Samanyolu Galaksisi'nin Yeni Tarihi: Geçtiğimiz Yıllarda Astronomlar Galaksimizin Hikayesini Yeniden Yazdı!

Sahra Altı Afrika’daki Khoisan kabilesinin avcıları yıldızlı gökyüzüne baktıklarında bir kamp ateşinin küllerini, Polinezyalı denizciler benzer şekilde bulut yiyen bir köpek balığını ve Antik Yunanlılar da akan bir süt nehrini, yani "gala"yı, günümüzde "galaksi" olarak tanımladığımız oluşumu gözlemlemişlerdi.

20. yüzyılda gökbilimciler; galaksimizin, muazzam büyüklükteki bir yıldız adasının sadece bir parçası olduğunu keşfettiler ve galaksimizin kökeni hakkında fikirler ileri sürmeye başladılar. En basit deyişle gökbilimciler, Samanyolu Galaksisi’nin yaklaşık 14 milyar yıl önce devasa büyüklükteki gaz ve toz bulutlarının yerçekimi kuvveti altında birleşmesiyle oluştuğunu düşündüler. Zamanla bu oluşum için iki ana model ortaya atıldı: Geniş, küresel bir "hale" ve yoğun, parlak bir "yörünge". Bundan milyarlarca yıl sonra Güneş bu yörüngelerin içerisinde dönmeye başladı. Geceleri gökyüzüne baktığımızda akan yıldızları yani Samanyolu Galaksisi’nin yörüngelerinin yan perspektifini gözlemleyebiliyoruz.

Yine de son iki yılda araştırmacılar, galaksimizin tarihinin neredeyse her ana bölümünü yeniden yazdılar ve neler yaşandığına dair çok daha net veriler elde ettiler.

Quanta Magazine

25 Nisan 2018’de; Gaia isimli Avrupalı bir uzay aracı, gökyüzü hakkında dünyaya şaşırtıcı miktarda bilgi gönderdi. Görev süresi boyunca yaklaşık olarak bir milyar yıldızın ayrıntılı hareketlerini gözlemledi. Önceki çalışmalarda kullanılan uzay araçları, yalnızca binlerce yıldızı gözlemleyebilmişti. Gönderilen bu veriler, galaksinin bilinmeyen yönleri hakkında bizlere halen ışık tutmaya devam ediyor. Strasbourg Astronomik Gözlemevi’nde bir gökbilimci olan Federico Sestito, Gaia’nın yeni bir çağ başlattığını düşünüyor.

Gökbilimciler arasında, dinamik bir yıldız haritası oluşturabilmek için bir rekabet ortamı ortaya çıktı ve bunu bir keşif telaşı takip etti. Yörüngenin inanılmaz derecede eski görünen kalıntıları keşfedildi. Ayrıca Samanyolu Galaksisi’nin oldukça hareketli oluşum sürecini şekillendiren, büyük çaplı patlamalara dair kanıtlar ve beklenmedik şekilde patlamaların devam ettiğine dair bulgular da elde edildi. Birlikte ele alındığında bu bulgular, galaksimizin hareketli geçmişi ve sürekli gelişmeye devam eden geleceği hakkında yeni görüşler ortaya çıkardı. Edinburgh Üniversitesi gökbilimcilerinden Michael Petersen’in düşüncelerine göre Samanyolu Galaksisi hakkındaki fikirlerimiz son yıllarda kökten değişti. Galaksimiz durgun bir nesne değildir, aksine her şey sürekli değişim halindedir.

Quanta Magazine

İlk Yıldız Oluşumları

Galaksi oluşumunun ilk zamanlarını anlayabilmek için gökbilimciler o günlerdeki yıldızların yapısını araştırıyorlar. Bu yıldızlar kozmosun ham maddeleri olan helyum ve hidrojenden oluşuyordu. Şanslıyız ki küçük yıldızların ömürleri gözlem yapma şansı tanıyacak kadar uzun.

Onlarca yıl süren araştırmalardan sonra gökbilimciler, bu tür ultra metalce fakir yıldızlar olarak bilinen 42 yıldızın haritasını çıkardılar. (Gökbilimciler için helyumdan daha büyük herhangi bir atom metalik olarak nitelendirilir.) Samanyolu Galaksisi’nin yaygın bilinen geçmişine göre bu yıldızlar, galaksinin oluşacak ilk kısmı olan hale boyunca kümelenmiş olmalıdır. Buna zıt olarak kendilerini bulunmaları gereken yörüngeye sokmaları yaklaşık bir milyar yıl kadar süren yıldızlar, karbon ve oksijen gibi ağır elementler içermelidir.

