Karanlık çağın sırrı, 21cm çizgisi ortaya çıkabilir, kozmoloji uzun
Evren yüksek bir sesle başlamış olabilir ve yankı kaybolacak, bundan sonra kozmik senfoninin başlaması uzun zaman alacaktır. İlk nötr atomların oluştuğu kozmik mikrodalga arka planın (CMB) oluşumu ile ilk yıldızların oluşumu arasında, evrenin karanlığa gömülmesinin üzerinden 100 milyon yıl geçti. Şu ana kadar "Karanlık Çağ" hiç gözlemlenmedi, ancak bu durum yakında değişecek.
Karanlık Çağlar birçok acil soruyu yanıtlayabilir. Bu dönemde, evrenin kütlesinin çoğu hafif atomlar (esas olarak hidrojen) ve karanlık madde şeklinde var oldu. Atomlar yerçekiminin etkisi altında yavaşça toplandı ve sonunda ilk yıldızı tutuşturdu.
İlk yıldızın ortaya çıkmasından önce çok az astrofiziksel süreç vardı ve karanlık çağlarda hidrojenin dağılımı, yapıların oluşumu hakkında çok net bilgiler taşıyordu. Karanlık maddenin davranışı ve oluşan yapının boyutu ile ilgili detaylar bu hidrojen bulutlarında kodlanmıştır. Ama karanlığı nasıl görebiliriz?
Neyse ki, bu karanlık çağlar tamamen karanlık değil, çok sönük. O sırada, evreni dolduran hidrojen atomları sık sık çarpıştı ve bu da elektronların dönüşünü tersine çevirdi. Elektronun enerjisi çok az değişir ve enerji, elektronun spininin çekirdeğin spini ile hizalı olup olmamasına veya ters yöndeki noktalara bağlıdır. Bu çok küçük enerji farkına "aşırı ince bölme" denir. Hidrojen elektronunun dönüşünü hizalı durumdan anti-hizalı duruma çevirin, bu da çok düşük enerjili bir fotonun yayılmasına neden olur. Yüksek enerjili fotonlar kısa dalga boylarına ve düşük enerjili fotonlar uzun dalga boylarına sahip olduğundan, bu ultra ince geçiş 21 cm dalga boyuna sahip fotonlar üretecektir. Bu 21 cm'lik fotonların emisyonunu takip edebilirsek, hidrojenin dağılımını izleyebiliriz. Ancak 21 santimetre, yaklaşık 13 milyar yıl önce yayılan fotonların dalga boyudur.
O zamandan beri, evren önemli ölçüde genişledi ve fotonların dalga boyu da uzadı. Dalgaboyunun gerilme derecesi, karanlık çağların erken mi yoksa geç mi yayıldığına bağlıdır. Aynı zamanda, erken foton yaklaşık 1.000 kat gerildi ve bu da birkaç yüz metrelik mevcut dalga boyuyla sonuçlandı. Karanlık çağın sonunda yayılan fotonlar o kadar uzun gerilmez ve mevcut dalga boyları "sadece" birkaç metredir.
21 cm astronomiyle ilgili en heyecan verici şey, bize sadece belirli bir anın anlık görüntüsünü sağlamakla kalmıyor - tıpkı CMB gibi - aynı zamanda karanlık çağda farklı dönemleri sürekli haritalamamıza izin veriyor. Farklı dalga boylarındaki kırmızıya kaymış fotonları ölçerek, tüm zaman periyodunu gözlemleyebiliriz. Bu bize evrenin tarihine dair pek çok yeni fikir verecektir.
Resim: Soldaki resim, (ön planda) yıldızlar kaldırılmış olarak, evrenin karanlık çağının sonundaki kızılötesi ışığı göstermektedir. 21 santimetrelik gökbilim daha uzak yerleri tespit edebilecek. Sağdaki resim ön plandaki nesnedir. Kaynak: NASA / JPL Caltech / A. Kashlinsky (GSFC).
Karanlık Çağların nasıl sona erdiği ve ilk yıldızların nasıl oluştuğu hala belirsiz. Karanlık çağ, yoğun ultraviyole yıldız ışığının elektronlarını nötr hidrojenden tekrar ayırdığı yeniden iyonlaşma aşamasında sona erer. Bu yeniden iyonlaşmanın ilk yıldızdan gelen radyasyondan kaynaklandığı düşünülüyor, ancak sürecin ne kadar karmaşık olduğunu bilmiyoruz. İyonize hidrojen artık aşırı ince çizgiler yayamadığından, 21 cm astronomi iyonlaşma bölgesinin nasıl oluştuğunu ve erken yıldız cisimleri ve galaksiler arası ortam hakkındaki birçok davranışı ortaya çıkarabilir.
