Erken evrenin fazla parlak gökadalarına yeni açıklama: Lyman-alfa ışığı sisi süpürüyor

James Webb Uzay Teleskobu'nun erken evrene ait gözlemleri beklenmedik bir tablo çizmişti: Büyük Patlama'dan sonraki birkaç yüz milyon yılda, mevcut bilgilerin öngördüğünden çok daha fazla parlak gökada vardı. Simons Vakfı'na bağlı Flatiron Enstitüsü ile Teksas Üniversitesi Dallas'tan (UT Dallas) iki araştırmacı bu bilmeceye bir yanıt önerdi. The Astrophysical Journal'da 4 Kasım'da yayımlanan çalışmaya göre genç yıldız kümelerinin yaydığı güçlü morötesi ışık, bir yaprak üfleyici gibi ışığı engelleyen gaz ve tozu gökadanın dışına savurmuş ve gökadaları olduğundan daha parlak göstermiş olabilir.

Çalışmanın baş yazarı Flatiron Enstitüsü Hesaplamalı Astrofizik Merkezi'nden Shyam Menon, ortak yazarı ise UT Dallas'tan Aaron Smith. Menon, Lyman-alfa ışınımının seyrek gaz ve tozu çok hızlı biçimde itebildiğini, adeta sisi dağıtarak erken evrendeki yıldızları çok daha net görmemizi sağladığını söylüyor.

Kendini defalarca soğurtan ışık

Lyman-alfa, bir elektronun bir hidrojen atomuyla çarpışmasıyla ya da bir hidrojen iyonuyla birleşmesiyle üretilen morötesi bir ışınım. Gaz ya da toz bu ışığı soğurduğunda, sert bir atışı yakalayan beyzbol eldiveni gibi geri teper; ışık maddeye bir itme kuvveti uygular. Buna ışınım basıncı deniyor. Bazı gökbilimciler, uç durumlarda bu etkinin yıldız oluşumunu durduracak kadar güçlü olup olamayacağını merak ediyordu.

Lyman-alfayı özel kılan, maddeyle etkileşme biçimi. Çoğu ışık türü bir atom ya da toz tanesi tarafından soğurulduğunda farklı bir dalga boyunda yeniden yayılır ve tekrar soğurulma olasılığı azalır. Hidrojen atomları ise Lyman-alfayı soğurduktan hemen sonra aynı dalga boyunda yeniden salar. Böylece ışık, sonunda kaçıp gidene kadar çevredeki hidrojen atomlarınca defalarca soğurulup yeniden yayılır. Bu durum Lyman-alfayı çok güçlü bir basınç kaynağı yapıyor, ama her etkileşimin ayrı ayrı modellenmesi gerektiğinden benzetimini de son derece zorlaştırıyor.

Yoğun bölgelerde kütleçekim, seyrek bölgelerde ışık kazanıyor

Menon ve Smith bu zorluğu dolaylı bir yoldan aştı. Erken evrende yıldız kümesi doğuran yoğun bulutların daha önce yapılmış ışınım-hidrodinamik benzetimlerinden anlık kesitler aldılar ve COLT adlı Monte Carlo kodunu kullanarak Lyman-alfa basıncının bu bulutlardaki gaz ve toza uygulayacağı kuvveti hesapladılar. Benzetimlerde toz oranı, Güneş komşuluğundaki değerin sıfırı ile onda biri arasında değiştirildi.

Sonuçlar iki farklı tablo ortaya koydu. Yıldız kütlesinin büyük bölümünün toplandığı yoğun ipliksi yapılarda ışığın itmesi kütleçekimini yenmeye yetmedi; gaz geri tepse de bulutta tutsak kaldı. Makaleye göre Lyman-alfanın gazın yıldıza dönüşme verimine etkisi yüzde 10 civarında kaldı. Bu verim, biraz toz içeren ortamlarda yüzde 60'ın, tümüyle tozsuz ortamda bile yüzde 25'in üzerinde hesaplandı; yakın evrendeki yıldız doğum bölgelerinde tipik olan yüzde 10'un altındaki değerlerden çok daha yüksek. Gaz hacminin büyük kısmını oluşturan seyrek bölgelerde ise ışık kütleçekimini yendi ve 4 milyon yıldan kısa sürede güçlü rüzgârlar başlatabildi. Çalışmaya göre incelenen toz düzeylerinin tamamında Lyman-alfa basıncı, öteki morötesi ve kızılötesi ışınım basınçlarından yaklaşık 3 ila 500 kat daha baskın.

İki sonuç birlikte ilginç bir resim çiziyor: Yıldız oluşumu yoğun çekirdeklerde verimli biçimde sürerken yıldızların arasındaki seyrek gaz ve toz dışarı süpürülüyor. Bu da yıldızlarla bizim aramızdaki görüş hattını açıyor ve gökadanın daha parlak görünmesine katkıda bulunuyor.

Buzdağının görünen kısmı

Menon'a göre sonuçlar önemli bir adım olsa da yalnızca buzdağının görünen kısmı. Yöntem, Lyman-alfa basıncını benzetimin içinde kendi kendine tutarlı biçimde izlemiyor; hazır benzetim kesitleri üzerinden sonradan hesaplıyor. Erken evrendeki tozun doğası da hâlâ yeterince anlaşılmış değil. Etkinin tam olarak kavranması için Lyman-alfa ışınımını, gaz akışlarını ve yıldız oluşumunu birlikte işleyen benzetimler gerekiyor. Menon, Stockholm Üniversitesi'nden Olof Nebrin ile Smith'in bu etkilerin iki boyutta modellenebildiğini gösterdiğini belirtiyor; hedef, bilgisayar gücü ve algoritmalar geliştikçe aynısını üç boyutta yapabilmek.

Makalenin çıkış noktası da Webb'in kütleçekimsel merceklenmiş alanlarda gördüğü bir eğilim: Kozmik şafaktaki gökadalar yıldız oluşumlarını çok yoğun ve sıkışık kümelerde topluyor olabilir. Bu kümelerin kara delik tohumlarıyla olası bağını daha önce ele almıştık. Parlak gökada fazlalığının tek bir nedene mi yoksa birkaç etkenin birleşimine mi dayandığı ise hâlâ açık bir soru.