Quanta Magazine

2017 yılının sonlarında Sestito, Gaia’dan gelen sonuçlar ışığında metalce fakir yıldız kümelerinin davranışlarını anlamak için bir bilgisayar programı geliştirmeye başladı. Sestito’ya göre yıldızların küresel yörüngeleri, halelerin oluşumuna dair ipuçları içeriyordu.

Gaia’nın veri yayınlanmasını takip eden günlerde Sestito, tüm veriler arasından 42 yaşlı yıldız belirledi ve onların davranışlarını inceledi. Bu incelemeler sonucunda çoğu yıldızın hale boyunca kümelendiğini gözlemledi. Yaklaşık olarak yıldızların %25’i bu modele uymuyordu ve bu yıldızlar, Samanyolu’nun en son oluşmuş yörüngesinde takılı kalmışlardı.^[1]

Takip eden araştırmalar, yıldızların yörüngelerin daimi üyeleri olduğunu ve şans eseri orada bulunmadıklarını ortaya koydu. Sestito ve meslektaşları son zamanlarda yapılan iki araştırmada, yaklaşık beş bin metalce fakir yıldızdan oluşan bir veri tabanı oluşturdu. Yıldızlardan birkaç yüz tanesi yörüngenin daimi üyesi olarak görünüyordu.^[2] İkinci araştırma grubunda; bunlar arasından seçtiği 500 yıldızın %10’unun dairesel, güneş sistemimize benzer yörüngelerde bulunduğunu keşfetti.^[3] Üçüncü bir araştırma grubu ise çeşitli metalik özelliklere sahip ve dolayısıyla çeşitli yaşlardaki yıldızların, düz yörüngelerde hareket ettiğini ortaya çıkardı.^[4]

Sestito; belki de saf gaz ceplerinin, süpernovaların çağlar boyunca yaydığı metallerden uzak kalabildiğini ve daha sonrasında eski görünümlü yıldızlar oluşturmak için çöktüğünü ya da diskin planlanandan 1 milyar yıl önce halelerin yaptığı gibi kendi şeklini aldığını düşünüyordu.

Hangisinin daha muhtemel olduğunu anlamak için Setito; Almanya’nın Potsdam şehrindeki Leibniz Institute for Astrophysics’te görevli, dijital galaksi simülasyonları oluşturma konusunda uzmanlaşan Tobias Buck’la bağlantı kurdu. Birlikte yürüttükleri çalışmalar, beklendiği gibi ilk olarak haleleri ve daha sonra diskleri üretti. Ancak bunlar nispeten yüzeysel çalışmalardı.

Buck, simülasyonların çözünürlüğünü on kat artırdı. Böyle bir çözünürlükte yapılan her çalışma yoğun hesaplamalar gerektiriyordu. Leibniz, Süper Bilgisayar Merkezinde bulunan cihazlarla çalışmasına rağmen bilgi işleme süreci yaklaşık üç ay sürüyordu. Buck, bu çalışmayı altı kez tekrarladı. Yapılan altı çalışmadan beşinde Samanyolu’na benzeyen galaksiler oluştuğu gözlemlendi. Bunlardan ikisi, çok sayıda metalce fakir yörünge yıldızı içeriyordu.

Gelin bu simülasyonlara bir bakalım: Aşağıdaki dijital simülasyonlarda, Samanyolu Galaksisi’nin geçmişten günümüze kadarki oluşumu ve 13.8 milyar yıl içerisindeki evrimi gösterilmektedir. En soldaki sütun, görünmeyen karanlık maddenin dağılımını; ortadaki sütun, gaz sıcaklığını (maviler soğuk, kırmızılar sıcak) ve en sağdaki sütun ise yıldız yoğunluğunu göstermektedir. Her sıra, farklı bir boyut ölçeğini temsil eder: en üst sıra, galaktik diskin yakınlaştırılmış versiyonunu; orta sıra, galaktik halenin orta mesafeden görünümünü; en alt sıra da galaksinin uzaklaştırılmış görüntüsünü temsil eder.

