İLK IŞIĞIN İZİNDE – EVRENİN KARANLIK ÇAĞI

Biz geldiğimizde milyonlarca, milyarlarca yıldız, gezegen, galaksi doğmuş, büyümüş ve yok olmuştu bile. Belki de içlerinde sayısız yaşam formu ile birlikte. Biz geldiğimizde evren 13.5 milyar yıldan fazladır yaşıyordu zaten. Ama onun da bir doğum süreci olmuştu. Ortamda hiçbir şeyin olmadığı, yani bildiğimiz maddenin zerresinin dahi olmadığı bir dönemi. Kozmik Karanlık Çağ dediğimiz bir dönem. Astronomideki en büyük problem tabi ki incelemeye, anlamaya çalıştığımız şeylerin aklın almayacağı uzaklıklarda olmasıdır. Daha birkaç on yıl önce gönderdiğimiz Voyager 2 mesela şu anda ışık hızı ile 17 saatin üzeri bir uzaklıkta. Ona ulaşmamız bile şu şartlarda çok çok zor. Milyarlarca ışık yılı uzaklıktaki galaksiler veya gök cisimleri o nedenle çok büyük bir meydan okuma. Ama bunun iyi bir tarafı da var.

Onun ötesinde ne bulurduk? Hiçbir şey. Karanlık. Zira ilk atomun oluşumundan ilk yıldızın doğumu arasında evrende herhangi bir ışık kaynağı bulunmuyordu. O nedenle bu dönem ile ilgili çok fazla bilgi veya tartışmayla karşılaşmayız. Yani. Görmediğimiz bir şey hakkında nasıl konuşalım ki. Değil mi? Ama kendimizi hiç de hafife almayalım. İnsanlık tahminimizden çok çok daha zeki.

Peki. Yıldızlar öncesi bu dönem hakkında ne biliyoruz? Bu dönem. Yani karanlık çağ yeniden birleşme olarak bildiğimiz bir dönem ile başlar. Bu dönem öncesinde evren elektronları bir nevi sökülmüş olan hidrojen ve helyum atomları ile doluydu. Elektronları sökülmüş derken de bunu iyonlaşmış olarak biliyoruz. Bunun nedeni de bu atomların büyük patlamadan kalan inanılmaz ısıya maruz kalmasıdır. Çok yüksek ısılarda atomların elektronları yörüngelerinde duramaz, serbest kalırlar.

400.000 yıllık bir genişleme sonrasında ise haliyle her şey yeterince soğumaya başlamış ve atom çekirdekleri elektronlarına tekrar kavuşmaya başlamış ve ilk atomlar da oluşmaya başlamıştı. Evren artık ilk defa şeffaflaşmış, bir şeyler görülmeye başlamıştı. İşte biz de bu noktada ortaya çıkan ilk ışığı görmeye başlıyoruz. Bunu da kozmik mikrodalga arkaplan ışıması olarak biliyoruz. Görebildiğimiz en eski ışık…

Ama yeni bir ışık oluşması için daha çook uzun bir süre gerekecekti. Zira karanlık çağ başlamıştı artık. Bunun nedeni de aslında ortada yeni ışık yaratacak bir kaynak yoktu ve evren de kendisini dolduran atomik ve moleküler hidrojen ve helyum sisi ile kaplanmıştı. Bu sisten doğacak ilk yıldızlar asıl ışık kaynağımız olacaktı. Ve bu yıldızlar da kalan sis ve pusu yakıp evrende yeniden iyonlaşma dönemini başlatacaktı. Yani en azından böyle olduğunu düşünüyoruz. Hep aynı soru değil mi? Nereden biliyoruz ki? Geleceğiz ona da. Ama. Tahminlere göre yeniden birleşme başlangıcından 150 milyon yıl kadar sonra yoğun gaz bulutu kendi kütleçekimi altında çökmeye başlayınca ilk yıldızlar oluşmaya başladı.

Ama bu yıldızlar o kadar büyüktü ki. Devasa. İnanılmaz büyüklükteki yıldızlardı bunlar. Zira o zamanlar başka element yoktu. Yani periyodik cetveldeki daha ağır elementler daha ortada olmadığı için helyum ve hidrojen ile devasa boyutlara ulaşabiliyordu yıldızlar. Zaten bu yıldızlar da daha sonra bu elementler için bir fabrika görevi görmeye başlayacaktı. Bu çok büyük ve çok çok sıcak yıldızlar çevresindeki gaz bulutuna çok güçlü kızılötesi ışınlar yolluyor ve buradaki atomların elektronlarını tekrar serbest bırakıyorlardı. Sonra zaten çabucak dev süpernovalar şeklinde yok oluyorlar ve bununla evrene daha ağır elementleri saçıyor ve ikinci nesil yıldızların doğumu için gerekli malzemeyi bırakıyorlardı. Ne kadar onurlu bir ölüm değil mi?

Bu ortamda gelişen ilkel galaksiler ise müthiş bir hızla yıldızlar üretmeye başladılar ve bu galaksiler çevresinde kızılötesi ışınlarla hidrojen yandığı için iyonize plazma baloncukları belirmeye başladı. Artık karanlık çağlar yavaş yavaş sona ermeye başlamış ve evren özellikle hidrojen atomlarının elektronlarına tekrar kavuştuğu yeni bir yeniden iyonlaşma çağına girmişti. Bu iyonlaşmış baloncuklar büyüyüp, birbiri ile birleşip sonunda evreni tekrar iyonlaştırması milyarlarca yıl sürecekti. Tüm bunlar bu arada evren genişlerken gerçekleşiyordu. Karanlık çağların başlangıcında evren şu anki boyutunun 100’de 1’i kadardı. Yeniden iyonlaşma başlamadan 100 kat kadar büyümüş ve o günden bu yana kadar da bir 10 kat daha büyümüştür. Hikaye bu şekilde. Ancak soru hala havada. Tüm bunları nereden biliyoruz.

