Evrendeki devasa boşluk
EVRENIN EN GIZEMLI YERLERINDEN BIRINDE NE VAR?
Evrenin en gizemli yerlerinden birinde ne var?
“Eğer Samanyolu Çoban boşluğunun içinde yer alsaydı, evrende başka galaksiler olduğunu 60’lı yıllara kadar öğrenemezdik.” Bu alıntı, Amerikalı astronom Greg Aldering’in, 1995 yılında Discover dergisinde yayınlanan bir makalesinden. Aldering burada, evrenin, çok az yıldız veya galaksi içeren, kozmolojik olarak ölü bir bölgesinden bahsediyor.
Galaksiler yüzlerce yıldır teleskoplarla gözleniyor ve hatta Andromeda Galaksisi, Üçgen Galaksisi ve Macellan Bulutları insanlığın varlığından beri çıplak gözle görülebiliyor. Ancak bu durum, Çoban gibi kozmik bir boşluğun içinde olsaydık, modern gözlem araçları icat edilene kadar söz konusu olamazdı. Samanyolu, karanlık ve boş bir baloncuğun içinde bir anormallik olurdu. Ancak galaksimiz, başka galaksilerin de bulunduğu ve Yerel Grup adı verilen bir küme de yer alıyor.
Evrendeki ilk boşluk 1978 yılında iki ayrı takım tarafından keşfedildi: Arizona’daki Kitt Peak Ulusal Gözlemevinden bir ekip ve Estonya’daki Tartu Astrofizik Gözlemevinde bir ekip. 300 milyon ışıkyılı uzaklıkta bulunan ve beraberce Saç Süperkümesi olarak adlandırılan Abell 1656 ve Abell
1367 bölgelerini incelerken, galaksilerin bulunmadığı, sıra dışı bir yer fark ettiler.
Daha sonra, 1981’de Robert Krishner ve arkadaşları Çoban Takımyıldızı doğrultusunda, 700 milyon ışıkyılı uzakta bulunan galaksilerin olmadığı geniş bir bölge keşfettiler. Civardaki galaksilerin kırmızıya kayma değerine bakarak (galaksilerin evrenin genişlemesinden dolayı bize göre hızlarına bağlı olarak ışıklarının kırmızıya doğru kaymasının bir göstergesi), saniyede 1.500 kilometre hız civarlarında bir boşluk fark ettiler.
Detaylı çalışmalar bu değerleri saniyede 1200 ila 1900 kilometre olarak belirledi. Bu aralıktaki hızlara sahip çok az galaksi bulunuyor. Etrafındaki galaksilerle çevrili, 330 milyon ışıkyılı çapındaki neredeyse küresel boşluk, sonunda kendini gösterdi.
Çoban boşluğu, Samanyolu’nun 3.300 katı büyüklüğünde ve zaman zaman ‘süperboşluk’ olarak adlandırılıyor. Eğer tüm evren 1 metre boyutunda olsaydı, Çoban boşluğu 2,7 milimetre genişliğinde olurdu. Bu, kozmolojik anlamda devasa demek. 1997’ye kadar, boşluğun içinde bulunan 60 galaksi keşfedildi; bu sayı evrenin diğer bölgelerine göre 33 kat daha az. Çoban boşluğu tamamıyla boş değil ancak kesinlikle dolu da denemez.
Peki boşluklar evrenin diğer bölgelerinden farklı mı? “Boşluklar tam anlamıyla bomboş değil ancak bir tane bile hidrojen atomuna denk gelmeden milyonlarca ışıkyılı ilerleyebilirsiniz.” diyor, kozmolog, yazar ve bilim eğitimcisi Paul M. Sutter. “Fakat derinlere doğru indikçe, karanlık madde veya küçük cüce galaksiler gibi maddelere rastlıyoruz.
Bu, kümelerde ve filamentlerde bulunan madde ile aynı, sadece çok daha azı.”