Yaşlı Yıldızlar Yörüngeye Nasıl Girdi?

Basitçe söylemek gerekirse bu yıldızlar; yörüngenin kalıcı yıldızları değil, yörüngede rastgele bulunan yıldızlardı. Bu yıldızlardan bazıları, Samanyolu’ndan önce oluşan galaksilerde doğmuşlardı. Daha sonra bu galaksiler, yıldızlarının bir kısmını Samanyolu’nun galaktik diskinin parçalarını oluşturacak olan yörüngelere yerleştirdiler. Diğer yıldızlar ise Samanyolu ile çarpışan cüce galaksilerden gelerek Samanyolu’nun yörüngesine yerleştiler.

2020 kasım ayında yayınlanan sonuçlar, daha önce bilinen galaksi oluşum modellerinin yetersiz kaldığını ortaya koyuyor.^[5] Beklendiği gibi gaz bulutları, küresel haleler içerisine doğru çöküyordu. Bir yörünge ancak doğru açılardan gelen yıldızlar tarafından oluşturulabilirdi.

Samanyolu’nun Dinamik Geçmişi

Gaia’nın gözlemleri ile birlikte gökbilimciler, galaksinin oluşum sürecinde büyük patlamaların etkili olduğunu kanıtladılar. Gökbilimciler, Samanyolu’nun oldukça hareketli bir geçmişi olduğunu düşünüyordu. Ancak New Jersey Princeton’daki Institute for Advanced Study’de bir gökbilimci olan Helmer Koppelman, Gaia verilerini kullanarak en büyük çarpışmalardan birinin kalıntılarını tespit etti.

Gaia’nın 2018 verilerinin bir çarşamba günü yayınlanmıştı ve bu içeriği indirmeye yönelik yoğun talep, websitesinin çökmesine yol açmıştı. Koppelman verileri perşembe günü inceleyebilmişti ve cuma günü de verilerin oldukça önemli olduğunun farkına vardı. Her açıdan Samanyolu’nun merkezinde tuhaf bir şekilde bir pinpon topu gibi ileri geri hareket eden fazla sayıda hale yıldızı saptandı. Bu durum tüm yıldızların cüce bir galaksiden geldiğine dair bir fikir oluşturdu. Koppleman ve meslektaşları pazar gününe kadar araştırma sonuçlarının raporunu hazırlamışlardı ve bu çalışmaları haziran ayında yapılan daha detaylı araştırmalar takip etti.^{[6], [7]}

Galaktik kalıntılar tüm uzaya yayılmıştı. 60.000 ışık yılı uzaklıkta ve her yöne yayılan tüm bu yıldızların yarısı, Samanyolu’nun ilk yıllarında kütlesini %10 artıran büyük bir çarpışmadan gelmişti.

Quanta Magazine

Araştırma grubu, oluşan galaksinin adını Yunan kültürünün ilkel Tanrılarından birisi olan tanrıça Gaia ve Titan oğlu Enceladus’tan esinlenerek koydu. Cambridge’teki başka bir grup araştırmacı yine aynı galaksiyi bağımsız olarak keşfetti ve bazı yörünge haritalarındaki görünümü nedeniyle ona "Sosis" adını verdi.^[8]

Samanyolu ve Gaia-Enceladus 10 milyar yıl önce çarpıştıklarında, Samanyolu’nun diski büyük çaplı bir hasar görmüş olabilirdi. Samanyolu diskinin neden iki bölümden oluştuğuna dair tartışmalar sürmektedir. Bu bölümlerden ilki ince bir yörünge, diğeri ise yıldızların galaktik merkez etrafında dönerken yukarı-aşağı hareket ettiği daha kalın bir disktir. Di Matteo tarafından yürütülen bir araştırmada, Gaia-Enceladus’un çarpışma sırasında diskin çoğunluğunu şişirip patlattığı iddia edilmektedir.^[9] Koppelman’a göre ilk disk oldukça hızlı bir şekilde oluşmuş ancak ardından Gaia-Enceladus tarafından yok edilmişti.

