Evrenin ilk ışığını görmeye ne kadar yaklaşıyoruz?

ON Jack Burns’ün astronomi kariyerinin en gururlu günü ne olabilir, bir sahilde oturuyordu. Orbital dinamikleri ve lansman programları kimseyi beklemiyor ve Burns uzun süredir planlanan aile gezisini hareket ettiremedi. Şubat 2024’te, Maui’de tatildeyken, önceki yıl başarılı kanser tedavisini kutlarken Burns, özel havacılık şirketinin görev kontrolünden canlı bir yem dinledi Sezgisel makineler. Firmanın Odysseus Lander Ay’a dokunan ilk ticari uzay aracı olmak üzereydi.

Burns’in tasarıma yardımcı olduğu bir proje için bir enstrüman taşıyordu: Ay yüzeyinde radyo dalgalarını dinlemek için tasarlanmış dört antenden oluşan bir dizi – evrenin en eski günlerine ayarlamak için ilk küçük bir adım. Burns dinlerken Odysseus ayın yüzeyine indi ve sonra devrildi. Burns enstrümanı, fotoelektron kılıfı (Rolses) deneyinin ay yüzeyinde radyo dalgası gözlemi, 25 dakika boyunca verileri yakaladı. Burns, “Antenlerimizi dağıtmak ve bazı veriler almamız için hala işlevseldi, böylece aydaki radyo astronomi çağının başladığını beyan edebiliriz,” diye hatırladı Burns bir görüntülü sohbet sırasında yumruklarını havaya pompaladı. “Öğrencilerim ‘Ah, bu hayal kırıklığı yaratıyor’ diyor ve ben ‘Haklısın, ama ona bakış açımdan bak. Bakın oraya ulaşmamız ne kadar sürdü.’

Kısa ömürlü deney, şimdi Colorado Boulder Üniversitesi’nde bir profesör emeritus olan Burns için bir kariyer vurgusuydu ve şimdi liderlik yapan yeni nesil radyo-astronomi kozmologları için bir nimetti. Bu birkaç dakikalık verileri analiz etmek, bilim adamlarının sonunda tasarlamasına yardımcı olabilir Tam Ay Radyo Gözlemevi. Böyle bir misyon, araştırmacıların, evrenin ilk ışığına geri dönen, galaksilerin veya yıldızlardan önce, ilk moleküllerden önce – tüm ışığa bakmalarına izin verebilir – Karanlık Çağlarhidrojen atomları etrafında dönen elektronlardan başka bir şey olmadığında.

Bilim Gazeteciliğini Destekleme Üzerine

Bu makalenin tadını çıkarıyorsanız, ödüllü gazeteciliğimizi desteklemeyi düşünün abone olma. Bir abonelik satın alarak, bugün dünyamızı şekillendiren keşifler ve fikirler hakkında etkili hikayelerin geleceğini sağlamaya yardımcı oluyorsunuz.

Kozmik karanlık çağların sonu ve başlangıcı kozmik şafak Bildiğimiz gibi evrenin şekillenmeye başladığı zamanı işaretleyin. Bu kozmik döneme geri dönemeyiz. Ancak bu çağın kıvrılan atomlarından hafif, uzun dalga boyu radyasyon tespit ederek, evrenimizin bugün neden olduğu gibi göründüğünün ve nasıl bu şekilde geldiğinin daha ayrıntılı bir resmini geliştirebiliriz.

Rolses, bu yeni sınırın ilk yüzeyleri arasındaydı. 2026’da farklı bir ticari ay inişinde aya inecek olan ay yüzey elektromanyeti deneyi adı verilen NASA tarafından finanse edilen bir proje, bu soruları araştırmak için düşük frekanslı radyo astronomisi de yapacak. Bu iki görev, hepsi evrenin bu hafif dönemini, kozmik karanlık çağları ve kozmik şafakta yer almayı amaçlayan, Dünya’nın en sade ulaşımlarına dayanan bir düzine diğer kişiye katılacak.

