Webb'in doğruladığı dev tozlu gökada Leviathan, beklenenden çok daha yayvan çıktı

James Webb Uzay Teleskobu, erken evrendeki en büyük toz örtülü gökadalardan birinin uzaklığını kesinleştirdi ve şaşırtıcı bir yapı ortaya koydu. William M. Baker liderliğindeki ekibin 19 Ekim'de arXiv'de paylaştığı çalışmaya göre Leviathan adlı gökada, evren yaklaşık 1,5 milyar yaşındayken yaklaşık 219 milyar Güneş kütlesinde yıldız barındırıyordu. Ancak bu yıldızlar beklendiği gibi küçük ve yoğun bir çekirdekte toplanmamış, geniş bir diske yayılmış durumda.

Bulgu, erken evrendeki dev gökadaların nasıl büyüdüğüne dair yaygın bir varsayımı sorgulatıyor. Çalışma Astronomy & Astrophysics dergisine kısa makale olarak gönderildi ve henüz hakem değerlendirmesinden geçmedi.

Tozun ardındaki yıldız fabrikaları

Leviathan, "milimetre altı gökadaları" (SMG) denen sınıfa giriyor. Bu gökadalar yılda yüzlerce, hatta binlerce Güneş kütlesinde yıldız üretiyor; ama yoğun toz, yıldızlardan gelen morötesi ve görünür ışığı soğurup daha uzun dalga boylarında, milimetre altı bantta yeniden yayıyor. Bu yüzden optik teleskoplarda sönük, radyo ve milimetre altı gözlemlerde ise son derece parlak görünüyorlar. Leviathan da milimetre altı gözlemlerle daha önce biliniyordu, ama kesin uzaklığı ancak Webb'in NIRSpec tayfölçeriyle belirlenebildi.

Gökbilimcilerin uzun süredir savunduğu bir senaryoya göre bu tozlu gökadalar, bugün gördüğümüz dev eliptik gökadaların ataları. Evren genç olduğu dönemde yıldız oluşumu durmuş "sakin" dev gökadalar çok küçük ve sıkışık görünüyor: Işıklarının yarısı yalnızca 0,2 ile 1 kiloparseklik bir yarıçap içine sığıyor. Bu gökadaların ataları da yoğun yıldız çekirdeklerini çok hızlı kurmuş olmalı. Sorun şu ki tozun yaydığı ışık yalnızca o anda yıldız oluşan bölgeleri gösteriyor; daha önce doğmuş yıldızların nerede durduğunu görmek için Webb'in kızılötesi duyarlılığı gerekiyordu.

Ölçümler ne gösteriyor?

Ekip, gökadanın tayfında hidrojen ve iyonlaşmış azot salma çizgilerini saptayarak kırmızıya kaymasını 4,051 olarak ölçtü. Morötesinden milimetre bandına uzanan 31 ayrı dalga boyu bandındaki parlaklığı yıldız ve toz modelleriyle karşılaştırarak yıldız kütlesini hesapladı; bu değer Leviathan'ı kırmızıya kayması 4'ün üzerinde tayfla doğrulanmış en büyük kütleli gökadalardan biri yapıyor. Araştırmacılara göre bu kütle yine de standart kozmoloji modeliyle (ΛCDM) uyumlu; bunun için yaklaşık yüzde 20'lik bir yıldız oluşum verimliliği, yani gökadanın erişebildiği sıradan maddenin kabaca beşte birini yıldıza çevirmiş olması yetiyor.

Gökada yılda yaklaşık 400 Güneş kütlesinde yıldız üretiyor; bu, o dönemdeki yıldız oluşturan gökadaların büyük kütleli ucuna denk düşüyor. Asıl şaşırtıcı olan boyut: Işığın yarısını içeren yarıçap 4,3 kiloparsek, kütlenin yarısını içeren yarıçap ise 3,1 kiloparsek. Bu, aynı kütledeki sakin gökadalardan üç kat büyük. Kütlenin ışığa göre biraz daha merkezde toplanması, merkezin önce oluşup dış bölgelerin sonradan büyüdüğü "içten dışa" gelişime işaret ediyor. Toz da yıldızlardan yalnızca biraz daha sıkışık, yaklaşık 2,2-2,5 kiloparseklik bir alana yayılmış.

Sıkışık bir çekirdeğe dönüşmesi zor

Araştırmacıların hesabına göre gökadadaki gazın tamamı yıldıza dönüşse bile Leviathan ancak yaklaşık 2,8 kiloparseklik bir boyuta küçülebilir; merkezi yoğunluğu da sıkışık sakin gökadalarınkinin altında kalıyor. Ekip bu nedenle, yıldız oluşumu bugünkü dağılımıyla sürerse Leviathan'ın o dönemin sıkışık sakin gökadalarına benzemeyeceğini, bunun yerine geniş, disk benzeri bir sakin gökadaya dönüşebileceğini öne sürüyor.

Ekip, Leviathan'ı benzer kütle ve yıldız oluşum hızına sahip ama üç kat daha küçük olan GN20.2b gökadasıyla karşılaştırıyor. İkisinin yan yana konması, erken evrendeki büyük tozlu gökadaların çok farklı iç yapılara sahip olabildiğini ve hepsinin kütlesini yoğun bir çekirdekte toplamadığını gösteriyor.

Tek gökada, sınırlı genelleme

Sonuç tek bir gökadaya dayanıyor ve kütle hesapları, toz ve yıldız modellerinin varsayımlarına bağlı. Makalenin hakem sürecinden geçmesi ve daha geniş örneklerin incelenmesi, tozlu dev gökadaların hangi oranda sıkışık, hangi oranda yayvan yapılara evrildiğini anlamak için gerekecek. Webb'in kızılötesi gözlemleri ile ALMA'nın milimetre altı haritalarının birlikte kullanılması bu sorunun yanıtında belirleyici olacak.