Sadece 350 milyon yıllık bir galakside şaşırtıcı miktarda metal var

JWST ile çalışan astrofizikçiler, Büyük Patlama’dan yalnızca 350 milyon yıl sonra bir galakside şaşırtıcı miktarda metal buldular. Bu bizim evren anlayışımıza nasıl uyuyor?

Evrendeki ilk metallerin kökeni astrofizikte temel bir sorudur. Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra evrenin neredeyse tamamı elementlerin en basiti olan hidrojenden oluşuyordu. Biraz helyum, daha da az lityum ve muhtemelen çok az miktarda berilyum vardı. Elementlerin periyodik tablosuna baktığınızda ilk dördü bunlardır.

Astronomide hidrojen ve helyumdan daha ağır olan elementlerin tümüne metal denir. Metaller yıldızlarda üretilir ve başka hiçbir yerde üretilmez (Büyük Patlama’nın ürettiği küçük miktar hariç). Büyük Patlama’dan günümüze kadar evrendeki metallerin oluşumunun izini sürmek astrofiziğin temel araştırmalarından biridir.

Metallik, evren çalışmamızda temel bir kavramdır. Metaller olmadan kayalık gezegenler oluşamaz. Hayat da olamaz. Birbirini takip eden yıldız nesilleri boyunca evrenin metalikliği arttı. Yani ilk metallerden kaynaklanan ve doğrudan bize ulaşan temel bir yörünge var.

Antik galaksilerin incelenmesi James Webb Uzay Teleskobu’nun başlıca görevlerinden biridir. JWST Gelişmiş Derin Galaksi Dışı Araştırması (JADES), soluk, erken galaksileri bulmak için gökyüzünün bir bölgesini inceledi. JWST, evrenin ilk galaksilerine zamanda çok geriye bakarak antik metalikliğe ışık tutuyor.

JADES gözlemleriyle çalışan bir araştırmacı ekibi, Büyük Patlama’dan yalnızca 350 milyon yıl sonra bir galaksiyi inceledi ve karbon buldu. Ayrıca astronomideki tüm metaller olan oksijen ve neon da bulmuş olabilirler. Bulguları bir yeni kağıt şuraya gönderildi: arXiv ön baskı sunucusu ve “JADES: Gaz zengini bir galakside Büyük Patlama’dan 350 Myr sonra karbon zenginleşmesi” başlıklı. Baş yazar, Cambridge’deki Kavli Kozmoloji Enstitüsü’nde doktora sonrası astrofizikçi olan Francesco D’Eugenio’dur.

Evrende oluşan ilk yıldızlara Popülasyon III yıldızları denir. Bunlar en eski yıldızlardı ve devasa, parlak ve sıcaktılar ve neredeyse hiç metal içermiyorlardı. İçlerinde bulundurdukları az miktardaki metaller, aralarındaki ilk süpernovalardan geliyordu.

Popülasyon III yıldızları hakkındaki bilgilerimizin çoğu teoriktir çünkü bu antik yıldızları, kendi antik galaksilerinde gözlemlemek son derece zordur. Ancak JWST bunu yapabilir. Yıldızları tek tek belirleyemiyor ancak güçlü NIRSpec cihazı, galaksideki farklı elementleri, onların işaret eden ışık imzalarıyla tespit edebiliyor.

Bu yeni araştırma, evrenin tarihinde kritik bir dönem olan Kozmik Şafak yakınındaki z=12,5 konumundaki bir galaksiye dayanıyor. Araştırmacılar JWST’nin gözlemlerini incelediklerinde galakside beklenmedik miktarda karbon keşfettiler. Ya yıldızlararası ortamda (ISM) ya da galaksi çevresindeki ortamda (CGM). “Bu, bir metal geçişinin en uzak tespiti ve emisyon çizgileri aracılığıyla en uzak kırmızıya kayma tespitidir” diye açıklıyorlar. Bu aynı zamanda bugüne kadar bulunan “kimyasal zenginleşmenin en uzak kanıtıdır”.

Bu tespit, metal içermeyen popülasyon III yıldızlarına ilişkin anlayışımızla doğrudan çelişmektedir. Yazarlar, “C iii’nin ve onun yüksek EW’sinin (eşdeğer genişliklerinin) tespiti, bozulmamış yıldız popülasyonu senaryolarını devre dışı bırakıyor” diye yazıyor.

