Webb, genç gökadaların ağır elementleri ne kadar erken dağıttığını gösterdi

James Webb Uzay Teleskobu'nun verileriyle çalışan bir ekip, evren henüz yaklaşık 500 milyon yaşındayken gökadaların karbon, oksijen ve silisyum gibi ağır elementleri çevrelerindeki gaza saçmaya başladığını gösterdi. Nature Astronomy'de yayımlanan çalışmanın başyazarı, Arizona Üniversitesi Astronomi Bölümü'nden doktora sonrası araştırmacı Yongda Zhu. Bulgular, bugünkü yaşının yalnızca yüzde 3-4'ü kadar olan genç bir evrende bile kimyasal zenginleşmenin gökadaların sınırlarını aştığını ortaya koyuyor.

Evren neden başlangıçta "saf"tı?

Büyük Patlama'nın hemen ardından gerçekleşen çekirdek tepkimeleri neredeyse yalnızca hidrojen ve helyum, çok az miktarda da lityum üretti. Gökbilimcilerin "metal" dediği, helyumdan ağır bütün elementler sonradan yıldızların içinde dövüldü. Bu elementler yıldız rüzgârları ve süpernova patlamalarıyla çevreye saçıldı, yeni kuşak yıldızlar, gezegenler ve sonunda yaşam için gereken kimyasal hammaddeyi oluşturdu.

Uzun süre, ilk gökadaların çevresindeki gazın büyük ölçüde bozulmamış, yani neredeyse saf hidrojen ve helyumdan oluştuğu varsayıldı. Ağır elementlerin gökadaların kendi içinde biriktiği, çevrelerine taşınmasının ise daha geç dönemlerde önem kazandığı düşünülüyordu. Zhu'nun ekibinin bulguları bu resmi değiştiriyor.

Gökadanın kendi ışığıyla kendi gazını okumak

Bir gaz bulutunun kimyasını öğrenmenin en güçlü yolu, arkasındaki bir ışık kaynağının ondan geçerken uğradığı değişikliğe bakmak. Gaz, içerdiği her element için belirli dalga boylarındaki ışığı soğurur ve tayfta karanlık çizgiler bırakır. Bu yöntem genellikle çok parlak kuasarlar arka ışık olarak kullanılarak uygulanıyor. Zhu ve arkadaşları ise uzak gökadaların kendi ışığından yararlandı: gökadadan çıkan ışık, çevresini saran gazdan geçerken soğurma izleri taşıyordu.

Ekip, ışığı bize 13 milyar yılı aşkın bir yolculuktan sonra ulaşan üç gökadayı inceledi. Bu kadar sönük kaynaklardan anlamlı tayf elde etmek için toplam yaklaşık 30 saatlik gözlem süresi gerekti. Tayflarda karbon, oksijen ve silisyuma ait belirgin soğurma çizgileri bulundu. Daha da önemlisi, bu çizgiler maviye kaymıştı. Maviye kayma, soğurucu gazın bize, yani gökadadan dışarı doğru hareket ettiğini gösteriyor. Zhu, ağır elementlerin kozmik zamanın çok erken bir döneminde gökadalardan kaçtığını gözlemlediklerini söylüyor.

Bu gözlemlerin neden ancak Webb ile mümkün olduğunu anlamak için evrenin genişlemesini hatırlamak gerekiyor. Bu kadar uzak gökadalardan yola çıkan ışık, yolculuğu boyunca uzayın genişlemesiyle gerilerek kızıla kayıyor. Başlangıçta morötesi bölgede olan karbon ve silisyum çizgileri, bize ulaştığında kızılötesine taşınmış oluyor. Hubble bu dalga boylarında yeterince duyarlı değil; yer teleskoplarının önünde ise atmosferin soğurması duruyor. Webb'in 6,5 metrelik altın kaplı aynası ve kızılötesi aygıtları, bu sönük izleri ilk kez yeterli netlikte yakalayabiliyor.

Erken başlayan bir madde döngüsü

Bulgunun şaşırtıcı bir yanı da şu: bu en eski gökadaların çevresindeki kimyasal imzalar, milyarlarca yıl sonraki çok daha olgun gökadalarda görülenlere oldukça benziyor. Gökbilimciler gökadalarla çevreleri arasındaki bu sürekli alışverişe "baryon döngüsü" diyor. Gökadalar dışarıdan taze gaz çeker, bu gazı yıldıza dönüştürür, ardından süpernovalar ve rüzgârlar aracılığıyla zenginleşmiş gazın bir kısmını geri püskürtür. Püskürtülen gazın bir bölümü sonradan geri düşüp yeniden yıldız oluşumuna katılır. Webb'in verileri, bu döngünün evrenin ilk yarım milyar yılında zaten işlediğini gösteriyor.

Bu, erken gökadaların beklenenden hızlı geliştiğine dair Webb'in getirdiği diğer bulgularla da uyumlu. Teleskop, Büyük Patlama'dan birkaç yüz milyon yıl sonrasına ait şaşırtıcı derecede parlak ve olgun görünen gökadalar bulmuştu. Ağır elementlerin bu kadar erken çevreye yayılması, bu gökadalarda yıldız oluşumunun ve süpernova etkinliğinin yoğun olduğuna işaret ediyor.

İlk yıldızların izini sürmek zorlaşıyor

Çalışmanın bir yan sonucu da Popülasyon III olarak adlandırılan ilk kuşak yıldızlarla ilgili. Bu varsayımsal yıldızların tamamen saf hidrojen ve helyumdan oluştuğu, son derece kütleli ve kısa ömürlü olduğu düşünülüyor. Henüz hiçbiri kesin olarak gözlenmedi. Ağır elementlerin bu kadar erken ve geniş bir alana dağılması, el değmemiş gazın beklenenden hızlı tükendiği anlamına gelebilir. Bu da Popülasyon III yıldızlarını arayan gökbilimcilerin işini zorlaştırıyor: aranacak bozulmamış cepler hem daha az hem de daha kısa ömürlü olabilir.

Üç gökadalık bir örneklem, kesin genellemeler için küçük. Araştırmacılar benzer gözlemlerin daha fazla gökada için tekrarlanması, metal püskürtmenin ne kadar yaygın olduğunun ve hangi tür gökadalarda baskın olduğunun anlaşılması gerektiğini vurguluyor. Yine de sonuç, Webb'in yalnızca ilk gökadaları görmekle kalmayıp onların çevreleriyle nasıl etkileştiğini de okuyabildiğini gösteriyor. Evrenin kimya fabrikaları, sanılandan çok daha erken üretime ve dağıtıma geçmiş görünüyor.