Gökbilimciler antik galaksileri keşfetmek için yarışıyor

12 Aralık 2021 akşamı, Cornell astronomları Gordon Stacey ve Thomas Nikola, tehlikeli bir şekilde zamanında yetersiz kaldılar. Neredeyse 24 saattir uyanıklardı, önlerinde gece dolusu bir gece daha vardı.

Ellerindeki deri, Şili’nin Atacama Çölü’nde baş döndürücü bir yükseklikte beş hafta yaşamaktan kurumuş ve çatlamıştı. Ve yetersizdiler, her zamanki dört veya beş kişilik ekip yerine iki kişilik bir ekip, Atacama Yol Bulucu Deneyi (APEX) teleskop kontrol odası.

COVID-19 kısıtlamaları, seyahat gecikmeleri ve kötü hava koşulları, onlar ve Ithaca’dan uzaktan çalışan bir Cornell ekibinin hedef galaksilerinden veri toplamak için yalnızca 12 saati daha vardı: Dünya’ya ulaşması 11,5 milyar yıl süren ışık.

Sanat ve Bilim Koleji’nde astronomi profesörü olan Stacey, “Kozmik zaman üzerinden yıldız oluşumuna bakıyoruz” dedi. “Yaptığımız her şeyin arkasında bu var.”

30 yıldan fazla bir süredir Stacey, yıldızların evrimi hakkında bilgi edinmek için dünya çapında teleskop kullanan araştırma ekiplerine liderlik ediyor. Örneğin birkaç yıl önce Stacey, en yüksek parlaklığa sahip gökadalardan bazılarının çarpışmalar yoluyla değil, kozmik ağdan malzeme birikimi yoluyla oluştuğunu doğruladı. Bu tür keşifler, teleskoplar ve daha fazla keşif için daha fazla zamana yol açar. Bu gece daha fazlasını öğrenmeye çalışıyorlardı ama fırsat penceresi kapanıyordu.

Gözlemler arasında bir mola veren Stacey, Ithaca ekibiyle Zoom üzerinden sohbet etti. Gözlem işini onu uyanık tutmaya yetecek kadar uyarıcı buluyor ve gecenin geri kalanında gitmeye hazırdı.

Ancak Cornell Astrofizik ve Gezegen Bilimi Merkezi ile araştırma görevlisi ve bu gezideki lojistik şefi Nikola, uyanık kalmak için kontrol odasında dolaştı.

Monitörden monitöre yürüyerek hava koşullarını ve teleskop gözlem modunu ve parametrelerini kontrol etti. Rakamları kontrol etmek onu uyanık tutar ve arada bir, bir keşif yapmak ile kusurlu veri toplamak arasındaki fark anlamına gelebilecek bir hatayı yakalamasını sağlar.

Günlerce nemli veya bulutlu koşullardan sonra -atmosferdeki az miktarda nem bile gözlem yapmak için kötüdür- APEX’in üzerindeki gökyüzü tamamen açık ve çok kuruydu. Ekip üyeleri, Big Bang’den sadece iki milyar yıl sonra oluşan iki galaksiyi aramak için dikkatlerini gökyüzüne çevirdi. Süreleri dolmadan hedeflerinden emisyon çizgisini tespit edebilirler mi?

‘Kozmik öğleden’ bol elementler

Stacey ve meslektaşları, 8 ila 12 milyar yıl önce “kozmik öğlen” olarak bilinen çağdaki galaksilerden gelen emisyonları, Cornell’de özel olarak yapılmış bir petrol varilinin boyutu ve şekli hakkında bir spektrometre olan ZEUS-2’yi kullanarak inceliyorlar.

Stacey, “Bol miktarda atom ve oksijen, karbon ve nitrojen iyonlarından gelen ince yapı çizgilerine bakıyoruz.” Dedi. “Bunlar, helyum ve hidrojenden sonra evrende en bol bulunan üçüncü, dördüncü ve yedinci elementler ve bize çok şey anlatıyorlar.”