Almanya’daki Heidelberg Üniversitesi’nde bir ekibe liderlik eden kozmik şafakı inceleyen erken kariyer araştırmacısı Sarah Bosman, “Galaksiler bile var, künt cevap şu anda neredeyse hiçbir şey yapamayacağımız” diyor. Ancak bu, yeni nesil deneyler başlamasıyla değişiyor. “Orada Bunu görmek için gözlemevlerine giren muazzam miktarda para; Bunun hakkında 50 yıldır konuştuk. ”

Her şey, büyük patlama. Birkaç saniye içinde evren, ilk protonların, nötronların, elektronların ve fotonların varlığını sürdürmesi için yeterince soğudu ve birkaç dakika içinde bu yapı taşları bir araya geldi. Yaklaşık 380.000 yıl sonra, evren bu protonların ve nötronların serbest uçan elektronları alması ve elektriksel olarak nötr atomları oluşturması için yeterince serindi. İlk kez, fotonlar serbest elektronlarla çarpışmayı bıraktı ve evrenden akabildiler. Rekombinasyon olarak adlandırılan bu işlem – aslında atomik bileşenlerin ilk gerçek kombinasyonuydu – tüm alanı kaplayan kozmik mikrodalga arka plan (CMB) ışığını serbest bıraktı. Bu arka planın en ayrıntılı haritası, 2009 yılında bu ışığı incelemek için başlatılan bir Avrupa Uzay Gözlemevi olan Planck Satellite’den.

CMB’nin parıltısında, evren nötr atomlarla doldurmaya devam etti. Gazdan parlayacak yıldız olmadan, karanlık önümüzdeki 50 milyon yıl boyunca devam etti. Hidrojen atomları, büyük patlamadan kalan tüm fotonları emdi, evreni sisle kapladı. Karanlık Madde bu kozmik karanlık çağlarda görünmez bir şekilde birlikte toplandı ve yerçekimi, evrenin üstyapısını oluşturmak için sessizce çoban maddesi. Yerçekimi işteyken, maddenin yoğunluğundaki rastgele dalgalanmalar zaten evrenin seyrini çiziyordu.

Büyük patlamadan 50 milyon ila 100 milyon yıl sonra, yerçekimi hidrojen atomlarını bir araya getirdi ve ilk yıldızları ateşledi.* Köpüklü ultraviyole ışıkları nötr gazı şarj etti, elektronları atomlardan attı ve atom çekirdeklerine pozitif yükler verdi. Karanlık çağların bu sonu, kozmik şafakın başlangıcını işaret ediyordu – şimdi çalışabildiğimiz bir dönem.

Şafak döneminde bir noktada, ilk yıldızlar hidrojen çekirdeklerinin elektronlarla nötr atomlara yeniden birleşmesini önleyecek kadar parladı ve karanlık yaşları iyilikle bitirdi. Bu değişikliğe reoniyonizasyon dönemi denir ve evrenin tekrar ışığa şeffaf hale geldiği zamandır. Sonunda bu dönemde – tam olarak ne zaman veya nasıl olduğunu bilmiyoruz – Gravity ilk yıldızları ilk galaksilere ve galaksi kümelerine süpürdü. Şimdi bu en eski galaksilerden gelen ışık, James Webb Uzay Teleskopunun (JWST) kızılötesi enstrümanlarına sızıyor ve erken evrenin beklenenden önemli ölçüde daha parlak olduğunu göstererek herkesi şaşırtıyor. Bu erken, parlak nesneler, reiyonizasyon döneminde figüratif bir ışık parlayabilir.

Copenhagen Üniversitesi’ndeki bir astrofizikçi olan Charlotte Mason, “Planck verileriyle, Big Bang’den 380.000 yıl sonra evrenin yoğunluklarının bu resmine sahibiz. Ve daha sonra Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması, Dark Energy Survey, James Webb ve diğer şeylerden bir resmimiz var. Ama aralarında hiçbir şey yok” diyor.

