Ay'ın arkasından evrenin karanlık çağını dinleyecek küçük uydu: CosmoCube

Evrenin ilk yıldızları doğmadan önceki dönem, gökbilimin neredeyse hiç gözlenemeyen bölümü. O dönemde ışık saçan bir kaynak yoktu; ancak evreni dolduran nötr hidrojen, son derece zayıf bir radyo izi bıraktı. Cambridge Üniversitesi liderliğindeki uluslararası bir ekibin geliştirdiği CosmoCube, bu izi Ay yörüngesinden dinlemeyi amaçlayan küçük bir uydu görevi. Birleşik Krallık Uzay Ajansı'nın desteklediği proje, Dünya kaynaklı radyo gürültüsünü engellemek için Ay'ın uzak tarafını doğal bir kalkan olarak kullanmayı planlıyor.

Karanlık çağ nedir?

Büyük Patlama'dan yaklaşık 380 bin yıl sonra evren, elektronların ve protonların birleşip nötr hidrojen atomları oluşturabileceği kadar soğudu. Bu anda serbest kalan ışık, bugün kozmik mikrodalga arka plan ışıması olarak gözleniyor. Sonrasında evren, ilk yıldızlar ve galaksiler ortaya çıkıncaya kadar yüz milyonlarca yıl süren bir karanlığa gömüldü. Gökbilimciler bu döneme kozmik karanlık çağ diyor. Karanlık çağ, ilk yıldızların ışığıyla sona erdi; bu geçiş de kozmik şafak olarak anılıyor.

Karanlık çağı gözlemenin bilinen tek yolu, nötr hidrojenin yaydığı ya da soğurduğu 21 santimetrelik radyo dalgası. Hidrojen atomundaki elektronun dönme yönü protonunkine göre ters döndüğünde, atom 1420 megahertz frekansında çok küçük bir enerji yayar ya da soğurur. Bu sinyal evrenin genişlemesi nedeniyle büyük ölçüde gerildi; karanlık çağdan gelen kısmı bugün 50 megahertzin altındaki çok düşük frekanslara düşüyor.

Neden Ay'ın arkası?

Bu kadar düşük frekanslarda Dünya'dan gözlem yapmak neredeyse imkânsız. Dünya'nın iyonosferi bu frekansları büyük ölçüde soğuruyor ya da bozuyor. Üstelik radyo ve televizyon yayınları, uydu haberleşmesi ve diğer insan kaynaklı gürültüler, aranan sinyalden milyonlarca kat daha güçlü.

Ay'ın uzak tarafı bu açıdan eşsiz bir konum. Ay, kendi ekseni çevresindeki dönüşüyle Dünya çevresindeki dolanımı eşitlendiği için Dünya'ya hep aynı yüzünü gösteriyor. Arka tarafında bulunan bir alıcı, Ay'ın kütlesiyle Dünya'nın radyo gürültüsünden korunuyor. Ay yörüngesindeki bir uydu da her turunun bir bölümünü bu radyo gölgesinde geçiriyor. CosmoCube'un planına göre uydu, her yörünge turunda bir süre Dünya'nın parazitinden yalıtılmış kalacak ve gözlemlerini bu aralıklarda yapacak.

Çok zayıf bir sinyali ayıklamak

Karanlık çağ sinyali, Samanyolu'nun kendi radyo yayınından kabaca yüz bin ila milyon kat daha zayıf. Bu nedenle asıl zorluk, sinyali yakalamaktan çok onu ön plan gürültüsünden ayırmak. CosmoCube bu iş için iki aşamalı bir strateji izleyecek. Uzay aracının alıcısı, kendi elektronik gürültüsünü sürekli ölçüp düzelten bir kalibrasyon düzeni kullanacak; böylece aracın kendisinden kaynaklanan sahte sinyaller ayıklanabilecek. Dünya'ya gönderilen veriler ise Bayesçi istatistik yöntemleriyle işlenerek galaksinin radyo yayını ve antenin yanıtından kaynaklanan bozulmalar modellenecek.

Ekibin başındaki isimlerden Cambridge Cavendish Laboratuvarı'ndan Eloy de Lera Acedo, aynı yöntemleri Güney Afrika'daki REACH radyo deneyinde de kullanıyor. Yerdeki bu çalışmalar, uzaydaki ölçümün analiz zincirinin sınanması için bir hazırlık işlevi görüyor.

Tartışmalı bir ölçüm alanı

21 santimetrelik sinyalin gökyüzü ortalamasını ölçmek, son yıllarda kozmolojinin en tartışmalı alanlarından biri oldu. 2018'de EDGES deneyi, kozmik şafak dönemine karşılık gelen 78 megahertz civarında beklenenden çok daha derin bir soğurma izi bildirdi. Sonuç, karanlık maddenin sıradan maddeyle etkileşimi gibi egzotik açıklamalara kapı açtı; ancak Hindistan'daki SARAS 3 deneyi aynı izi doğrulayamadı. Bu deneyim, yer tabanlı ölçümlerin ne kadar hassas kalibrasyon gerektirdiğini gösterdi ve uzaydan gözlemlere olan ilgiyi artırdı.

CosmoCube ise kozmik şafaktan daha eski bir döneme, karanlık çağa odaklanıyor. Bu dönemin fiziği görece basit olduğu için ölçülecek sinyal kuramsal olarak oldukça iyi tahmin edilebiliyor. Bu da sonucu, standart kozmoloji modelinin ve karanlık maddenin erken evrendeki davranışının hassas bir sınaması hâline getiriyor.

CosmoCube'un dikkat çeken yanlarından biri ölçeği. Görevin, küp uydu sınıfında küçük bir platformla, büyük uzay teleskoplarına kıyasla çok düşük bir maliyetle gerçekleştirilmesi planlanıyor. Ay'ın uzak tarafında radyo gözlemi yapmayı amaçlayan tek proje de değil: Çin, Ay yörüngesinde düşük frekans gözlemi için bir uydu dizisi planlıyor, ABD'de ise Ay'ın arka yüzüne bir radyo alıcısı indirmeyi hedefleyen projeler sürüyor.

CosmoCube'un fırlatılma tarihi henüz kesinleşmiş değil. Görev başarılı olursa, evrenin ilk birkaç yüz milyon yılına dair bugüne kadar elde edilememiş doğrudan bir ölçüm sunacak ve küçük, ucuz uyduların kozmolojinin en temel sorularına katkı verebileceğini gösterecek.