Evrenin altında yatan madde, kozmologlar tarafından kozmik mikrodalga arka planından elde edilen ikincil parmak izleri kullanılarak haritalandırılıyor.
Genç kozmosun ilkel plazması, Büyük Patlama’dan yaklaşık 400.000 yıl sonra ilk atomların oluşması için yeterince soğumuş ve gömülü radyasyonun serbestçe uçması için alan yaratmıştır. Kozmik mikrodalga arka plan (CMB) ışığı gökyüzünde her yöne doğru akmaya devam ederek, özel teleskoplar tarafından yakalanan ve hatta eski katot ışınlı televizyonlarda statik olarak görülen erken evrenin bir görüntüsünü yayınlar.
Kozmik mikrodalga arka plan ışıması
1965’te CMB radyasyonunun keşfinin ardından araştırmacılar, evrenin sadece köpüklü bir plazma olduğu zamanki kesin durumunu ortaya çıkaran küçük sıcaklık değişimlerini dikkatle izlediler. Evren olgunlaştıkça milyarlarca yıl içinde gelişen devasa yapıları kaydetmek için araştırmacılar şimdi CMB verilerini yeniden kullanıyorlar.
SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı kozmologu Kimmy Wu, “Bu ışık evrenin tarihinin önemli bir bölümünü deneyimledi ve nasıl değiştiğini görerek farklı dönemler hakkında bilgi edinebiliriz.
CMB’den gelen ışık, yaklaşık 14 milyar yıllık yolculuğu boyunca yolundaki tüm madde tarafından gerildi, sıkıştırıldı ve büküldü.
Kozmologlar, CMB ışığındaki birincil değişimlere ek olarak galaksiler ve diğer kozmik yapılarla etkileşimler sonucu ortaya çıkan ikincil izleri de incelemeye başlıyor. Bu sinyaller sayesinde hem atomlardan oluşan her şey olan sıradan maddenin hem de esrarengiz karanlık maddenin dağılımı hakkında daha net bir resim elde ediyorlar. Bu tür keşifler de yeni kozmik soruların hem çözülmesine hem de ortaya atılmasına yardımcı oluyor.
“CMB’nin evrenin başlangıç koşullarından daha fazlası hakkında bilgi sağladığını anlamaya başladık. SLAC kozmoloğu Emmanuel Schaan’a göre, ayrıca galaksilerin kendileri hakkında da bilgi sağlıyor. Ve bu gerçekten etkili olduğunu kanıtlıyor.
Gölgelerin Bilinmeyen Dünyası
Galaksilerin altında yatan kütlenin çoğu, yıldızların yaydığı ışığı takip eden standart optik araştırmalar tarafından gözden kaçırılmaktadır. Bunun nedeni, evrenin toplam maddesinin büyük çoğunluğunun karanlık madde kümeleri veya galaksileri birbirine bağlayan dağınık iyonize gaz şeklinde gözlemevlerinden gizlenmiş olmasıdır. Bununla birlikte, gelen CMB ışığının amplifikasyonu ve tonu, hem karanlık maddeden hem de dağınık gazdan kaynaklanan fark edilebilir etkiler sergiler.
Schaan’a göre, galaksiler kozmostaki ana aktörler iken, CMB arka ışık olarak hizmet ediyor.
CMB’den gelen ışık parçacıkları veya fotonlar galaksiler arasındaki gazdaki elektronlardan saçıldıkça daha yüksek enerji elde edilir. Buna ek olarak, eğer bu galaksiler genişleyen evrene göre hareket ediyorsa, CMB fotonları kümenin nasıl hareket ettiğine bağlı olarak yukarı ya da aşağı olabilen ikinci bir enerji kaymasına uğrar.
Termal ve kinematik etkiler olarak da bilinen Sunyaev-Zeldovich (SZ) etkileri ilk olarak 1960’ların sonlarında tahmin edilmiş ve son on yılda daha kesin olarak görülmüştür. Bilim insanları, CMB fotoğraflarından çıkarılabilen SZ etkilerinin birleşik sinyali sayesinde evrendeki tüm sıradan şeylerin konumunu ve sıcaklığını haritalayabilirler.
CMB ışığının yolu, zayıf kütleçekimsel merceklenme olarak bilinen üçüncü bir fenomen nedeniyle büyük nesnelerden geçerken çarpıtılır ve bu da CMB’nin bir şarap kadehinin tabanından görülüyormuş gibi görünmesine neden olur. Mercekleme, SZ etkilerinin aksine, karanlık olsun ya da olmasın tüm maddelere karşı duyarlıdır.
Bu etkiler birleştirildiğinde kozmologlar aydınlık ve karanlık maddeyi ayırt edebilirler. Daha sonra, kozmik mesafeleri hesaplamak ve hatta yıldız oluşumunu izlemek için, araştırmacılar bu haritaları galaksi araştırmalarından elde edilen görüntülerle üst üste bindirebilirler.