Kozmos’un kökeni, yerçekimi ve parçacık fiziği ile çözebileceğimiz bir hikaye, ancak eksik olduğumuz ve anlamamız gereken şey, ilk yıldız ışığının tüm evrenin seyrini nasıl değiştirdiğidir.

Bilim adamlarının çok fazla açık sorusu var. Galaksiler öfkeli patlamalarda yıldızları çaldı mı? Evren parlak ve daha sonra tekrar karanlık bir desende karanlık olduğunda bir “disko reiyonizasyonu” dönemi var mıydı? Reiyonizasyon sadece bir veya iki kez mi gerçekleşti? Belirli kozmik bölgelerde yerel ölçekte mi oldu, yoksa her şey aynı anda her yerde yanıyor mu?

NASA Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nde astrofizikçi Sangeeta Malhotra, “Galaxy oluşumu hakkında bilmediğimiz çok şey var” diyor. “Bir gözlemci olarak sloganım, gerçekleşmesine izin verilen her şeyin gerçekleşmesidir.”

BEvrenin hızlanan genişlemesinin göz önüne alındığında, gökbilimciler büyük mesafelerdeki nesnelerin zaman içinde çok geri döndüğünü çıkarabilirler. Işıklarının kırmızıya kayma olarak bilinen daha uzun dalga boylarına gerilmesi bize yaşlarını anlatıyor.

Ancak bilim adamları çok geri döndüklerinde, muamamlar bulurlar. Uzak geçmişin JWST gözlemleri, birçok yönden teorik fizikle çelişmektedir. Şaşırtıcı bir tutarsızlık, kozmik karanlık çağların zaman çizelgesini, Reiyonizasyon Çağını ve Kozmik Şafak’ı içerir.

2022’de Bosman ve meslektaşları, kozmik şafakın sona erdiğini belirlemek için 67 kuasar (merkezlerinde süper kütleli kara delikli galaksiler) kullandılar – yani, reiyonizasyon tamamlandı – Big Bang’den 1,1 milyar yıl sonra, 200 milyon yıl sonra daha önce düşünüldüğünden. Bu olayın zamanlaması yirmi yılı aşkın bir süredir tartışma olmuştu. Ama sonra JWST olay yerine geldi. Mayıs 2024’ten itibaren JWST gözlemlerine göre, büyük galaksiler kozmik şafaktan 750 milyon yıl önce parlak bir şekilde parlıyordu. Tüm nötr gazı yeniden izleyecek kadar parlak bir şekilde parlıyorlarsa, bu süreç – reonionization – görünüşte olduğu sürece neden oldu?

Bilinen en eski Galaxy için mevcut rekor tutucu, 14.18’lik bir kırmızıya kaymada bulunan bir mamut nesnesidir, yani Big Bang’den sadece 300 milyon yıl sonra göründüğü anlamına gelir. Galaksi denir Jades-GS-Z14-0onu bulan JWST arama programı olarak adlandırıldı. Bu galaksi ilk önce parladığında, evren şu anki yaşının sadece yüzde 2’siydi ve reiyonizasyonun sonu gelecekte hala yüz milyonlarca yıldı.

Bosman, “Bu parlak galaksiler, reiyonizasyonu onlardan daha erken bitirebilmeliydi” diyor. Araştırmacılar artık kapalı olduğundan emin değiller: yıldız parlaklığı veya teorilerimiz ölçümlerimiz. İkincisi ise, ultrabright galaksilerini açıklamak için yeni modeller gerekli olacaktır. Önümüzdeki birkaç yıl JWST veri bülteninin daha da fazla soru sorması muhtemeldir.

Bazı astrofizikçiler, az sayıda inanılmaz derecede parlak galaksinin gazı yeniden izleyebileceğini ve ışığın evrenin içinden parlamasına izin verebileceğini savunuyorlar. Reiyonizasyon dönemini inceleyen Arizona Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olan Jackie Champagne, ya da şimdi göremediğimiz ve belki de asla olmayacağımız çok sayıda zayıf galaksinin çalışması olabilir. Kozmik karanlık çağları ve kozmik şafakları araştırmayı amaçlayan projeler, evrene ışık koyan en eski, en eski nesneleri bulmaya çalışacak.