Ekip, Big Bang’den nispeten kısa bir süre sonra doğan yıldızlarda bu temel elementlerin ne kadar bol olduğunu ölçerek, yıldızların galaksilerde nasıl oluştuğunu, galaksilerin nasıl geliştiğini ve bu uzak “kozmik öğlen” sırasında doğan yıldızların kendi genç yıldızımızla karşılaştırıldığında nasıl olduğunu öğreniyor. , sadece 4.6 milyar yaşında olan güneş.

Gezinin amacı, APEX teleskopuna ZEUS-2’yi kurmak ve ardından uzak galaksilerden iki kat iyonize oksijenden (O++) bir spektral çizgi ölçmekti. Oluşması için çok enerjik ultraviyole fotonlar gerektiren O++, sıcak kütleli yıldızların varlığına işaret ediyor ve araştırmacıların hem yıldızların nasıl oluştuğunu hem de erken evrendeki galaksilerdeki nesiller boyunca oksijenin oluşumunu izlemesine yardımcı oluyor.

11 milyar yıllık ışık ZEUS-2’ye ulaşmadan önce, ZEUS-2’nin APEX’e ulaşması gerekiyordu.

Teleskop 16.700 fit yüksekliğin üzerinde, ABD kıtasındaki en yüksek nokta olan Whitney Dağı’ndan yaklaşık 2.200 fit daha yüksekte; En iyi zamanlarda bile oraya bir enstrüman yerleştirmek zordur. Stacey ve Nikola, 16 Kasım’da San Pedro de Atacama’daki 8000 fit yükseklikteki APEX ana kampına vardıklarında, sınırlı oksijene alışabilmeleri için yalnızca birkaç saat çalışmalarına izin verildi. Ertesi gün teleskop sahasında çalışmaya başladılar ve APEX’e ZEUS-2’yi kurdular.

Nikola ve Stacey, ZEUS-2’yi 29 Kasım’da çalıştırıp çalıştırdıktan sonra, doktora öğrencileri Christopher Rooney, Catherine Ball ve Bo Peng, aletle test etmek, kalibre etmek ve gözlemlemek için yorulmadan çalıştılar. Araştırma görevlisi Ph.D. Amit Vishwas, “Çevrimiçi işbirliği araçlarıyla yapılan uzun Zoom toplantıları, aksi takdirde teleskopta dört veya beş kişilik bir ekip tarafından desteklenen bu ‘karma’ gözlem çalışmasını gerçekleştirmemize izin verdi,” dedi. eski ZEUS-2 doktora öğrencisi ve neredeyse Ithaca’dan çalışan ekibin bir üyesi.

Açık gökyüzü ve bir zaman hediyesi

İlk gece, 1 Aralık, gözlem için yeterince kuruydu. Stacey, “Yaklaşık dört saat boyunca iki farklı kaynağı gözlemleyerek cebimizde biraz bilim var” dedi.

Ancak APEX’te, gözlemleri bulanıklaştırmak için atmosferdeki çok az bir nem yeterlidir.

Gözlemler sırasında Ithaca’dan ZEUS-2’yi çalıştıran Rooney, iyi gözlem havasının tanımının, yer seviyesinden uzaya kadar tüm atmosferdeki tüm suyu toplarsanız ve sonra onu bir katman yapmak için kullanırsanız, anlamına geldiğini söyledi. Yerde su varsa, derinliği 1 milimetreden az olmalıdır. Çok iyi hava yarım milimetreden azdır.

7 Aralık’a kadar olan resmi gözlem sürelerinin geri kalanında, Şili’deki araştırmacılar susuz kalmak için her gün üç veya daha fazla litre su içse bile, atmosfer inatla nemli kaldı. Ekip, gökyüzünün ZEUS-2’nin daha fazla veri toplamasına yetecek kadar açık olup olmayacağını merak etti. Beklerken Stacey ve Nikola, Ithaca’da ekiple birlikte gözlem tatbikatı yaptılar. Ayrıca ZEUS-2’yi de kontrol ettiler ve yeniden kontrol ettiler – faydalı bir egzersiz, dedi Stacey, ancak yeni veriler getirmeyen bir egzersiz.