Schaan ve Stefania Amodeo liderliğindeki bir ekip, bu stratejiyi 2021’de yayınlanan tamamlayıcı yayınlarda kullandı. Yer tabanlı Atacama Kozmoloji Teleskobu ve Avrupa Uzay Ajansı’nın Planck uzay aracı tarafından üretilen CMB görüntülerini, yaklaşık 500.000 galaksinin ek optik araştırmalarıyla karşılaştırdılar. Bu yaklaşım sayesinde ışık ve karanlık maddenin hizalanmasını ölçmeyi başardılar.
Araştırma, birçok modelin öne sürdüğünün aksine, bölgedeki gazın destekleyici karanlık madde ağına o kadar da sıkı sarılmadığını ortaya koydu. Bunun yerine araştırma, gazın süpernova patlamaları ve süper kütleli kara delikler tarafından karanlık madde düğümlerinden uzaklaştırıldığını ve geleneksel gözlemevlerinin tespit edemeyeceği kadar ince ve soğuk olana kadar yayıldığını öne sürüyor.
Bilim insanları, CMB gölgelerindeki dağınık gazı keşfetmeleri sayesinde kayıp baryonlar ikilemini çözme konusunda ilerleme kaydettiler. Sonuç olarak, bilim insanları artık galaksi evrimi modellerini ve dağılım patlamalarının gücü ve sıcaklığı için tahminler kullanarak kozmosun büyük ölçekli yapısını geliştirebilirler.
Mevcut evrende maddenin gözlemlenen dağılımı, teorinin öngördüğünden daha düzgündür ve bu da son yıllarda kozmologların kafasını karıştırmıştır. Colin Hill’e göre, eğer galaksiler arası gazı geri dönüştüren patlamalar, Schaan, Amodeo ve diğerlerinin son araştırmalarının ima ettiği gibi, bilim insanlarının düşündüğünden daha enerjikse, bu, maddenin evrende daha düzgün bir şekilde dağılmasının nedeninin bir parçası olabilir.
Hill ve Atacama Kozmoloji Teleskobu’ndaki çalışma arkadaşları, önümüzdeki aylarda hem gökyüzü kapsamı hem de hassasiyette gözle görülür bir iyileşme ile CMB gölgelerinin güncellenmiş bir haritasını sunmayı planlıyor.
Hill’e göre bu haritanın yapabileceklerinin sadece yüzeyine dokunmaya başladık. “Bu, önceki teknolojilerin üzerinde muazzam bir ilerleme. Bunun gerçek olduğuna inanmak zor.
Evrenin kökenini, yapısını ve şeklini anlamak için ana çerçeve olarak hizmet eden kozmolojinin standart modeli, büyük ölçüde CMB sayesinde kurulmuştur. Ancak, CMB arka ışık araştırmaları şimdi bu iddiayı zayıflatmak için bir tehdit oluşturuyor.
Max Planck Astrofizik Enstitüsü’nde bir kozmolog olan Eiichiro Komatsu, 2001-2010 yılları arasında CMB’nin haritasını çıkaran Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Sondası’nın bir üyesi olarak teoriyi geliştirmek için çalıştı. Komatsu, “Bu paradigma, yakın zamana kadar hassas ölçümlerin testinden gerçekten sağ çıktı” dedi. Yazar, “Yeni bir evren modeli bir yol ayrımında olabilir” diyor.
Komatsu ve meslektaşları son iki yıldır gölge tiyatrosu sahnesinde yeni bir karakterin ipuçlarını araştırıyorlar. Geleneksel kozmoloji modelinin dalgaların evrenden geçişi boyunca sabit kalması gerektiğini öngördüğü CMB ışık dalgalarının polarizasyonu ya da yönelimi sinyali sergiliyor.
Ancak kutuplaşma, Sean Carroll ve meslektaşlarının otuz yıl önce öngördüğü gibi karanlık madde, karanlık enerji ya da tamamen yeni bir parçacık alanı tarafından döndürülüyor olabilir. Böyle bir alan ışığın net polarizasyonunu döndürecek ve çeşitli polarizasyonlara sahip fotonların farklı hızlarda hareket etmesine izin verecektir – LCD panellere güç verenler de dahil olmak üzere çeşitli kristaller tarafından paylaşılan ve “çift kırılma” olarak bilinen bir özellik. Komatsu’nun ekibi tarafından 2020 yılında CMB’nin kutuplaşmasında yaklaşık 0,35 derecelik bir dönme keşfedildi. Önceki yıl yayınlanan bir takip çalışması, bu ilk bulguyu geliştirdi.
Kutuplaşma çalışması ya da galaksilerin dağılımıyla ilgili başka bir sonuç doğrulanırsa, evrenin her yönden tüm gözlemcilere aynı görünmediği ortaya çıkacaktır. Her iki sonuç da Hill ve diğer birçok kişi için ilgi çekici ancak henüz kesin değil. Bu ipuçlarını incelemek ve olası karıştırıcı faktörleri elemek için takip araştırmaları yapılmaktadır. Hatta bazıları farklı gölgeleri daha detaylı incelemek için özel bir “arka ışık astronomisi” uzay aracı inşa etmeyi bile önerdi.
Komatsu’ya göre insanlar kozmolojinin beş ila on yıl önce bittiğine inanıyordu. “Şu anda bu durum değişiyor. Bizim için yeni bir çağ başlıyor.
Kaynak: quantamagazine.org / Zack Savitsky
