Kozmik mikrodalga arka ışımasında galaksi kümelerinin dönüşüne ilk sağlam kanıt

Büyük Patlama'dan yaklaşık 380 bin yıl sonra salınan ve bugün tüm gökyüzünü dolduran sönük ışıma, yani kozmik mikrodalga arka ışıma (KMAI), galaksi kümelerinin içindeki gazın nasıl hareket ettiğine dair de bilgi taşıyor. Columbia Üniversitesi'nden Samuel Goldstein ve J. Colin Hill, Physical Review Letters'ta yayımlanan çalışmalarında, küme içi gazın dönüşünün KMAI üzerinde bıraktığı izin ilk sağlam kanıtını sundu. Makaleye göre sinyalin rastlantısal bir dalgalanma olma ihtimali yüzde 99,98 güvenle dışlanıyor.

Dönen gazın sıcak ve soğuk yüzü

KMAI fotonları bir galaksi kümesinden geçerken, kümedeki iyonlaşmış sıcak gazın elektronlarından saçılıyor. Gaz bize doğru hareket ediyorsa Doppler etkisi nedeniyle arka ışıma o bölgede çok az daha sıcak, bizden uzaklaşıyorsa daha soğuk görünüyor. Bu olaya kinetik Sunyaev-Zeldoviç (kSZ) etkisi deniyor. Dönme ekseni görüş doğrultumuza dik olan bir kümenin bize yaklaşan yarısı biraz sıcak, uzaklaşan yarısı biraz soğuk görünmeli; ortaya bir "dipol", yani iki kutuplu sıcaklık deseni çıkıyor. Dönen gazın yarattığı bu özel biçime dönel kinetik Sunyaev-Zeldoviç (rkSZ) etkisi adı veriliyor.

Etki o kadar zayıf ki tek bir kümede saptanamıyor. Pennsylvania Üniversitesi'nden Eric Baxter ve meslektaşlarının daha önceki çalışması sinyale dair ilk ipuçlarını vermişti. Goldstein ve Hill daha büyük bir örneklem ve yeni veri analizi teknikleriyle duyarlılığı artırmayı hedefledi.

25 küme üst üste

Ekip, Sloan Dijital Gökyüzü Taraması'nda (SDSS) en az 50 üye galaksisi kayıtlı, X-ışını kataloglarıyla da eşleşen 25 yakın ve kütleli galaksi kümesi seçti. Makaleye göre kümeler 0,02 ile 0,09 arasındaki kırmızıya kayma değerlerinde, yani kozmik ölçekte görece yakında. Her kümenin dönme ekseni, üye galaksilerin hareketlerinden kestirildi. Ardından Avrupa Uzay Ajansı'nın Planck uydusunun KMAI haritasından her kümenin çevresi kesilip alındı, kesitler dönme eksenleri aynı yöne bakacak biçimde döndürüldü, kümelerin büyüklüğüne göre ölçeklendi ve ortalaması alındı.

Araştırmacılar duyarlılığı artırmak için her kümeyi en uygun biçimde ağırlıklandırdı ve haritalardaki gürültüyü azaltmak için Planck'ın kutuplanma (polarizasyon) verisinden de yararlandı. Birleştirilmiş haritada kümelerin bir yanı daha sıcak, öteki yanı daha soğuk çıktı. Rastgele konumlarda yapılan aynı işlemlerin yalnızca yüzde 0,02'si bu büyüklükte bir dipol üretti; bu, 3,6 sigmalık bir kanıta karşılık geliyor. Makaleye göre sinyalin genliği ve biçimi, güncel hidrodinamik simülasyonların öngörüleriyle nitel olarak uyumlu.

Neden önemli?

kSZ etkisi son yıllarda hareketli bir araştırma alanı, çünkü evrendeki iyonlaşmış gazın hem nerede bulunduğunu hem de ne hızla hareket ettiğini yoklayabiliyor. Goldstein'ın anlatımıyla bugüne kadarki kSZ analizlerinin çoğu, gökada ve kümelerin içindeki ve çevresindeki gazın dağılımını ölçmeye odaklanmıştı. Bu çalışma ise tek tek kümelerin içindeki ve birleşmekte olan sistemlerdeki gaz hareketlerini yokluyor. Böylece KMAI verisi, galaksi kümelerinin dinamik durumunu, yani ne kadar "sakin" ya da "çalkantılı" olduklarını incelemek için yeni bir araç hâline geliyor.

Sınırlar ve sıradaki adım

Fizikte bir keşfin kesinleşmesi için genellikle 5 sigmalık bir anlamlılık aranıyor; 3,6 sigma güçlü bir kanıt sayılsa da bu eşiğin altında. Ayrıca saptanan sinyal yalnızca düzenli dönüşten değil, küme birleşmeleri gibi diğer gaz hareketlerinden de kaynaklanabiliyor; mevcut veri bu ikisini ayırt etmeye yetmiyor. Goldstein, aynı sinyali Karanlık Enerji Tayf Aleti'nin (DESI) yeni gökada verisi ve Simons Gözlemevi'nin KMAI verisiyle aramayı planladığını söylüyor. Bu iki veri setinin birlikte, düzenli dönüşü özellikle birleşmelerin sürüklediği küçük ölçekli gaz hareketlerinden ayırmayı mümkün kılması bekleniyor. Ekip geliştirdiği yöntemlerin KMAI'deki başka sönük etkilerin aranmasında da kullanılabileceğini düşünüyor.