Boşluklardaki galaksi oluşumları üzerine çalışan araştırmacılardan birisi ise Hollanda’daki Groningen Üniversitesinden Profesör Rien van de Weygaert. Weygaert “boşluklarda ön-galaksi oluşumunu sağlayan madde, civardaki filamentlere göre çok daha az.” diyor. “Boşluklar çok düşük yoğunluklu ve kütle buralardan sürekli dışarı doğru kaçıyor. Boşluklardaki
kütle yığınları sadece az değil, aynı zamanda evrimi boyunca daha fazla kütleyi çekemiyor.” Bu sonuç, Weygaert’in birçok çalışma arkadaşı ile beraber yaptığı simülasyonlarda ortaya çıkıyor. “Boşluklarda bulunan düşük kütle miktarı nedeniyle, kütle çekimsel çökme ve sıkışma çok daha yavaş gerçekleşiyor.” Ekip, boşluktaki galaksilerin yıldız oluşumu geçmişini araştırıyor. Böylece oluşumları ile ilgili daha iyi bilgiye sahip olabiliyorlar ve kozmolojik kaynakları ile ilgili net bilgilere ulaşıyorlar. Peki, bu boşluklar nasıl oluştu?
Elimizdeki en iyi teori, Büyük Patlama’daki şişme döneminde var olan kuantum dalgalanmalar ile ilgili. İlk 380 bin yılın sonunda evren atomaltı parçacıkların oluşturduğu sıcak ve yoğun bir plazma halinden, saydam bir hale geçiş yaptı; bu süreç rekombinasyon olarak adlandırılıyor. Evren daha az yoğun bir hale geçtikçe, parçacıkların atomları oluşturması mümkün hale geldi. Bu durum Büyük Patlama esnasında var olan dalgalanmaları olduğu şekliyle ‘dondurdu’. Evren genişlemeye devam ettikçe, yoğunluğun fazla olduğu bölgeler galaksilerin oluşum bölgeleri haline geldi, yoğunluğun az olduğu bölgelerde ise boşluklar oluştu. Çoban boşluğunun, küçük birçok boşluktan oluştuğu düşünülüyor. Aksi takdirde şu anki boyutuna sahip olamazdı. Bu durum başka boşlukların da olduğu anlamına mı geliyor?
Oxford Üniversitesinden Dr. David
Alonso, “Aslında birçok boşluk var; evren epeyce boş.” diye yanıtlıyor. Aslında, boşluklar gözlemlenebilir evrenin %70’ini oluşturuyor. Alonso ve ekibi Sloan Digital Sky Survey’in (SDSS) Baryon Salınımı
Tayf Taraması’nı (BOSS) ve ESA’nın Planck teleskobunu kullanarak, spesifik bir olguyu incelediler. BOSS kırmızı galaksilerin ve kuasarların dağılımını haritalandırdı. Planck uzay teleskobu, evrenin başlangıcından beri, genişlemeden dolayı tayfı mikrodalga bölgeye kadar kaymış olan kozmik mikrodalga arka alan ışınımını (CMB) gözlemledi.
Alonso’nun ekibi BOSS verilerini kullanarak 774 tane kozmik boşluğu haritalandırdı. Bu boşlukların hepsi güney yarımkürede olduğu için Çoban bunların arasında değil. Daha sonra elde ettikleri verileri Planck’dan alınan CMB verisinin üzerine yerleştirdiler. Ekip esasen SunyaexZel’dovich etkisi üzerine çalışıyor; yani
CMB fotonlarının galaksi kümelerindeki yüksek enerjili elektronlar tarafından katlandırılması durumu. Bu CMB’de kümelerin ve boşlukların yerini belli eden bir dağılım ortaya koyuyor. Boşluklara
“DERİNLERE DOĞRU İNDİKÇE, KARANLIK MADDE VEYA KÜÇÜK CÜCE GALAKSİLER GİBİ MADDELERE RASTLIYORUZ.”Paul
m. Sutter
denk gelen CMB gözlemsel verileri ile modellenmiş verileri kıyasladılar. Alonso, “Boşlukları kullanarak, ortalama gaz basıncını hesaplayabileceğimizi gördük, tabi bu ancak boşluklar yeteri kadar ‘boşsa’ geçerli olabilir.” diyor.