Champagne, “Kozmik Şafak’ı görmeye yaklaştıkça, daha küçük galaksiler, daha zayıf galaksiler ve bunlardan daha azı görmeliyiz” diyor. “Görülmesi gereken artık galaksilerin olmadığı sınıra ulaşmalıyız.”

Galaksiler çalışmaları, evrendeki ilk ışıkla ilgili soruları cevaplamanın bir yoludur. Bir diğeri, galaksiler oluşmadan önce ne olduğunu incelemektir: yeniden izlenmeden önce nötr hidrojen gazı. Bu eski atomik hidrojen karanlık çağlarda bulunduğundan, doğrudan göremiyoruz. Ancak varlığını haritalamanın yolları var.

Malhotra, nötr atomların oluştuğu an – hidrojenin rekombinasyonunun karakteristiği olan belirli bir dalga boyunda ışık yayan galaksiler üzerinde çalışıyor. Bu dalga boyu, bir galaksinin ışık spektrumunda Lyman-alfa spektral çizgisi (galaksilere Lyman-alfa yayıcılar denir) olarak görülebilir. Malhotra, bu nesnelerin araştırmaları, gökbilimcilerin kozmik şafak haritasını oluşturmasına yardımcı olabilir, ancak bu, ışığın sağ dalga boylarında büyük bir gökyüzü yaması incelemesini gerektirir. NASA’nın Mayıs 2027’de başlatılması planlanan Nancy Grace Roman Uzay Teleskopu nihayet bu bilgileri vermelidir. “Çok güzel,” diyor Malhotra. “Roman ile gerçekten büyük bilimi dört gözle bekliyoruz.”

Bu arada Dünya’da 10 deney planlanıyor ve ay için tasarlanan en az iki deney de karanlığın zamanını incelemeye çalışacaktır. Bu deneyler, bir gölün ortasında, Kuzey Kutbu’nda veya FM radyo sinyallerinin gözlemlere müdahale edemeyeceği bir platform gibi sade ortamlarda kurulmalıdır.

McGill’de deneysel bir kozmolog olan Cynthia Chiang, hafif evreni dinleyebilen küçük gözlemevleri – yaklaşık bir yemek odası masasının büyüklüğü – üzerinde çalışıyor. Mevcut projesinde Chiang, bu antenleri yayın sinyalleri ve diğer radyo kirliliğinden arınmış yüksek Kanada Arktik’te konuşlandırıyor. Çok büyük dizi ve kare kilometre dizi gibi radyo teleskopları görüntü üretmek için üretilirken, Chiang’ın çalışması daha çok tüm istasyonları aynı anda tarayabilen bir araba radyo tuneri gibidir. Rolses benzer amaçlara sahipti ve ayın ortamını radyo frekanslarında incelemek, gökbilimcilerin doğal ve insan tarafından üretilen aktivitenin daha sonra daha hassas operasyonlara nasıl müdahale edebileceğini belirlemesine yardımcı olabilir. Chiang, deneylerin evrenin erken tarihinin bir kısmını ortaya çıkarmaya yardımcı olacağını söylüyor.

Chiang, “Bir insan yaşamı açısından düşünürseniz, ilk yıldızların dönemi bir yürümeye başlayan çocuk yaşına karşılık gelir” diyor. İnsanlar büyüdükçe görünüşte biraz değişse de, erken çocukluk döneminde çoğumuz zaten olacağımız yetişkinlere benziyorduk. Benzer şekilde, gökbilimciler evrenin bugünkü benlik haline geldiği konusunda çıkarımlar yapmak için erken kozmik tarihi kullanabilirler.

