Samanyolu diski iki hızda yassılaştı: dönüm noktası 10,85 milyar yıl önce

Samanyolu'nun diski bugünkü ince hâlini tek bir sakin süreçle değil, birbirinden çok farklı iki aşamada almış. Kanarya Adaları Astrofizik Enstitüsü (IAC) öncülüğündeki uluslararası bir ekip, Avrupa Uzay Ajansı'nın Gaia uydusunun verilerini ve yıldızlar için hesaplanan çok hassas yaşları kullanarak diskin yaklaşık 10,85 milyar yıl öncesine kadar hızla yassılaştığını, o tarihten bu yana ise çok yavaş inceldiğini buldu. Çalışma The Astrophysical Journal Letters'ta yayımlandı.

Bulgu, gökadamızın yapısına dair onlarca yıllık bir tartışmada taraf tutuyor. Samanyolu'ndaki yıldızların çoğu iki diske dağılmış durumda: genç yıldızlardan oluşan ince bir disk ve daha yaşlı yıldızların bulunduğu kalın bir disk. Bu iki yapının nasıl oluştuğu, gökada astrofiziğinin temel sorularından biri.

İki açıklama, tek bir ölçüt

IAC'nin açıklamasına göre bugüne kadarki gözlemler iki farklı senaryoyla da uyumluydu. Birincisine göre yıldızlar her zaman ince bir diskte doğuyor; zamanla gaz bulutları, sarmal kollar ya da gökadanın merkezindeki çubuk yapıyla karşılaşmaları onları "sarsıyor" ve diskin düzleminden uzaklaştırıyor. İkinci senaryoda ise yıldızlar, içinden doğdukları gaz giderek durulup yerleştikçe her seferinde daha ince bir katmanda oluşuyor.

İki senaryoyu ayırt etmenin yolu, yıldızların yaşını hassas biçimde bilmekten geçiyor. Bu da özellikle en yaşlı yıldızlar için son derece zor. Ekip bu sorunu, Avrupa Araştırma Konseyi'nin desteklediği ve IAC'nin yürüttüğü ChronoGal projesiyle aştı. Proje, Gaia'nın ölçtüğü parlaklık ve renklerden yola çıkarak yıldız yaşlarını yüzde 5'ten daha iyi bir doğrulukla hesaplıyor. IAC'ye göre bu, en yaşlı yıldızlar için bile yaklaşık 500 milyon yıllık bir hata payına karşılık geliyor. Gaia ise bir milyardan fazla yıldızın konumunu, hareketini ve parlaklığını ölçen bir ESA görevi.

İlk 2 milyar yılda kalınlığın yarıdan fazlası gitti

Araştırmacılar diskin kalınlığını "ölçek yüksekliği" denen bir büyüklükle ifade ediyor. Ölçek yüksekliği, yıldızların disk düzleminden yukarı ve aşağı doğru ne kadar yayıldığını gösteren bir ölçü. Çalışmaya göre yıldızlar ne kadar gençse diskin düzlemine o kadar yakın duruyor, ancak bu ilişki sabit bir hızla ilerlemiyor.

Makalede dönüm noktası 10,85 milyar yıl önce (artı eksi 130 milyon yıl) olarak hesaplanıyor. Bundan önce disk çok hızlı yassılaşmış: Yalnız 2 milyar yıl içinde ölçek yüksekliği 1,26 kiloparsekin üzerinden, yani 4.100 ışık yılından fazladan, yaklaşık 0,5 kiloparseke, yani 1.600 ışık yılı dolayına inmiş. Makaleye göre bu dönemde incelme hızı milyar yılda yaklaşık 1,88 kiloparsek. Dönüm noktasından sonra ise süreç belirgin biçimde yavaşlamış; hız milyar yılda yaklaşık 0,038 kiloparseke düşmüş. Bugün yeni oluşan yıldızlarda ölçek yüksekliği 0,1 kiloparsek civarında, bu da yaklaşık 400 ışık yılına karşılık geliyor.

"Baş aşağı" oluşum modeli güç kazandı

Ekibin vardığı sonuç şöyle: Yıldızlar hep ince bir diskte doğup sonradan dışarı itilseydi, disk yavaş ve sürekli bir şekilde kalınlaşırdı. Veriler bunun yerine erken dönemde çok hızlı bir değişim gösteriyor. IAC'nin açıklamasına göre böylesine ani bir değişim yavaş ve kademeli bir süreçle açıklanamaz; hele ki sık sık başka gökadalarla çarpışan genç bir gökadada hiç açıklanamaz.

Bulgular, gökbilimcilerin "baş aşağı" (upside-down) dediği modele uyuyor. Bu modelde disk ince değil kalın doğuyor, çünkü yıldızların oluştuğu gaz başlangıçta son derece çalkantılı. Gaz durulup yerleştikçe yeni yıldızlar giderek daha ince bir katmanda oluşuyor. Yazarlara göre kalın disk bu ilk çalkantılı dönemde, ince disk ise çok daha sakin geçen sonraki dönemde oluştu.

Çalışmanın baş yazarı, IAC ve La Laguna Üniversitesi'nde doktora öncesi araştırmacı olan David Mirabal, sonucun astrofizikteki klasik bir sorunu çözdüğünü söylüyor. Mirabal'a göre simülasyonlarda iki disk oluşum modeli de mümkündü, ancak Samanyolu'nda hangisinin gerçekleştiğini belirleyecek gözlemsel kanıt eksikti. Mirabal, bunun gökadanın erken dönemi için iki modelden birini destekleyen ilk açık gözlemsel kanıt olduğunu ve bunun en yaşlı yıldızlar için ulaşılan yüksek hassasiyet sayesinde mümkün olduğunu vurguluyor.

Sınırlar ve açık sorular

Makaleye göre analiz, Güneş'in çevresindeki yıldızlarla, yani disk düzleminin en fazla 1 kiloparsek (yaklaşık 3.260 ışık yılı) yukarısında ve aşağısında kalan bir örneklemle yapıldı. Veriler Gaia'nın üçüncü veri yayınından alındı ve yıldızlar hareketlerine göre "soğuk" ve "sıcak" disk gruplarına ayrıldı. Dolayısıyla sonuç, gökadanın Güneş'e yakın bölgesinin geçmişini yansıtıyor; diskin merkeze yakın ya da çok uzak kesimlerinin aynı yolu izleyip izlemediği ayrıca sınanmayı bekliyor.

Samanyolu'nun ilk dönemlerine dair gözlemler son yıllarda hızla çoğalıyor. Örneğin Hubble verileri, gökadamızın genç bir cüce gökadayla erken bir birleşme yaşadığını gösterdi (ayrıntılar). Çalkantılı ilk dönemle bu tür birleşmeler arasındaki ilişkinin ayrıntıları ise ChronoGal gibi yaş ölçümlerinin daha geniş bir bölgeye yayılmasıyla netleşebilir.

Çalışmaya IAC ve La Laguna Üniversitesi'nin yanı sıra Granada Üniversitesi, Carlos I Kuramsal ve Hesaplamalı Fizik Enstitüsü, İtalya Ulusal Astrofizik Enstitüsü'nün (INAF) Abruzzo Gözlemevi, İtalya Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü (INFN) ve Kanada'daki Victoria Üniversitesi'nden araştırmacılar katıldı.