Uzay teleskoplarıyla galaksilere olan mesafelerin ölçülmesi

James Webb Uzay Teleskobu’nun bilimsel hedeflerinden biri, erken evrendeki galaksilerin nasıl oluştuğunu ve kendi Samanyolumuz gibi çok daha büyük galaksilere dönüştüğünü anlamaktır. Bu amaç, özelliklerinin zamanla nasıl geliştiğini araştırmak için evrenin tarihinde farklı anlardaki gökada örneklerini tanımlamamızı gerektirir.

Austin’deki Texas Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Micaela Bagley’den gökbilimcilerin uzak galaksilerden gelen ışığı nasıl analiz ettiğini ve onları “evrenin tarihinde ne zaman” gözlemlediğimizi nasıl belirlediklerini açıklamasını istedik.

“Işığın uzayda yolculuğu zaman alır. Uzak bir galaksiden (veya uzaydaki herhangi bir nesneden) gelen ışık bize ulaştığında, o galaksiyi geçmişte göründüğü haliyle görürüz. Geçmişteki ‘ne zaman’ı belirlemek için, galaksinin kırmızıya kayması.

“Kırmızıya kayma bize, ışığın bize ulaşmak için seyahat ederken evrenin genişlemesiyle daha uzun dalga boylarına kadar uzanmak için ne kadar zaman harcadığını söyler. Kırmızıya kaymayı galaksinin spektrumundaki özellikleri kullanarak hesaplayabiliriz; bu, ışığı uzaklardan yayan bir gözlemdir.” esas olarak ışığı çok küçük aralıklarla örnekleyen, dalga boyuna göre bir hedef. Emisyon çizgilerini ve spektral kırılmaları (belirli dalga boylarında ışık yoğunluğundaki ani değişiklikler) ölçebilir ve gözlemlenen dalga boylarını, bilinen yayılan dalga boylarıyla karşılaştırabiliriz.

“Galaksileri tanımlamanın en etkili yollarından biri, örneğin gözlemevinin NIRCam (Yakın Kızılötesi Kamera) cihazıyla görüntüleme yapmaktır. Nesnenin ışığını birkaç farklı renkte toplamak için birden fazla filtre kullanarak görüntüler çekeriz. Bir galaksinin fotometrisini ölçtüğümüzde NIRCam’in geniş bant görüntüleme filtreleri ile bir galaksiyi gözlemleyebiliriz, ancak nesnenin filtre tarafından iletilen tüm dalga boyu aralığı boyunca ortalama parlaklığını ölçüyoruz, ancak bir görüntüde ne kadar parlak olduğu hakkında birçok ayrıntılı bilgi var. Dalga boyu kapsamındaki her 0,3-1,0 mikron için her bir ölçümün içinde gizlidir.

“Yine de bir galaksinin spektrumunun şeklini sınırlamaya başlayabiliriz. Spektrumun şekli, galakside kaç tane yıldızın oluştuğu, içinde ne kadar toz bulunduğu ve galaksinin ışığının ne kadar kırmızıya kaydığı gibi çeşitli özelliklerden etkilenir. Her filtrede galaksinin ölçülen parlaklığını, kırmızıya kayma aralığında bu özelliklerin bir aralığını kapsayan bir dizi galaksi modeli için tahmin edilen parlaklıkla karşılaştırırız.Modellerin verilere ne kadar iyi uyduğuna bağlı olarak, galaksinin galaksi belirli bir kırmızıya kayma veya ‘tarihteki an’dadır. Bu analizle belirlenen en uygun kırmızıya kaymaya fotometrik kırmızıya kayma adı verilir.

