Bu galaksi ne kadar uzak?

Aralık 2022’de, Atacama Büyük Milimetre/milimetre-altı Dizisini (ALMA) kullanan gökbilimciler, şimdiye kadar gözlemlenen en uzak gökadalardan birinin keşfini doğruladılar. ALMA’nın yakaladığı zayıf radyo ışığı, evren 360 milyon yaşından küçükken bize doğru yolculuğuna başladı. Bu muazzam derecede uzak bir galaksi, ama gerçekte ne kadar uzakta? Cevap biraz karmaşık ve mesafe ile neyi kastettiğinize bağlı.

Başlangıç ​​olarak, gökbilimciler milyarlarca ışıkyılı uzaklıktaki galaksilerin mesafesini doğrudan ölçemezler. Bunun yerine, kırmızıya kayma veya z olarak bilinen şeyi ölçerler. Bu durumda ekip, OIII olarak bilinen oksijen tarafından yayılan ışığın belirli bir dalga boyunu ölçtü. OIII emisyon çizgisini Dünya’daki bir laboratuvarda gözlemlediğimizde, 88 mikrometrelik bir dalga boyuna sahip olduğunu görüyoruz. Bu özel galakside gözlemlenen OIII hattı ALMA çok daha uzundu, yaklaşık 1.160 mikrometre. Kırmızı ışığın dalga boyu mavi ışıktan daha uzun olduğu için, gözlemlenen OII çizgisinin kırmızıya kaydırıldığını veya kırmızıya kaydırıldığını söylüyoruz. Bu iki sayı göz önüne alındığında, z’yi hesaplamak kolaydır. Bu sadece gözlenen ışığın göreli kırmızıya kaymasıdır, yani z = (1160—88)/88 = 12,2 z ne kadar büyükse kırmızıya kayma o kadar büyük olur ve z = 12,2 şimdiye kadar bir galaksinin doğrulanmış en büyük kırmızıya kaymasıdır.

Peki bunun mesafeyle ne alakası var? Bir galaksiden gelen ışığın kırmızıya kaymasının iki yolu vardır. İlki Doppler kayması olarak bilinir ve bir galaksinin uzaydaki fiziksel hareketinden kaynaklanır. Sesteki bu efekte muhtemelen aşinasınızdır. Bir tren yanınızdan hızla geçtiğinde, tren size yaklaştıkça kornası daha yüksek, yanınızdan geçip giderken daha alçak çalar. Ses dalgaları, tren size doğru hareket ederken toplanır ve daha yüksek bir perdeye sahiptir ve tren sizden uzaklaştıkça uzar, dolayısıyla daha düşük bir perdeye sahiptir. Aynı şey ışıkta da olur. Bir galaksi bize doğru hareket ediyorsa ışığı maviye kayar ve bizden uzaklaşıyorsa ışığı kırmızıya kayar.

Kırmızıya kaymanın oluşabileceği ikinci yol, kozmik genişlemedir. Evren genişliyor ve bu, ışık uzak bir galaksiden bize gelirken uzayın genişlemesiyle dalga boyunun uzaması anlamına geliyor. Işık ne kadar uzun yol kat ederse, ışık o kadar fazla gerilir, bu nedenle ışık o kadar kırmızıya kayar. Bu, kozmolojik kırmızıya kayma olarak bilinir. Uzak galaksiler için gözlemlediğimiz kırmızıya kaymanın neredeyse tamamı kozmolojiktir. Bunun gibi yüksek kırmızıya kayma galaksilerinin çok ama çok uzak olduğunu bu şekilde biliyoruz.

Ancak bu yine de bize belirli mesafeyi söylemiyor. Bunu belirlemek için evrenin zaman içinde nasıl genişlediğine bakmamız gerekir. Şu anda, Hubble parametresi olarak bilinen kozmik genişleme oranı hakkında biraz belirsizlik var. Planck misyonunun kozmik mikrodalga arka plan gözlemleri, değeri yaklaşık 68 (km/s)/Mpc olarak belirlerken, Hubble ve Gaia uzay aracının gözlemleri, ona yaklaşık 72 (km/s)/Mpc gibi daha yüksek bir değer verir. Değer ne kadar büyükse, evren o kadar hızlı genişliyor ve uzak galaksiler o kadar uzakta. 70 (km/s)/Mpc’lik bir orta değer seçersek, genel göreliliği kullanarak makul bir mesafe hesaplayabiliriz, ancak o zaman bile cevabımız mesafeyi nasıl tanımladığımıza bağlı olacaktır.

Bir tanım, ışığın galaksiden bize ne kadar sürede geldiğini sormak olacaktır. Bu, hafif seyahat süresi olarak bilinir ve yaklaşık 13,1 milyar yıl olduğu ortaya çıkar. Evren yaklaşık 13,46 milyar yaşında olduğu için (seçtiğimiz Hubble parametresine göre), bu, evren yaklaşık 360 milyon yaşındayken ışığın galaksiden ayrıldığı anlamına gelir. Uzak galaksiler bize erken evren hakkında bilgi verdiğinden, bu tanım astronomlar için yararlıdır. Gökbilimciler için bir galaksinin tarihteki yerini bilmek, uzaklığından daha önemlidir.

Işık 13,1 milyar yıl yol aldığına göre, bu galaksinin 13,1 milyar ışıkyılı uzaklıkta olduğu anlamına mı geliyor? Pek değil. Kozmik genişleme nedeniyle ışık, evren genişlemiyorsa olduğundan çok daha uzun süre yol aldı. Işık yolculuğuna başladığında galaksi bize daha yakındı. Çok yakın. 13,1 milyar yıl önce galaksinin bizden ne kadar uzakta olduğunu hesaplarsak 2,4 milyar ışıkyılı elde ederiz. Yani bu galaksi sadece 2,4 milyar ışıkyılı uzaklıktaydı ama evren o kadar genişledi ki ışığının bize ulaşması 13,1 milyar ışıkyılı sürdü.

Elbette, muhtemelen galaksinin şu anda ne kadar uzakta olduğunu bilmek istiyorsunuz. Elbette, galaksi 2,4 milyar ışıkyılı uzaklıktaydı, ancak ışık bize doğru gelmeye başladığında, sürekli genişleyen evren nedeniyle galaksi bizden uzaklaşmaya devam etti. Peki galaksi şimdi nerede? Matematiği yaparsanız, galaksinin şu anda yaklaşık 32 milyar ışıkyılı uzaklıkta olduğu ortaya çıkıyor. Ama bir dakika? Evren 14 milyar yaşından küçükse, 32 milyar ışıkyılı uzaklıktaki bir galaksiyi nasıl görebiliriz? Cevap, yapamayacağımızdır. ALMA’nın galaksiye bakışı, sadece 2,4 milyar ışık yılı uzaktayken nasıl göründüğüne benziyor. Galaksinin şu anda neye benzediğini asla göremeyeceğiz. O çok uzakta ve evren o ışığın bize ulaşması için çok hızlı genişliyor. Sadece nerede olduğuna ve eskiden nasıl göründüğüne dair optik yankıyı görüyoruz.

Bütün bunlar, herhangi birinin beynini düğümleyecek kadar garip. Gökbilimcilerin kırmızıya kayma z’ye odaklanmasının ve genellikle galaktik ışığın yolculuğuna başladığında evrenin kaç yaşında olduğundan bahsetmemizin nedeni budur. Bu bize galaksinin çok uzakta olduğunu ve uzun zaman önce görüldüğünü söylemek için yeterli. O kadar uzun zaman önce ve o kadar uzak ki mesafesini tanımlamak zor.