Evrenin büyük ölçekli yapısı: galaksi kümeleri, iplikler ve boşluklar

Gece gökyüzünde gördüğümüz yıldızlar, Samanyolu'nun içindeki yakın komşularımızdır. Ölçeği büyütüp galaksileri birer nokta olarak düşündüğümüzde, karşımıza şaşırtıcı bir desen çıkar: Galaksiler gruplar ve kümeler oluşturur, kümeler süper kümelerde toplanır, bunlar da uzun iplikler (filament) ve duvarlar boyunca dizilir. Aralarında neredeyse boş, devasa boşluklar (void) kalır. Bütün bu yapı köpüğe ya da sünger dokusuna benzer ve kozmik ağ olarak adlandırılır. Evrenin genel tanımı için "Evren" sayfasına bakabilirsiniz.

Yapının basamakları

• Galaksiler: Milyarlarca yıldızdan, gazdan, tozdan ve karanlık maddeden oluşan sistemler.
• Gruplar ve kümeler: Kütle çekimiyle birbirine bağlı onlarca ile binlerce galaksi. Samanyolu, Andromeda ile birlikte Yerel Grup'un üyesidir.
• Süper kümeler: Kümelerin ve grupların gevşek bir araya gelişi. Yerel Grup, Virgo Süper Kümesi'nin; o da Laniakea Süper Kümesi'nin parçasıdır.
• İplikler ve duvarlar: Galaksilerin ve gazın uzun şeritler ve yaygın tabakalar hâlinde dizildiği yapılar. İplikler onlarca megaparsek boyunca uzanabilir; kümeler iplik ve duvarların kesiştiği düğümlerde oluşur.
• Boşluklar: Ortalama yoğunluğun onda birinden az madde içeren, çoğunlukla küresel bölgeler.

Evdeki adresimiz: Laniakea

Eylül 2014'te R. Brent Tully, Hélène Courtois, Yehuda Hoffman ve Daniel Pomarède, Nature dergisinde yayımladıkları çalışmada galaksilerin hareketlerini haritalayarak kendi süper kümemizin sınırlarını yeniden çizdi. Ortaya çıkan yapıya Hawaii dilinde "ölçülemez gökyüzü" anlamına gelen Laniakea adı verildi; ad, Polinezyalı denizcileri onurlandırmak için seçildi.

Laniakea yaklaşık 120 megaparsek (yaklaşık 400 milyon ışık yılı) genişliğindedir ve kütlesi yaklaşık 10¹⁷ Güneş kütlesi, yani Samanyolu'nun kütlesinin yaklaşık 100.000 katıdır. İçinde yaklaşık 100.000 galaksi bulunduğu tahmin edilir. Süper kümenin kütle çekim merkezi, Norma takımyıldızı yönündeki Büyük Çekici bölgesidir; Yerel Grup dahil süper kümedeki galaksilerin hareketini bu bölge etkiler. Eskiden "yerel süper küme" sayılan Virgo Süper Kümesi, bu tanımla Laniakea'nın bir uzantısı hâline geldi.

Kozmik ağ nasıl keşfedildi?

Galaksilerin üç boyutlu dağılımını görmek için her birinin uzaklığını bilmek gerekir. Bu da on binlerce galaksinin kırmızıya kaymasının ölçüldüğü büyük taramalarla mümkün oldu.

• 1978: Stephen Gregory ve Laird A. Thompson, Kitt Peak Ulusal Gözlemevi'nde yaptıkları çalışmada ilk boşlukları tanımladı.
• 1981: Çoban (Boötes) takımyıldızı yönünde büyük bir boşluk bulundu.
• 1987: R. Brent Tully, yaklaşık 1 milyar ışık yılı genişliğindeki Balık–Balina (Pisces–Cetus) Süper Küme Kompleksi'ni tanımladı.
• 1989: Geller ve Huchra, kırmızıya kayma taramalarında 500 milyon ışık yılından uzun, 200 milyon ışık yılı geniş ve 15 milyon ışık yılı kalın bir galaksi tabakası buldu: Büyük Duvar.
• 2003: Sloan Büyük Duvarı tanımlandı.
• 2013: Gama ışını patlamalarıyla haritalanan Herkül–Kuzey Tacı Büyük Duvarı ve yaklaşık 4 milyar ışık yılı boyundaki Dev Kuasar Grubu (Huge-LQG) duyuruldu.
• 2021: Yaklaşık 3,3 milyar ışık yılı uzunluğundaki Dev Yay (Giant Arc) bildirildi.