Boşluklardaki gazların beklenenden daha sıcak olduğuna dair işaretler var. Alonso, “Bunun en muhtemel sonucu ya verideki istatistiksel bir dalgalanma ya da boşluklardaki gaz basıncını veren modellerde küçük bir hata.” diyor ancak verilerin çok kesin olmadığını da vurguluyor. Bir diğer açıklama ise süper kütleli karadeliklerden yayılan enerji jetlerinin boşluktaki gazlardan bir sıcaklık artışı olarak gözlenebileceği. Bu gizem yakın bir zamanda çözülebilir. Alonso, Atacama Kozmoloji Teleskobu veya Simons Gözlemevinin CMB ile ilgili daha net görüntüler alacağını ve bunların DESI (Karanlık Enerji Tayfçekeri) gibi galaksi taramaları ile kullanılabileceğini belirtiyor.
Evrende olan biten birçok şey galaksi kümelerinde, süperkümelerde ve filamentlerde olmasına rağmen neden boşluklarda bazı cevaplar arıyoruz? Sutter “Boşluklar evrenin nihai zaman kapsülleri gibi.” diyor. “Kümelerden ve filamentlerden farklı olarak, geçen milyarlarca yılda çok az değiştiler. Böylece erken evrenin bir hatırasını saklamış oldular. Bu boşluklara bakarak evrenin erken dönemlerini daha iyi anlayabiliriz.” Yani, evrenin evrimini incelemek isteyen kozmologlar için boşluklar en ideal arkeolojik alanlar gibi. Bu boşluklar kozmolojinin gizemlerini açıklamamızı sağlayabilir. “Boşluklar evrenin genişlemesinin hızlanmasını sağlayan karanlık enerji açısından en baskın olan bölgeler. Bu bölgelerin nasıl evrimleştiğine bakarak hızlanmanın etkilerini daha iyi
gözlemleyebiliriz.” Sutter boşlukları sayarak karanlık enerjiyi tarayan bir takımın parçası.
Bu yöntemle karanlık enerjiyi çalıştığınızda, Büyük Patlama modellerini test edebilirsiniz. Evrenin şu an için kabul edilen modeli LCDM, yani Lamda soğuk karanlık madde. Weygaert bu konuda şunları söylüyor: “LCDM evrendeki yapıların ortaya çıkması açısında hiyerarşik bir model. Oluşan ilk cisimler düşük kütlelere sahip. Bunlar daha sonra birleşerek daha büyük kütleleri oluşturuyorlar. Bu süreçte oluşan düşük kütleli cisimlerin bolluğunu daha büyük cisimler ile kıyasladığımızda, düşük kütlelere doğru bir sapma görüyoruz. Büyük kütleli galaksilerden çok daha fazla küçük kütleli galaksi mevcut.
İtalya’daki Uluslararası Gelişmiş Araştırmalar Okulundan Pauline Vielzuf ve Instituto de Astrofísica de Canarias’dan Andras Kovács, boşluklardaki kütle çekimsel merceklenme işaretlerini arayan büyük bir uluslararası ekibin yürütücülüğünü yapıyorlar. Kütle çekimsel merceklenme, Einstein’ın genel görelilik teorisinin bir sonucu ve büyük kütlelerin, civarındaki ışığı bükerek bir mercek gibi davranabileceğini belirtiyor. Ekip Karanlık Enerji Taraması (DES) verilerini kullanarak boşlukları tespit etti ve bu verileri Planck teleskobundan alınan veriler ile birleştirdi. Çok iyi gözlem verileri almak zor, bu nedenle ekip ölçümleri kalibre ve optimize edebilmek için süper bilgisayar simülasyonları kullandı. Ortaya çıkan şekil ve boşluk merceklenme sinyallerinin genliği, ekibe gerçek ölçümler için fikir vermiş oldu. Ekip boşluklardaki merceklenme etkisinin,
evrenin ortalamasına göre daha az galaksi bulunan iç kısımlarında en güçlü olduğunu ortaya çıkardı. Sinyalin gücü boşluğun dışına azaldı ancak galaksi yoğunluğu olan bölgelerde farklılık gösterdi. Ekip çalışma ile ilgili şunları yazdı: “Boşlukların içinden kaçan galaksilerin bulunduğu bir halka etrafında pozitif bir merceklenme etkisi bekleniyor. Merceklenme profilindeki bu karakteristik DES sinyalleri ile simülasyonların karşılaştırılmasından ortaya çıkan genlik ve şekli anlamamıza yardımcı oldu.”
