Evren daha az yıldız doğuruyor ama yakıt hâlâ yerinde

Evren, yıldız üretiminin en verimli döneminin çok gerisinde kaldı ve yeni yıldız doğumu her geçen milyar yılda biraz daha azalıyor. Bunun en akla yatkın açıklaması, yıldızların hammaddesi olan gazın tükenmesi gibi görünüyordu. Çin Bilimler Akademisi'nden Hong Guo'nun da aralarında bulunduğu uluslararası bir ekibin çalışması ise farklı bir tablo ortaya koyuyor: Son 4,5 milyar yılda yıldız oluşum hızı belirgin biçimde düşerken, galaksilerdeki nötr atomik hidrojen deposu şaşırtıcı derecede az değişti.

Kozmik öğleden bugüne

Evrenin yıldız oluşum tarihi oldukça iyi biliniyor. Yıldız üretimi, yaklaşık 10 milyar yıl önce, kırmızıya kaymanın 2 civarında olduğu dönemde zirveye ulaştı. Gökbilimciler bu döneme "kozmik öğle" diyor. O zamandan bu yana evrenin ortalama yıldız oluşum hızı sürekli azalıyor. Yeni çalışmaya göre 4,5 milyar yıl önce, yani Güneş Sistemi'nin oluştuğu dönemlerde, evrendeki yıldız oluşum hızı bugünkünün yaklaşık 2,5 katıydı.

Peki bu düşüşün nedeni gerçekten yakıt kıtlığı mı? Bunu anlamak için gazın kendisini ölçmek gerekiyor ve iş burada zorlaşıyor.

21 santimetrelik zayıf sinyal

Galaksilerdeki soğuk gazın büyük bölümü nötr atomik hidrojen (HI) halinde bulunuyor. Bu gaz, 21 santimetre dalga boyunda çok zayıf bir radyo ışıması yayıyor. Uzak galaksilerden gelen bu sinyali tek tek ölçmek son derece güç. Ekip bu nedenle iki büyük veri setini birleştirdi.

Birincisi, Çin'in Guizhou eyaletindeki 500 metre açıklıklı küresel radyo teleskobu FAST. Dünyanın en büyük tek çanaklı radyo teleskobu olan FAST, 4.450 üçgen panelden oluşuyor ve ilk ışığını Eylül 2016'da aldı. İkincisi, ABD'deki Mayall teleskobuna takılı Karanlık Enerji Tayf Aracı (DESI); bu aygıt milyonlarca galaksinin konumunu ve uzaklığını hassas biçimde ölçüyor. Araştırmacılar, DESI'nin belirlediği yaklaşık 2,5 milyon galaksinin konumunda FAST verilerini bir araya getirerek gökyüzünün yaklaşık 12.000 derecekarelik bir bölümünde, son 4,5 milyar yılı kapsayan yüksek hassasiyetli bir HI ölçümü elde etti.

Beklenmedik sonuç

Sonuç ekibin beklentisinin tersi oldu. 4,5 milyar yıl önce kozmik HI yoğunluğu bugünkünün yalnızca yaklaşık 1,4 katıydı. Ekip, sistematik düzeltmeler hesaba katıldığında da HI miktarındaki düşüşün yaklaşık üçte bir düzeyinde kaldığını, aynı dönemde yıldız oluşum hızının ise yaklaşık yüzde 60 düştüğünü buldu. Galaksilerin yıldız kütlesine oranla taşıdığı HI miktarı da çok az değişmiş görünüyor.

Hong'a göre bu, yakıtın tükenmesinin yıldız oluşumundaki yakın dönem düşüşünü tek başına açıklayamayacağı anlamına geliyor. Yıldız oluşumu belirgin biçimde azalırken kozmik atomik hidrojen deposu şaşırtıcı derecede sabit kalmış.

Darboğaz nerede?

Yıldızlar doğrudan atomik hidrojenden değil, çok daha soğuk ve yoğun moleküler hidrojen (H2) bulutlarından doğuyor. Atomik gaz, galaksilerin dış çevresinden gelen gaz akışı ile yıldız oluşturan moleküler bulutlar arasında bir ara depo işlevi görüyor. Çalışma, darboğazın bu depoda değil, "baryon döngüsü" adı verilen süreçte olabileceğini öne sürüyor.

Baryon döngüsü, sıradan maddenin galaksiler ile aralarındaki ortam arasında sürekli alışverişini kapsıyor: Gaz kozmik ağdan galaksilere akıyor, yıldız patlamaları ve kara delik etkinliğiyle yeniden dışarı itiliyor. Araştırmacılara göre kozmik ağdan gelen taze gaz akışı zayıfladıkça, atomik hidrojenin moleküler hidrojene dönüşme verimi de düşüyor. Toplam atomik gaz neredeyse sabit kalırken, yıldızların doğduğu moleküler gaz azalıyor ve yenilenmiyor. Kısacası evrenin deposunda yakıt var, ama yakıtı motora taşıyan hat yavaşlamış durumda.

Neden önemli?

Bu bulgu, galaksilerin neden zamanla "sönüp" yıldız üretimini yavaşlattığını açıklamaya çalışan modeller için önemli bir sınama. Yıldız oluşumunun düşüşünü yalnızca gaz miktarıyla açıklayan yaklaşımların yetersiz kaldığını, gazın durumu ve akışının da hesaba katılması gerektiğini gösteriyor.

Sırada ne var?

FAST, bu yöntemle ancak yaklaşık 7,2 milyar yıl öncesine kadar bakabiliyor. Daha erken dönemleri, özellikle kozmik öğleyi de kapsayacak ölçümler için farklı frekanslarda daha derin taramalar gerekiyor. Yapımı süren yeni nesil radyo teleskopları, bu boşluğu doldurmak için umut veriyor.

Kısaca

• 4,5 milyar yıl önce yıldız oluşum hızı bugünkünün yaklaşık 2,5 katıydı.
• Aynı dönemde nötr hidrojen yoğunluğu yalnızca yaklaşık 1,4 katıydı.
• Çalışmada FAST ve DESI ile yaklaşık 2,5 milyon galaksi incelendi.
• Düşüşün nedeni yakıt kıtlığı değil, gazın moleküler hale geçişindeki yavaşlama olabilir.