7 Aralık itibariyle, gözlem koşusu bir yıkama gibi görünmeye başlamıştı. Ana kampa zaten varan bir sonraki araştırmacı ekibine yer açmak için ertesi gün teleskoptan çıkmaları gerekiyordu.

Bu ekip, Stacey’nin ara sıra ortak yazarı, Avrupa Güney Gözlemevi’nde proje bilimcisi olan Carlos De Breuck tarafından yönetiliyordu. De Breuck ve ekibi, kontrol odasında ve ana kamp kafeteryasında Cornell astronomlarıyla sohbet ederken, Stacey ve Nikola’nın yaşadığı korkunç şansı fark ettiler. De Breuck, 12-13 Aralık tarihlerindeki çok önemli bir gece de dahil olmak üzere, ekibinin teleskoptaki zamanının bir kısmını onlara cömertçe teklif etti.

Stacey, “Şaşırdım ve çok memnun oldum” dedi. “Onlardan iyiydi.” Saat daha sonra De Breuck’a iade edilecek.

12-13 Aralık tarihlerinde, Atacama’nın üzerinde berrak gökyüzü ve teleskop ile ZEUS-2’nin kusursuz performansı ile ekip, teleskopu hedeflerine doğrulttu: büyük kütleli ve yüksek parlaklığa sahip iki gökada. Stacey, bu galaksilerin, evrendeki yıldız oluşumunun zirve döneminden hemen önce, “galaksi birleşimi çağı” sırasında var olduklarını söyledi.

Ekip, her iki gökadadan da beklenmedik şekilde zayıf O++ hattı emisyonu tespit etti; bu, yıldız oluşumunun, kozmik ağdan gaz birikmesinden ziyade iki gökada arasındaki çarpışmalar tarafından tetiklendiğine işaret ediyor. Bu tam olarak Şili’ye toplamak için geldikleri verilerdi.

APEX araştırmalarının son günleri, yoğun bir konsantrasyon ve az uykudan oluşan bir bulanıklık içinde geçti. Ithaca’daki ekip, 13 Aralık’ta güneş yükselirken ve Stacey ve Nikola, ZEUS-2’yi toplamak için dağ yolundan zirveye 90 dakikalık sürüş mesafesindeyken bile veri toplamaya devam etti.

Nikola, “Son gözlem ve kalibrasyonu yaptıkları anda, parçaları sökmeye başladık,” dedi.

Normalde, ZEUS-2’yi indirmek beş ila yedi gün sürer. Bu sefer sadece 36 saatleri vardı.

Onlar toplanmaya uğraşırken, Stacey APEX istasyon müdüründen bir telefon aldı: “Dün gece uyumadığınızı duydum,” dedi.

Stacey, uykusuz bir gözlem gecesinin ardından dik dağ yolundan yukarı çıkmayı düşünerek bir an için durakladı ve “Evet,” diye itiraf etti.

“Bu güvenli değil,” dedi müdür. “Seni aşağı indirmesi için birini gönderiyorum.”

Stacey bunu bir mikro saniye boyunca düşündü. “Teşekkürler” dedi. O ve Nikola, ZEUS-2’yi APEX’ten çıkarmanın kritik adımını güvenli bir şekilde tamamlamışlardı ve aşağı inerken uykuya dalma riskini almanın bir anlamı yoktu.

APEX ekibinin desteğiyle Cornell araştırmacıları, Atacama’nın ince, savrulan kumunu dışarıda tutmak için tamamen monte edilmiş ve plastiğe sarılmış enstrümanlarını APEX’te sakladılar ve Ithaca’ya uzun bir dönüşe başladılar.

ZEUS-2 uzun süre boşta kalmayacak. Gökbilimciler, Aralık ayına ait verilerini analiz ediyor ve dünyadaki çeşitli teleskoplarda daha fazla gözlem süresi için başvuruda bulunuyorlar. Yaklaşan diğer gözlemlerin yanı sıra, Stacey’nin grubu bu yaz APEX’e geri dönecek.

Stacey, “Bu koşu bir macera oldu,” dedi, “şimdiye kadar yaptığımız en zorlu gözlem koşularından biriydi.”