Ancak evrenin yürümeye başlayan çocuk resimleri arıyor, güneşin içinde bir mum alev aramaya benzer. Bilgiler diğer her şey tarafından uzanıyor. Bunu görmek için, en yeni nesil Dark Ages astronomi deneyleri atom fiziğinin bir hilesine güveniyor.

Evren nötr hidrojenle dolduğunda, opaktı çünkü atomlar fotonlarla etkileşime giremedi. Hidrojen basitçe uzayda yüzebilir, ancak Big Bang’den fotonlar esasen aralarında sıkışmıştı. Yine de hala algılayabileceğimiz ışık vardı çünkü hidrojen atomları doğal olarak kendi başlarına parlıyor. Bir atomun eğirme elektronu, çekirdeğin eğirme protonuna dik olarak yönlendirmeyi tercih eder. Bu hizalamalar ters çevrilirse, atomdaki enerji hafifçe değişir ve atom, 21 santimetre dalga boyuna sahip bir foton yayarak bu enerjiyi çıkarır. Gökbilimciler, 21 cm uzunluğunda ışık dalgasına karşılık gelen radyo sinyalleri arayarak bu geçişi görmeye çalışırlar. Enstrümanlarımız için, 1.420 megahertz şanzımanı ile aynıdır.

Spin geçişinden gelen bu hafif parıltı nadir bir manzaradır; İlk yıldızların ışığında kaybolur. Ama evren eski ve büyük, bu yüzden onu arayacak birçok yer var. Zamanla, radyo yemeklerimize ulaşmadan önce genişleyen evrenden ne kadar sürdüğüne bağlı olarak 21 cm dalga boyu gerilir. Bu, 21 cm’lik fotonların yeryüzünde veya ayda gördüğümüzde daha uzun dalga boylarına sahip olacağı anlamına gelir ve bu dalga boyları bize ışığın ne zaman üretildiği hakkında bilgi verir. Gökbilimciler bu spin-flip ışığını eşleştirebilirlerse, kozmik mikrodalga arka planını nasıl haritaladıklarına benzer şekilde, evrenin hızlandırılmış bir filmi gibi bir şey yaratabilirler.

Chiang, “Araba radyonuzu dinlemeyi ve tüm istasyonları taramayı hayal ediyorsanız, genel olarak ne kadar yüksek olduğunu dinliyorsunuz” diyor. “Aradığımız sinyal, ortada diğerlerinden biraz daha sessiz olan bir avuç istasyon.”

21 cm sinyalinin davranışı, hidrojeni yeniden izleyen ve ışık olmasına izin veren ilk yıldızların özellikleri ile ilişkilidir. Chiang, “Asla bireysel yıldızları kendileri gözlemleyemeyeceğiz, ancak mülklerini ve onları neyin körüklediğini görebileceğiz” diyor.

Şimdiye kadar hiç kimse kozmik karanlık çağlara kesin olarak görmedi, ancak bir deney büyük patlamadan 180 milyon yıl sonra 21 cm hidrojen hattını tespit ettiğini iddia etti. 2018’de, Reiyonizasyon İmzası Küresel Çağını Tespit etme Deneyi Proje bir sinyal bildirdi ya erken evrene nüfuz eden hidrojen gazının beklenenden daha serin olduğunu veya arka plan radyasyonunun beklenenden çok daha güçlü olduğunu düşündürmektedir.

Takip deneyleri bu bulguyu çoğaltmadı, ancak dünyadaki radyo gökbilimcileri yeni bir arama dalgasına hazırlanıyor. Düşük frekanslı dizi, reiyonizasyon dizisinin hidrojen dönemi, Murchison Widefield dizisi ve karanlık yaşları tespit etmek için büyük belirleyici deney gibi gözlemevleri 21 cm’lik bir haritanın ilk ana hatlarını üretiyor. Yakında Avustralya ve Güney Afrika’da yapım aşamasında olan kare kilometrekarelik dizi, 21 cm sinyali için tüm kozmosu tarayabilecek. Yine de, bir dönen elektronun hafif yankısını evrenin gürültüsünden ayırmak için yapacak çok iş var, Malhotra uyarıyor. “Bizim ve fotonlar arasındaki gürültü aşılmalı” diyor. “Tam olarak anlamadığımız bu tür astronomi.”

