen yoğun UV radyasyonunun ilk yıldızlardan salındığını varsaydılar. Kozmik sisin bazı bölgeleri kendi yerçekimi altında yoğunlaşıp çöktüğü için milyonlarca yıl içinde oluşmuş olmalılar.
Bir yıldız çok yoğun bir şeklidir plazma çok yoğun ısı ve basınç altında hidrojen ve helyum gibi atomları bir araya getiren, daha ağır elementler oluşturan ve muazzam miktarda enerji açığa çıkaran. Yıldızın boyutuna bağlı olarak tüm yakıt tükendikten sonra ölecek ve etrafındaki boşluğa çok sayıda yeni element salacak ve bu da sonraki nesil yeni yıldızlarda sona erecek.
İlk yıldızlar Güneşimizden 30 ila 300 kat daha büyük ve milyonlarca kat daha parlak olacaktı. Ağır element izleri içeren modern yıldızların aksine, bu ilk yıldızlar sadece hidrojen ve helyumdan yapılmış olmalıydı. Ancak birkaç milyon yıl sonra yanacak ve yeniden iyonlaşma çağındaki sisi temizlemeye yetecek kadar yoğun UV ışığı yayacaklardı. Bu yıldızlar, Evrendeki en ağır elementleri yaratacak kadar sıcak olan devasa süpernova patlamalarında yaşamlarını sona erdireceklerdi. Bu patlamalar, kozmosu ilk ağır elementleriyle dolduracak ve daha sonra bu elementler daha fazla toz, gezegen ve yıldız oluşturacaktı.
Bu şema, yaklaşık 13,8 milyar yıl önceki Büyük Patlama’dan bu yana Evrenin evrimindeki önemli kilometre taşlarını göstermektedir. 1 kredi
Çok ama çok yakın zamana kadar, erken Evren’deki son derece büyük yıldızların varlığı tamamen teorikti, çünkü zamanın o kadar gerisine uzaya bakmak mevcut teknolojiyle sınırlıydı.
2011 yılında, ESO’nun Çok Büyük Teleskopu (VLT) kullanılarak yapılan araştırmalar gökbilimcilerin Erken Evren’e soruşturma, Evren sadece 780 milyon yaşındayken erken yıldızları ve galaksileri bulmak. Bu galaksilerden bazılarının yaydığı UV ışığının, kozmik sisi yeniden iyonize etmek için önemli bir enerji kaynağı olduğunu buldular. 2015 yılında yapılan başka bir çalışmada, erken galaksileri incelemek için VLT ve diğer teleskoplar kullanıldı ve tıpkı ilk nesil yıldızlardan beklendiği gibi, helyumdan daha ağır elementlerin izine rastlanmayan şaşırtıcı derecede parlak bir galaksi bulundu.
Ardından, 30 Mart 2022’de gökbilimciler NASA/ESA’lar Hubble uzay teleskobu Şimdiye kadar görülen en uzak yıldızı, Evren şimdiki yaşının sadece %7’siyken veya Büyük Patlama’dan 4 milyar yıl sonra yakalayabildiler. Bunu, büyük gökada kümelerinin bir büyüteç görevi görerek çok uzak mesafelerdeki nesneleri gösterdiği yerçekimsel mercekleme adı verilen bir etki sayesinde görebildiler. Earendal (eski İngilizce’de “sabah yıldızı” anlamına gelir) adı verilen yıldızın kütlesinin Güneş’imizin en az 50 katı ve milyonlarca katı daha parlak olduğu tahmin ediliyor.