Küresel kümeler olarak bilinen yıldız kümelerinde, başka çarpışmaların da kalıntılarına rastlandı. Almanya'daki Heidelberg Üniversitesinde bir gökbilimci olan Diederik Kruijssen, küresel yıldız kümelerini detaylı inceleyebilen veri ağları geliştirebilmek için galaksi simülasyonlarını kullandı. Yıldızların yaşları, görünüşleri ve yörüngeleri üzerinde çalıştı. Bu verilerden yararlanarak galaksileri bir araya getiren çarpışmalar yeniden oluşturulabilir. Bu çarpışmaları yeniden oluşturabilmek için gerçek Samanyolu verilerinden yola çıkıldı. Geliştirilen program, Gaia-Enceladus gibi bilinen galaksilerin yanı sıra Kraken adı verilen daha eski bir galaksinin oluşumunu da yeniden yarattı.

Ağustos ayında Kruijssen ve ekibi Samanyolu ve onu oluşturan cüce galaksilerin birleşme geçmişi haritasını yayınladı.^[10] Bununla haritaya göre gelecekteki gözlemlerle doğrulanmasını umdukları on tane daha çarpışmanın yaşanmış olduğunu düşünüyorlar.

Tüm bu gelişmeler sonucunda gökbilimciler, halenin neredeyse tamamının yalnızca diskte rastgele bulunan yıldızlardan oluştuğunu düşünmeye başladılar.^[11] 1960’lar ve 70’lerdeki modeller, Samanyolu halesinin yörüngedeki kalıcı yıldızlardan oluştuğunu tahmin ediyordu. Daha fazla sayıda yabancı yıldız tanımlandıkça gökbilimciler, yıldızların yörüngede kalıcı olmalarının gerekmediğini fark ettiler.

Büyüyen Bir Galaksi

Samanyolu, olağan çarpışmaların dışında son zamanlarda nispeten hareketsizdi. Güney Yarım Küre’de gökyüzüne bakanlar, büyük ve küçük Macellan Bulutları’nı çıplak gözle görebilirler. Gökbilimciler uzun bir süredir bu bulutların, Samanyolu’nun uyduları gibi belirli bir yörüngede döndüğünü düşünüyorlardı.

Sonra, 2006-2013 yılları arasında Hubble Uzay Teleskobu ile yapılan bir dizi gözlem, galaksilerin bulutlarının yaklaşan göktaşları gibi göründüğünü gözlemledi.^[12] Virginia Üniversitesinde bir gökbilimci olan Nitya Kallivayalil bu bulutların beklenenden yaklaşık iki kat hızlı, yani 330 km/sn hızla birbirlerine doğru yaklaştığını gözlemledi.

Quanta Magazine

Edinburg Kraliyet Gözlemevi’nde bir gökbilimci olan Jorge Peñarrubia önderliğindeki bir çalışma grubu birkaç yıl sonra yıldızların sayısını tekrar hesapladıklarında, hızlı olarak nitelendirilen galaksilerin aslında oldukça yavaş, hatta düşünülenden 10 kat daha yavaş, olduklarını gördüler.

Çeşitli çalışma grupları beklenmedik bir şekilde Samanyolu’nun cüce galaksiler tarafından sürüklendiğini ileri sürdü ve bu yıl Peñarrubia ile Petersen bu tezi doğrulamak için bir araya geldiler.

Galaksi boyutunda bir nesnenin hareketini gözlemlemekteki sorun, Samanyolu’nun, gökbilimcilerin bir kar tanesinden gözlemlemeye çalıştığı şiddetli bir kar fırtınası olmasıdır. Böylelikle Peñarrubia ve Petersen, karantina döneminin çoğunu Dünya ve Güneş’in hareketlerini nasıl etkisiz hale getireceklerini çözmeye ayrıca diskin sabit sınırlarını çizebilmek için yıldızların hareketlerinin ortalamasını çıkarmaya çalıştılar.

Elde ettikleri verileri düzenlediklerinde; Dünya’nın, Güneş’in ve bulundukları diskin geri kalanının tek bir yönde uzandığını keşfettiler. Bu yön büyük Macellan galaksisinin şu anki değil, bir milyar yıl sonraki konumuna doğru uzanmaktaydı. Daha sonra bu çalışmalar, Nature Astronomy dergisinde yayınlandı.^[13]

Diskin haleden uzaklaşması, Samanyolu’nun durgun bir yapıya sahip olduğu varsayımını çürütür. Samanyolu uzay boşluğunda dönüp hareket edebilir ancak disk ve hale milyarlarca yıl sonra kararlı bir yapı oluşturmuştur.