TBilim adamlarının kozmik karanlık çağları anlamak için en iyi umuyoruz, Dünya’nın radyo gürültüsünden tamamen uzaklaşmak ve aya gitmektir – tüm kariyeri için bu bakış açısından kozmos dönemini görmeyi uman Burns için nihai hedef.

Aydan, gökbilimciler evrenin erken nötr hidrojeninin bozulmamış bir haritasını oluşturabilirler. Hidrojen sinyalinin derinliği ve genişliğinin ölçümleri ilk yıldızların doğasını ortaya çıkaracak: ne kadar büyük oldukları, ne kadar ultraviyole ışığı ürettikleri, ne kadar sıcak oldukları ve daha fazlası. Burns, onları asla doğrudan göremeyebiliriz, ancak çevrelerini görebiliyor ve neye benzemesi gerektiğini anlamaya çalışabiliyoruz, diyor Burns. “Sadece spektrumdan, kozmik şafakla ilgili tüm bu özellikleri çıkarabiliriz” diyor.

. Lusee-Night lakaplı ay yüzeyi elektromıknatıs deneyi de avına katılacak NASA ve ABD Enerji Bakanlığı tarafından inşa edilen uzay aracı 2026’da bir süre piyasaya sürüldüğünde, Firefly Aerospace’in Blue Ghost Ticari Lander’ında Ay’a binecek. Bir kez ayın uzak tarafında yer alan Lusee-Night, soğuk ay gecesinde hayatta kalmak için muazzam bir pil kullanacak-eski elektronların uzak dansını dinlemek için en iyi zaman. Misyon başarılı olursa, ilk ay kozmoloji deneyi olacak – ama sonuncusu değil, diyor Burns.

Ayın uzak tarafında, ay toprağı kullanılarak inşa edilen tam boyutlu bir kozmoloji teleskopu öngörüyor. Farview olarak adlandırılan bir teklif, ay tozundan oksijen gibi metalleri ve daha sonra yerinde parçaları üreterek ayda ağa bağlı antenler inşa etmeyi çağırıyor. Uzak tarafta, ayın kendisi Dünya’nın radyo kakofonisini bloke ederek bu 21 cm’lik fotonların gürültüden açıkça öne çıkmasına izin veriyor.

Burns gibi gaziler için, bu ilerlemeler uzun zamandır geldi. Burns, 1984 yılında Houston’daki bir ay ve gezegen bilim konferansında bir ay radyo teleskopu hakkında ilk sunumunu verdi. “Bunun gerçekleşmesinin 40 yıl süreceğini asla düşünmezdim. Yaşamımda gördüğüm için şanslı hissediyorum” diyor.

Ancak Burns, meşaleyi geçmekten de memnun. “Burası başladığı yer: ipuçları alacağız, veri toplayacağız, enstrümanlarımızı geliştireceğiz” diyor. Önümüzdeki yıllarda bilim adamları aya yeni görevler uçacak, daha fazla deneyim kazanacak ve sonunda hayallerinin enstrümanını kuracaklar. “Sonunda çatlayacağız” diyor. “Ya da en azından biri yapacak.” Burns, şimdi göreve katılan göreve katılan genç bilim adamlarından umut alıyor – öğrenciler, postdoclar ve gelecek çabalara öncülük edecek yeni gömülü profesörler. “Bunu gerçekleştirecek olanlar onlar” diyor. “Onların önündeki keşif duygusunu anladıklarını görmek heyecan verici.”

*Editörün Notu (6/5/25): Bu cümle, 50 milyon ila 100 milyon yıl önce ateşleyen ilk yıldızların açıklamasını düzeltmek için yayınlandıktan sonra düzenlendi.