Boşluklar: evrenin büyük odaları

Boşluklar genellikle 10 ile 100 megaparsek, yani yaklaşık 30 ile 300 milyon ışık yılı çapındadır; en büyüklerine "süper boşluk" denir. Ortalama yoğunlukları evrenin ortalamasının onda birinin altındadır; yine de en boş bölgeler bile ortalamanın yaklaşık %15'inden fazla madde içerir. 1981'de bulunan Çoban Boşluğu'nun çapı önce yaklaşık 50 h⁻¹ megaparsek ölçüldü, sonra yaklaşık 34 h⁻¹ megaparseğe düzeltildi (h yaklaşık 0,7'dir). Samanyolu'nun da KBC Boşluğu adı verilen bir boşluk içinde bulunduğu öne sürülmüştür. Eridanus yönünde, yaklaşık 1 milyar ışık yılı genişliğinde olabilecek bir süper boşluğun, kozmik mikrodalga arka plandaki "soğuk leke" ile çakışabileceği de tartışılıyor.

Yapı nasıl oluştu?

Kozmik ağın kökeni, erken evrendeki çok küçük yoğunluk farklarına dayanır. Kuantum dalgalanmalarından kaynaklandığı düşünülen bu farklar, kozmik mikrodalga arka plandaki küçük sıcaklık değişimleri olarak hâlâ görülebilir. Kütle çekimi, ortalamadan biraz yoğun bölgelere daha fazla madde çekti; yoğun bölgeler daha hızlı çöktü, seyrek bölgeler giderek boşaldı. Yoğun ortamlardaki boşluklar, seyrek ortamlardakilerden daha küçük kalır.

İplikleri doğrudan görmek

İpliklerdeki gaz çok seyrek ve sönüktür. Uzun süre varlığı dolaylı yoldan, uzak kuasarların tayfındaki emilim çizgilerinden anlaşıldı: Kuasarın ışığı yol boyunca karşılaştığı her hidrojen bulutunda bir emilim çizgisi bırakır ve bu çizgiler topluca Lyman-alfa ormanı olarak adlandırılır. Bu veriler, galaksiler arası hidrojenin ince tabakalar hâlinde çöküp ipliklere dönüştüğünü düşündürür. 2019'da bu gazın ışığı ilk kez doğrudan saptandı; 2021'de Bacon ve ekibi, z = 3,1–4,5 kırmızıya kaymada, iplikler boyunca yayılmış sönük Lyman-alfa ışımasını bildirdi.

Yapının bir sonu var mı?

Ölçek büyüdükçe yapı hep daha büyük yapılara mı dönüşür? Gözlemler hayır diyor. Yaklaşık 30–200 megaparseklik ölçeklerin ötesinde yeni bir yapı düzeyi görülmez; buna "büyüklüğün sonu" (End of Greatness) denir. Başka bir hesap homojenlik ölçeğini yaklaşık 100 megaparsek (yaklaşık 300 milyon ışık yılı) olarak verir. Bu, evrenin büyük ölçekte her yerde ve her yönde aynı göründüğünü söyleyen kozmolojik ilke ile uyumludur.

Ancak bazı yapılar bu sınırı zorluyor gibi görünür: Dev Kuasar Grubu (yaklaşık 4 milyar ışık yılı), Herkül–Kuzey Tacı Büyük Duvarı (Dev Kuasar Grubu'nun yaklaşık iki katı) ve Dev Yay (3,3 milyar ışık yılı). Bu yapıların gerçekten tek bir fiziksel bütün mü, yoksa istatistiksel bir rastlantı mı olduğu tartışma konusudur. Doğrulanırlarsa kozmolojik ilkenin hangi ölçekte geçerli olduğu yeniden düşünülmek zorunda kalınabilir.

Kısaca

• Galaksiler; gruplar, kümeler, süper kümeler, iplikler ve duvarlardan oluşan bir kozmik ağ içinde dağılmıştır.
• Samanyolu, yaklaşık 400 milyon ışık yılı genişliğindeki Laniakea Süper Kümesi'nin içindedir.
• Boşluklar 30–300 milyon ışık yılı çapındadır ve ortalamanın onda birinden az madde içerir.
• Yapı, erken evrendeki küçük yoğunluk farklarının kütle çekimiyle büyümesinden doğdu.
• Yaklaşık 30–200 megaparsekten büyük ölçeklerde evren homojenleşir; bu sınırı zorlayan bazı dev yapılar tartışmalıdır.

Kaynaklar: Wikipedia — Cosmic web, Wikipedia — Laniakea Supercluster, Wikipedia — Void (astronomy), Wikipedia — Observable universe