Peki bu sonuç bize boşlukların yapısı ile ilgili ne söylüyor? Burada karanlık madde ile karanlık enerji arasındaki farklılıklar önemli hale geliyor. Görünmeyen ve doğası bilinmeyen bir madde türü olan karanlık madde, sadece kütle çekimi ile etkileşimi sayesinde tespit edilebiliyor. Daha da gizemli olan karanlık enerji ise evrenin genişlemesini hızlandırıyor. Kovács boşlukların avantajının tam olarak bu noktada ortaya çıktığını söylüyor.
“LCDM modelinin herhangi bir şekli yok ve zamanla değişmiyor.” Bu Sutter’ın boşlukların karanlık enerjiyi gözlemlemek için en iyi yerler olduğu yorumu ile uyumlu. Bunun nedeni hem karanlık hem de görünür maddenin boşluklarda az miktarda bulunması.
Vielzeuf ve Kovács’a göre araştırmanın başka bir nedeni vardı: “DES analizlerimizin arkasındaki en büyük motivasyon, en büyük boşlukların CMB sıcaklık dağılımlarında beklenenden daha fazla belirtilere sahip olmasıydı; bu durum Standart Model’e karşı ve dolayısıyla yeni alternatif açıklamalar olması gerektiğini gösteriyor.” Bu alternatiflerin bazıları modifiye kütle çekimi teorilerini içerebilir. Ekibin ortaya koyduğu gibi, kullanılan veriler bu sonucu ortaya koymasa da ortada bir gizem olduğuna dair işaretler gösteriyor. “Ölçtüğümüz merceklenme sinyalleri Standart Model ile uyumluydu, bu uygun olmayan göstergeleri eliyor ancak açıklayamıyor.”
Bu konu üzerinde daha fazla çalışma gerekli. İkili, “Farklı boşluk türlerini yarıçaplarına göre incelemek ve merceklenme sinyallerinin kırmızıya kaymaya bağlı evrimini anlamak için daha fazla veri gerekli. Bu noktada, DES ekibi ile yeni veri setleri üzerine çalışmaya devam ediyoruz.” açıklamasını yapıyor. Onlarla birlikte bu analizler üzerinde çalışan PhD öğrencisi, daha öncekine kıyasla 3 kat fazla veri üzerinden çalışıyor ve kozmik boşlukların farklı türlerini kıyaslıyor: “Euclid Konsorsiyumu ile çalışıyor ve uzak boşluklardan gelen merceklenme sinyallerini modelliyoruz.” Euclid, 2022 yılında fırlatılması planlanan ve evrenin genişlemesi üzerine çalışacak olan bir ESA uzay aracı.
Bu tür teknikler Çoban gibi boşluklara uygulanabilir mi? İkili bu noktada biraz çekinceli. “Çok büyük boşluklardaki ve yoğun kümelerdeki merceklenme etkilerini incelemek için büyüyen bir ilgi olsa da bu türden ölçümler aşırı büyük gürültü seviyeleri nedeniyle zor.” Ekip kendi çalışmasında CMB merceklenme haritasını istatistiksel olarak analiz edebilmek için yüzlerce boşluğu kullandı ve sonunda güçlü bir sinyal bulabildi.
Çoban boşluğu üzerine bir çalışma büyük sayıda kuzey gökyüzü boşlukları içermeli ki bu gelecekte mutlaka yapılacak olan bir şey. Sutter, Weygaert ve diğerleri, Vera Rubin Teleskobu, Euclid, Nancy Grace Roman Teleskobu ve Kilometrekarelik Dizge ile gelecek gözlemlerini sürdürmeyi planlıyor. Sutter’ın söylediği gibi: “Boşluklarla ilgili daha yapılacak çok şey var.”