21 cm'lik astronomi, karanlık maddenin gizemini çözmeye de yardımcı olabilir. Karanlık madde kendi kendine duyurulursa, bu nötr hidrojenin dağılımını etkileyecektir ve nötr hidrojen, belirli karanlık madde modellerini kısıtlamak veya hariç tutmak için kullanılabilir.
Örnek: Evrendeki karanlık madde dağılımının üç boyutlu haritası. 21 cm'lik astronomi, bu yapıyı bu haritayı yapmak için kullanılan zayıf mercek teknolojisinden daha ince ve daha erken tespit etmemizi sağlayacak. Kaynak: NASA / ESA / Richard Massey (California Institute of Technology).
Genişleme modeli şu şekilde de araştırılabilir: 21 cm astronominin çizebileceği yapı dağılımı, kuantum dalgalanmalarının izlerini taşır. Bu dalgalanmalar, genişleyen alanın türüne ve potansiyel dağılımına bağlıdır. Bu nedenle, karanlık çağda zaten var olan yapısal ilişkiler, belirli genişleme türlerini ortadan kaldırıyor.
Belki de en heyecan verici şey, Karanlık Çağların bize yüksek yoğunluklu ve yüksek yerçekimine sahip tek boyutlu bir nesne olan kozmik sicime bir bakış vermesidir. Pek çok sicim fenomenolojisi modelinde, kozmik sicimler genişlemenin bitiminden ve karanlık çağın başlangıcından önce üretilebilir. Hidrojen bulutunu bükerek, kozmik dizi 21 cm'lik emisyon spektrumunda karakteristik bir sinyal bırakır.
Ancak bu dalga boyunda fotonları ölçmek kolay değildir. Samanyolu da, analiz edilmesi ve silinmesi gereken kaçınılmaz bir Samanyolu beklentisi yaratan bu tür radyasyon kaynaklarına sahiptir. Ek olarak, dünyanın atmosferi sinyali bozabilir ve bazı radyo yayınları ölçümü engelleyebilir. Bununla birlikte, gökbilimciler bu zorluğun üstesinden geldiler ve erken evrende 21 cm'lik bir sinyal arayan ilk teleskop kullanıma sunuldu.
Resim: Murchison Geniş Alan Dizisinde (MWA) bir modül. Kaynak: Dr. Natasha Hurley-Walker.
Düşük frekans dizisi (LOFAR), 2012'nin sonunda piyasaya sürüldü. Ana teleskopu Hollanda'da bulunur, ancak Avrupa'daki diğer 24 teleskoptan gelen verileri birleştirir ve 30 metrelik bir dalga boyuna karşı çok hassastır. Avustralya'nın Murchison Widefield Array (MWA) birkaç metre dalga boyuna duyarlıdır ve 2013 yılında veri toplamaya başlamıştır. 2025 yılında kilometrekare dizisinin tamamlanması planlanıyor. Avustralya ve Güney Afrika arasındaki bu ortak proje, dünyanın en büyük radyo teleskopu olacak.
Gökbilimcilerin ideali, dünya atmosferinin neden olduğu hataları tamamen ortadan kaldırmaktır. En iddialı planları, ayın uzak tarafına bir dizi teleskop yerleştirmektir. Ne yazık ki, bu fikir çok uzaktır - yetersiz fonlardan bahsetmiyorum bile.
Örnek: ESO / M. Kornmesser, CR7, evrendeki ilk yıldızın doğabileceği, yıldız grubu III'ün yerleşim yeri olduğu düşünülen ilk gökada.
Birkaç on yıl önce, kozmoloji hala veri eksikliği olan bir konuydu ve birçok insan bunun felsefeye bilimden daha yakın olduğunu düşünüyordu. Bugün, yüksek hassasiyetli ölçüme dayalı bir araştırma alanıdır ve verileri tüm elektromanyetik spektrumu kapsar. Bilim ve teknolojinin ilerlemesi ve evrenin tarihi hakkındaki anlayışımız şaşırtıcıydı, ancak daha yeni başladık. Sırada, çıkarılacak birçok bilginin olduğu "karanlık çağ" var.
Yazar: Sabine Hossenfelder
FY: Evet
İlgili herhangi bir içerik ihlali varsa, silmek için lütfen 30 gün içinde yazarla iletişime geçin
Lütfen yeniden basım için yetki alın ve bütünlüğü korumaya ve kaynağı belirtmeye dikkat edin