Öncelikle. Bu dönemden kalan, özellikle evren henüz 400 milyon yaşındayken oluşan biri dahil olmak üzere parlayan galaksileri görebiliyoruz. Ancak en önemli kanıt bize ulaşan ışıklar değil. Ulaşmayan ışıklar. Evrenin ilk çağlarındaki hidrojen çoğunlukla şeffaftı fakat özellikle belirli ışıkları engelleyebiliyordu. Hidrojen atomundaki elektron enerjisi ile aynı enerjiye sahip tüm fotonlar yakalanıyordu. Özellikle iki tür foton tehlike altındaydı. Bir durumda bu fotonların emilimi karanlık çağların sonunu işaret ediyor, diğerinde ise yeniden iyonlaşma çağının sonunu.

Biraz teknik konuşmak gerekirse.

Soğuk hidrojen gazındaki elektronlar spin yönünü değiştirdiğinde 21 cm dalga boyuna sahip bir radyo fotonu çıkarır veya emer. İlk yıldızlar doğduğunda çevresindeki gazı ısıtmış ve gönderdiğinden daha çok 21 cm’lik ışıma emmeye başlamıştı. Bu da kozmik mikrodalga arkaplan ışıması spektrumunda bir düşüşe neden olmuştu. Emilen dalga boyu ise evrenin genişlemesi ile birlikte kırmızıya kaymış yani dalga boyu genişlemişti. Bu kaymanın, genişlemenin miktarı ise ilk yıldızların tam olarak ne zaman oluştuğunu söylüyor. Çünkü fotonların emilimini başlatan da tam bu yıldızlardı. Büyük patlamadan 150 milyon yıl kadar sonra oluşmuş ve karanlık çağlarda kaybolmuşlardı. Başka bir foton ise yeniden iyonlaşma döneminin nasıl ilerlediğini anlatıyor bize. Bunu anlamak içinse kuasarlardan bir bahsetmek gerekiyor. İlk yıldızları hatırlayın. Devasa yıldızlar. Atomların elektronları ile kavuşmasını başlatmaktan öte ilk elementleri de oluşturmuşlardı hani. Bu tip yıldızlar da haliyle patladıklarında arkalarında kara delikler bırakıyorlar.

Bu kara delikler de doğduklarında kendilerini gaz zengini galaksilerin içinde buldular. Yediler. Yediler ve birbirleri ile birleştiler. Daha da büyüdüler. Ve karşımızda ilk süper kütleli kara delikler duruyordu. Güneşimizden milyarlarca kat kütleli dev canavarlar. Bu yemeğin sonunda aşırı ısınmış bir plazma ile çevrili bu kara delikler ilk kuazarlara yakıt oldular. Trilyonlarca güneş parlaklığında parlamaya başladılar. Ama maalesef en iyi teleskoplarımız bile bunları yakalamak konusunda çok kötülerdi. James Webb işte bunu değiştirebilir. Neyse. Ama yine de çok çok uzaklarda böyle kırmızı noktalar şeklinde görüyoruz bunları. Bu kuazarlardan gelen ışıklar da kozmik karanlık çağlardan kalan hidrojen kalıntılarından geçerek bize ulaştılar.

Bu gaz imzasını bırakmıştı. İşte ikinci tür fotonumuz, Lyman-alpha fotonu olarak bildiğimiz ve tam olarak 121.57 nanometre dalga boyuna sahip fotonumuz hidrojen elektronu temel ve ikinci orbital arasında zıpladığında emilir ya da gönderilir. Hidrojen gazı da bu fotonu çok sever. Yani olan şuydu. Yeniden iyonlaşma çağından parlayan bir kuazardan çıkan bu foton yola çıktıktan sonra dalga boyu evrenin genişlemesi ile genişlediği için bu gazdan kurtulur. Daha dar dalgaboyunda olanlar ise biraz genişleyerek tehlike bölgesine girer ve yakalanır.

Diğer dalga boyundakiler ise işte o kadar yol kat edip bize ulaşır. Ama evren genişlemektedir hala. Birçok foton bu süreçte karanlık çağdan kalan kalıntılara yakalanmış olur ve en enerjili morötesi fotonlar artık orada kalmıştır.

Tüm bu fotonların dalga boyunu karşısına koyduğunda bilim insanları belirli bir aralığa sahip fotonların yalnızca evrenin ilk çağlarına ait kuazarlara ait olduğunu anlıyorlar. İnsanlığın tahminimizden çok daha zeki olduğunu, kendimize haksızlık etmememiz gerektiğini söylemiştim değil mi? Yani kozmik arkaplan ışımasından kalan ışık bize karanlık çağın nasıl sona erdiğini ve ilk kuazarlardan gelen ışık ise bize yeniden iyonlaşmanın son aşamalarını gösteriyor.

Sırada ise yepyeni teleskoplarımızla, özellikle dün fırlattığımız James Webb ile bu dönemden kalan diğer dalga boyundaki fotonları yakalayarak bu dönemin tam bir haritasını çıkarmak, büyük patlamanın hemen sonrasındaki ortamın bir fotoğrafını çekmek olacak. Bunun ne tür büyük bir olay olduğunu ise anlatmama gerek yok. Bildiğimiz her şeyi değiştirecek, yeniden yazacak bulgular olacak bunlar.

Kaynaklar:

https://astronomy.com/magazine/news/2021/01/the-beginning-to-the-end-of-the-universe-the-cosmic-dark-ages

https://www.nature.com/articles/d41586-019-03893-7