Webb, bozulmamış, metal içermeyen III. popülasyon yıldızlarının varlığını dışladıysa, bu büyük bir haber. Bu, etrafımızda gördüğümüz evrenle ilgili en iyi açıklamalarımızı alt üst eden güçlü uzay teleskopunun bir başka örneği. Ancak bu tamamen şok edici değil; Nüfus III yıldızlarının varlığı teoriktir. Evren hakkında bildiğimiz her şey göz önüne alındığında onların varlığı mantıklı geliyordu.

Ancak III. popülasyon yıldızları hiçbir zaman kesinlik kazanmadı.

Bunun gibi bir şey keşfedildiğinde, bilim insanları gördükleri şeyin diğer olası açıklamalarını düşünmeye özen gösterirler.

Gerçekten bu uzak, antik galaksideki yıldızlarda karbon mu görüyorlar? Yoksa bu emisyonların arkasında başka bir şey olabilir mi? Antik galakside yıldızlardan çok daha fazlası var. Aynı zamanda süper kütleli bir kara deliğe (SMBH) de ev sahipliği yapar. Bir SMBH maddeyle beslendiğinde aktif galaktik çekirdek (AGN) şeklinde parlak bir şekilde parlayabilir. Bu ışık sinyali JWST’nin gördüğü şey olabilir.

Araştırmacılar, “Ayrıca, bu galakside biriken süper kütleli bir kara delik tespit edildi; bu, tuhaf kimyasal bollukların öncelikle nükleer bölgeyle ilişkili olabileceğini düşündürüyor” diye açıklıyor araştırmacılar.

Galakside başka bir potansiyel karbon kaynağı daha var. Bunlar AGB yıldızlarıdır; asimptotik dev dal yıldızlarıdır. AGB yıldızları, süpernova ataları gibi büyük patlayıcı yıldızlar değillerdir, ancak ana diziyi terk etmiş büyük yıldızlardır. Süpernovalarla karşılaştırıldığında AGB yıldızları metalleri daha yavaş üretir.

Ancak bir yıldızın AGB yıldızına dönüşmesi uzun zaman alır. Evren yalnızca 350 milyon yaşındayken hiçbir yıldız AGB olacak kadar uzun yaşamamıştı. Yazarlar, “…AGB yıldızları bu erken dönemlerde karbon zenginleşmesine katkıda bulunamaz” diye yazıyor.

Sonuçta araştırmacılar karbonun tespit edildiğini bildiriyor ancak bize bunun tam olarak nereden geldiğini söyleyemiyorlar. Onlar, “… Popülasyon III atalarından gelen ilk nesil süpernovaların mirası” olabileceğini yazıyorlar.

JWST bu erken dönem galaksiyi görmek için sınırlarını zorladı. Yazarlar şöyle açıklıyor: “Kimyasal zenginleşmenin en erken aşamaları hakkında çok değerli bilgiler sağlayan en uzak metal geçişinin tespiti, çok uzun bir araştırmayı gerektirdi.” Galaksinin aşırı sönüklüğü nedeniyle bu verilerin toplanması 65 saatlik JWST süresi aldı.

Bunca gözlem süresine rağmen araştırmacılar gördükleri metaliklik için yalnızca geçici açıklamalara ulaşabiliyorlar. Bir galaksiyi spektroskopik olarak incelemek için 65 saatlik JWST süresini kullanmak pek pratik değildir, ancak JWST’nin bu tür hassas spektroskopi için yapması gereken şey budur. Bu gelecekte değişebilir.

Araştırmacılar, “Ancak gelecekte geniş alan araştırmaları ve kütleçekimsel mercekler, daha kısa pozlamalarla derin spektroskopik takip için yeterince parlak, yüksek kırmızıya kaymalı galaksilerin belirlenmesine yardımcı olabilir” diye yazıyor.

Bu gerçekleştiğinde ve gerçekleştiğinde, astrofizikçiler çok aranan daha büyük örneklem büyüklüğüne sahip olacaklar. Ellerindeki bu değerli verilerle belki de bu şaşırtıcı bulgu için daha sağlam bir açıklamaya ulaşabilirler.