“Temmuz 2022’de ekipler, fotometrik kırmızıya kayması 11’den büyük olan (evrenin yaşı 420 milyon yıldan daha küçükken) iki galaksiyi tanımlamak için CEERS Araştırması’ndan alınan NIRCam görüntülerini kullandı. Bu nesnelerin hiçbiri NASA’nın Hubble Uzay Teleskobu gözlemleri tarafından bu çalışmada tespit edilmedi. Çünkü ya çok zayıflar ya da sadece Hubble’ın hassasiyeti dışındaki dalga boylarında tespit edilebiliyorlar.Bunlar yeni teleskopla yapılan çok heyecan verici keşiflerdi.

“Ancak bir galaksinin fotometrik kırmızıya kayması bir ölçüde belirsizdir. Örneğin, bir filtrede bir spektral kırılmanın mevcut olduğunu belirleyebiliriz, ancak kırılmanın kesin dalga boyunu belirleyemeyiz. En uygun kırmızıya kaymayı temel alarak tahmin edebiliriz. Fotometrinin modellenmesinde ortaya çıkan olasılık dağılımı genellikle geniştir.

“Ek olarak, farklı kırmızıya kayma oranlarındaki galaksiler, geniş bant filtrelerinde benzer renklere sahip olabilir, bu da kırmızıya kaymalarını yalnızca fotometriye dayalı olarak ayırt etmeyi zorlaştırır. Örneğin, kırmızıya kaymaları 5’in altında olan (veya evrenin 1,1 milyar yaşında olduğu veya evrenin 1,1 milyar yaşında olduğu) kırmızı, tozlu galaksiler kendi galaksimizdeki daha yaşlı ve soğuk yıldızlar bazen yüksek kırmızıya kaymalı bir galaksinin aynı renklerini taklit edebilir.Bu nedenle, daha kesin bir kırmızıya kayma elde edene kadar, fotometrik kırmızıya kaymalarına göre seçilen tüm galaksileri yüksek kırmızıya kayma adayları olarak kabul ediyoruz.

“Bir spektrum elde ederek bir galaksinin kırmızıya kaymasını daha kesin bir şekilde belirleyebiliriz. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, bir galaksinin fotometrisini daha ince dalga boyu adımlarında ölçtükçe kırmızıya kayma olasılık dağılımına ilişkin hesaplamamız gelişiyor. Olasılık dağılımı, ne kadar ince olursa olsun daralıyor. görüntüleme için geniş bant filtreleri kullanmaktan (üstte), daha fazla sayıda daha dar filtreye (ortada), spektruma (altta) geçiyoruz.Alt sırada, en soldaki spektral kırılma gibi belirli özellikleri kapatmaya başlayabiliriz ve Çok hassas bir kırmızıya kayma olasılık dağılımı elde etmek için emisyon çizgileri kullanılır; bu, spektroskopik bir kırmızıya kaymadır.

“Şubat 2023’te CEERS ekipleri, hassas, spektroskopik kırmızıya kaymaları ölçmek için yüksek kırmızıya kayma adaylarını gözlemevinin NIRSpec (Yakın Kızılötesi Spektrograf) cihazıyla takip etti. Bir adayın (Maisie Galaksisinin) kırmızıya kaymanın 11.4 olduğu doğrulandı (evren 390 milyon yaşındaydı), ikinci adayın ise aslında 4,9’luk daha düşük bir kırmızıya kayma seviyesinde olduğu keşfedildi (evren 1,2 milyar yaşındayken).

“Yüksek kırmızıya kayma adayının aslında daha düşük kırmızıya kayma galaksisi olduğunu keşfettiğimiz durumlar bile çok heyecan verici olabilir. Bunlar galaksilerdeki koşullar ve bu koşulların onların fotometrisini nasıl etkilediği hakkında daha fazla bilgi edinmemize, galaksi spektrumu modellerimizi geliştirmemize olanak tanıyor. ve galaksi evrimini tüm kırmızıya kaymalar boyunca sınırlamak. Ancak aynı zamanda yüksek kırmızıya kayma adaylarını doğrulamak için spektrum elde etme ihtiyacını da vurguluyorlar.