MeerKAT, kozmik ağdaki hidrojenin kümelenmesini ilk kez büyük ölçekte doğrudan ölçtü

Güney Afrika'daki MeerKAT radyo teleskobunu kullanan uluslararası MeerKLASS işbirliği, evrendeki nötr hidrojenin büyük ölçeklerde nasıl kümelendiğini ilk kez doğrudan ölçtüğünü bildirdi. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dergisinde yayımlanan çalışma, hidrojenin dağılımının evrenin büyük ölçekli yapısını, yani kozmik ağı izlediğini gösteriyor. Sonuç, evreni üç boyutlu haritalamak için geliştirilen "yoğunluk haritalama" tekniğinin önemli bir sınavı sayılıyor.

Gökadaları tek tek görmeden harita çıkarmak

Nötr hidrojen 21 santimetre dalga boyunda zayıf bir radyo ışıması yayar. Gökbilimciler evrenin haritasını genellikle gökadaları tek tek tespit edip uzaklıklarını ölçerek çıkarır. 21 cm yoğunluk haritalaması ise farklı çalışıyor: Gökyüzünün geniş parçalarından gelen toplu hidrojen ışımasını, tek tek gökadalar ayırt edilemese bile bir bütün olarak ölçüyor. Evrenin genişlemesi nedeniyle bu ışımanın frekansı kaydığı için farklı frekanslar farklı uzaklıklara karşılık geliyor; böylece harita derinlik de kazanıyor.

Yaklaşımın en büyük düşmanı, hedeflenen sinyalden kat kat parlak olan astrofiziksel önplan ışımaları. Makaleye göre bunlara aletten kaynaklanan etkiler, kalibrasyon belirsizlikleri ve ayıklanamamış zayıf radyo girişimi de eklenince kozmolojik sinyali çıkarmak çok zorlaşıyor. Tekniği gerçek bir kozmoloji aracına dönüştürmek bu yüzden yıllar süren bir uğraş gerektirdi.

Ölçüm nasıl yapıldı?

Ekip, MeerKAT'ın 64 çanağını alışılmış girişimölçer düzeni yerine tek çanak kipinde kullandı; bu yöntem daha büyük ölçeklere erişim sağlıyor. Veriler, MeerKLASS'ın Eylül-Aralık 2021 arasında yürüttüğü ve makaleye göre şimdiye kadarki en derin hidrojen yoğunluk haritalama taraması olan gözlem kampanyasından geliyor. Analiz 971,2 ile 1.023,6 megahertz arasındaki frekansları ve yaklaşık 236 derece karelik bir alanı kapsıyor. Bu alan, gökyüzünde yan yana dizilmiş bin dolunaydan fazlasına denk. Sinyal 0,42 kırmızıya kaymasından, yani ışığın yaklaşık 4,5 milyar yıl önce yola çıktığı bir dönemden geliyor.

Araştırmacılar veriyi gözlemsel olarak birbirinden olabildiğince bağımsız alt kümelere böldü ve her birinde kirletici sinyalleri, önceden bir model varsaymayan çok ölçekli bir temel bileşen analiziyle ayıkladı. Ardından alt kümeleri birbiriyle karşılaştırdı. Mantık basit: Gerçek kozmolojik sinyal bütün alt kümelerde ortak olduğu için öne çıkıyor; her alt kümeye özgü alet gürültüsü ve kalıntı sistematik hatalar ise birbirini tutmadığı için bastırılıyor. Sonuçta hidrojen sinyali 6,2'lik bir sinyal-gürültü oranıyla saptandı.

Önceki sonuçlardan farkı

MeerKLASS hidrojen sinyalini daha önce de yakalamıştı, ama hep başka bir taramaya yaslanarak. 2019'daki pilot taramanın verileri WiggleZ gökada kataloğuyla, 2021 verileri ise GAMA kataloğuyla çapraz ilişkilendirilerek sinyal ortaya çıkarılmıştı. Bu tür çapraz ölçümler güvenilir, ama teknik ancak kendi başına çalıştığında evreni haritalamanın bağımsız bir aracı olabilir.

Kanada'daki CHIME teleskobu da yakın zamanda hidrojen sinyalini yalnız kendi verisiyle saptamıştı; o gelişmeyi de aktarmıştık. Makaleye göre CHIME'ın ölçümü daha küçük ölçekleri kapsıyor; MeerKLASS ise kozmolojinin ihtiyaç duyduğu doğrusal, büyük ölçeklere uzanıyor. MeerKAT'ın girişimölçer verisiyle yapılan başka bir doğrudan ölçüm de yaklaşık bir megaparseklik küçük ölçeklerde kalmıştı. Çalışmanın yazarları arasında analiz altyapısının geliştirilmesinde rol alan Portsmouth Üniversitesi'nden Steven Cunnington da bulunuyor.

Sınırlar ve SKA'ya giden yol

Ekip sonucu temkinle sunuyor. Makaleye göre alt kümelerin kendi güç spektrumlarında, henüz çözülemeyen sistematik etkilere bağlanan fazladan bir sinyal görülüyor. Bu nedenle ölçüm, alt kümeler arasındaki çapraz ilişkiler üzerinden yapıldı ve bu ilişkiler bir dizi sağlamlık testinden geçti. Hidrojenin kozmik bolluğu ile kümelenme eğiliminin çarpımı için elde edilen değerin hata payı da hâlâ geniş.

Yine de sonuç ileriye dönük büyük bir hedef açısından önemli. MeerKAT, kurulumu süren Kilometre Kare Dizisi (SKA) Gözlemevi'nin öncü teleskoplarından biri ve SKA'nın orta frekans çanakları MeerKAT'ın yanında yükseliyor. Yazarlar bu doğrudan ölçümün, yoğunluk haritalama tekniğinin SKA ile yapılacak gelecekteki taramalarda etkili olacağını gösteren bir dönüm noktası olduğunu vurguluyor. Sıradaki büyük soru, aynı başarının daha geniş alanlarda ve farklı uzaklıklarda tekrarlanıp tekrarlanamayacağı.