Kanada'nın CHIME teleskobu, evrenin gençliğindeki hidrojeni yalnız kendi verisiyle saptadı

Kanada'daki CHIME radyo teleskobu (Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment), uzak evrendeki nötr hidrojen gazının çok sönük radyo ışımasını ilk kez başka bir gözlemevinin verisine başvurmadan, yalnız kendi gözlemleriyle saptadı. The Astrophysical Journal'da 28 Eylül'de yayımlanan iki makaleye göre yakalanan sinyal, evrenin yaklaşık beş milyar yaşında olduğu döneme ait. British Columbia Üniversitesi'nin (UBC) açıklamasına göre sonuç, karanlık enerjiyi incelemek için daha hızlı ve daha ucuz bir yolun önünü açıyor.

Hidrojen neden iz sürmeye yarıyor?

Hidrojen evrendeki en bol element ve yıldızların ham maddesi. Nötr hidrojen atomları 21 santimetre dalga boyunda zayıf bir radyo ışıması yayar. Evren genişledikçe bu ışığın dalga boyu yolculuk boyunca uzar; bu yüzden ışımanın teleskoba hangi frekansta ulaştığı, ne kadar eski bir dönemden geldiğini de gösterir. Çalışmanın ortak yazarı Toronto Üniversitesi'nden Arnab Chakraborty, hidrojenin bu sönük ışımasının maddenin uzaya nasıl dağıldığını gösteren kozmik bir iz sürücü gibi davrandığını söylüyor.

CHIME'ın kullandığı yönteme "yoğunluk haritalaması" deniyor: tek tek galaksileri ayırt etmek yerine geniş bir bölgedeki hidrojenin toplam ışıması ölçülüyor. Böylece evrenin çok büyük hacimleri taranabiliyor ve zamanda daha geriye bakılabiliyor. Galaksi taramaları benzer soruları çok daha ayrıntılı ışıkla yanıtlıyor; ancak UBC'nin açıklamasına göre milyonlarca dolar daha pahalıya mal oluyor ve ağırlıkla yıldız oluşturacak kadar sıcak ve yoğun bölgeleri görüyor.

Karanlık enerjiye yeni bir pencere

Karanlık enerji, evrenin genişlemesini hızlandırdığı düşünülen ama doğası bilinmeyen etken; modern fiziğin en büyük açık sorularından biri. Maddenin büyük ölçekte nasıl kümelendiğini farklı dönemlerde ölçmek, evrenin zaman içinde ne hızla genişlediğini yeniden kurmanın bir yolu. CHIME bu ölçümü artık kendi başına yapabildiği için karanlık enerjiye dair birbiriyle çelişen kuramları bağımsız olarak sınayabilecek.

Şimdiye kadar CHIME ekibi hidrojen sinyalini görebilmek için kendi radyo verisini başka teleskopların galaksi kataloglarıyla karşılaştırmak, yani çapraz ilişkilendirme yapmak zorundaydı. Yeni çalışma ise sinyalin teleskobun kendi haritasındaki kümelenmeden, öz ilişki (otokorelasyon) yoluyla çıkarılabildiğini gösteriyor. CHIME'ın baş araştırmacısı UBC'den Mark Halpern, bunu Kanadalıların tasarlayıp kurduğu ve finanse ettiği bir aletle elde edilmiş tamamen yeni bir teknik olarak nitelendiriyor.

Gürültünün altından çıkan sinyal

İş kolay değildi. Hidrojen sinyali, evrenin kendisinden gelen radyo gürültüsünün, insan yapımı vericilerin ve teleskobun kendi etkilerinin oluşturduğu çok daha güçlü bir arka planın içine gömülü. Makalenin arXiv'deki özetine göre ekip, radyo parazitini saptayıp ayıklayan yeni algoritmalar, renkten bağımsız ışın oluşturma teknikleri ve ön plan kaynaklarını süzme gibi işlem hattı iyileştirmeleri geliştirdi. Ölçüm, 2019'da toplanan 94 gecelik gözleme dayanıyor ve 608,2 ile 707,8 megahertz arasındaki frekansları kapsıyor; bu aralık, kırmızıya kayma cinsinden 1,01 ile 1,34 arasına karşılık geliyor. Sinyalin istatistiksel anlamlılığı 12,5 sigma.

UBC'ye göre ekip olası hidrojen imzasını bulduktan sonra sonucun gerçek olduğundan emin olmak için bir yıldan uzun süre test yaptı. Chakraborty, bunun yanlış alarm olmadığına kendilerini ikna etmek için çok uğraştıklarını, bütün testlerin ardından sinyalin yerinde durduğunu anlatıyor.

Hidrojenin yüzde ikisi nötr

Eşlik eden ikinci makale, sinyalin ne anlattığını yorumluyor. Arizona Eyalet Üniversitesi'nden Shabbir Shaikh'a göre veriler, o dönemde evrendeki hidrojenin kabaca yüzde ikisinin nötr atom halinde bulunduğuna işaret ediyor; bu değer başka ölçümlerle genel olarak uyumlu. Hidrojenin nasıl dağılıp kümelendiğini ölçmek, galaksilerin nasıl oluşup evrildiğine dair modelleri sınamanın da yeni bir yolu.

Sırada ne var?

CHIME, Britanya Kolumbiyası'nda Penticton yakınında, Kanada Ulusal Araştırma Konseyi'nin (NRC) ev sahipliğinde çalışıyor ve her gün bütün kuzey gökyüzünü tarıyor. Projede UBC, McGill ve Toronto üniversiteleri ile NRC'nin Dominion Radyo Astrofizik Gözlemevi yer alıyor. Yeni sonuç teleskobun topladığı verinin küçük bir bölümüne dayanıyor; ekibin elinde yaklaşık yedi yıllık gözlem var. Araştırmacılar yöntemi, evrenin yalnızca üç milyar yaşında olduğu daha erken dönemlere genişletmeyi hedefliyor.

Tek bir ölçümle karanlık enerjinin doğası çözülmüş değil: sonuç, uzun süredir umut bağlanan bir tekniğin pratikte işlediğini gösteren ilk adım. Asıl sınav, daha geniş veriyle evrenin genişleme geçmişinin ne kadar hassas ölçülebileceğinde olacak.