Galaksiler çok çok uzak
İlk galaksiler, astronomların bugün gözlemledikleri yeni galaksilerden çok farklı olurdu. Erken Evrenin kaotik doğası nedeniyle, galaksi şekilleri daha az tanımlı olurdu, şişkinlikler (galaksinin merkezine doğru sıkı sıkıya bağlı yıldız kümeleri) ve sarmal kollar (gökadadakiler gibi) gibi sabit özelliklerden yoksundu. Samanyolu). Ancak yine de kafa karıştıran bazı şeyler var…
ALMA ile gözlemlenen uzak gökada ALESS 073.1, gaz ve toz sırasıyla mavi ve kırmızı olarak gösterilmiştir.. Kredi: Cardiff Üniversitesi
Erken galaksilerin çoğunlukla hidrojen ve helyum gibi daha hafif elementlerle dolu olması bekleniyor. Bununla birlikte, bazı durumlarda gökbilimciler, yeniden iyonlaşma çağından, kimyasal bileşimlerine göre çok daha eski görünen galaksiler bulmuşlardır. Örneğin, 2015’te astronomlar Atacama Büyük Milimetre/Milimetre-altı Dizisini (ALMA) kullanıyor. ESO bir ortak ve ESO’nun VLT’si, Evrenin yaklaşık 700 milyon yaşında olduğu zamana ait bir galaksi keşfetti (onu kesin olarak yeniden iyonlaşma çağına yerleştirdi) ve çok daha ağır elementlerden gaz ve toz içerdiğini buldu. Daha da uzak bir galaksi ile çalışıldı ALMA 2017’de ve şaşırtıcı derecede tozlu olduğu bulundu. Bu, belki de birçok erken süpernovanın bu galaksileri çok hızlı bir şekilde ağır elementlerle doldurduğunu gösteriyor, ancak gökbilimciler bunu kesin olarak bilmiyorlar.
Benzer şekilde, geçen yıl ALMA kullanan astronomlar beklenenden çok daha yaşlı görünen bir galaksi buldular. Onu evren sadece 1,2 milyar yaşındayken görüyoruz, ancak Samanyolumuz gibi daha gelişmiş galaksilere benzer bir şişkinlik ve dönen bir disk gibi özellikler sergiliyor.
Açıkçası, erken Evren’deki galaksiler hakkında öğrenilecek daha çok şey var.
Hala bir gizem
Gökbilimciler, Evrenin oluşumu hakkında kaba bir zaman çizelgesi ve makul teorileri bir araya getirmeyi başarmış olsalar da, bunun çoğu hala bir sır. Erken Evren’in kesin bir zaman çizelgesini bir araya getirmek çok zordur. Reiyonizasyon gerçekte ne zaman sona erdi? İlk galaksiler nasıl bir araya getirildi?
Bu soruları cevaplamak için daha fazla araştırmaya ve daha doğru teknolojiye ihtiyaç var. ESO’nun şu anda Şili’de yapım aşamasında olan ve ilk ışığını bu on yılın sonlarında görecek olan Aşırı Büyük Teleskopu (ELT), erken Evren’i anlamamıza yardımcı olacak.
ELT, şu anda mevcut olan tüm optik araştırma teleskoplarının toplamından daha büyük olan 39 metrelik bir aynaya sahip olacak ve bu da onun çok büyük miktarda ışık toplamasını sağlayacak. Gökbilimcilerin daha uzak galaksilerdeki yıldızları tek tek araştırmalarına ve geçmişlerini erken Evren’e kadar izlemelerine olanak tanıyacak. Operasyonu, astronominin yeteneklerinde çarpıcı bir artışa işaret edecek ve kozmosa her zamankinden daha uzak ve daha doğru bir şekilde bakacaktır.
Evrenin şeffaf ve ışıkla dolu olmasına ve en yeni teknolojiyi kullanarak kozmosun en uzak köşelerine bakabilmemize şükredelim.
Biyografi Naomi Dinmore
Naomi, ESO’da Bilim Gazeteciliği bölümünde stajyerdir. Cardiff Üniversitesi’nden Fizik ve Müzik alanında lisans derecesi aldıktan sonra Imperial College London’da Bilim İletişimi alanında yüksek lisans yaptı.