Kozmik Uzaklıklar: Evrende Ne kadar Uzağı Görebiliriz?

Evren yaklaşık 92 milyar ışık yılı çapında ve teorik olarak 46 milyar ışık yılı uzağı görebiliriz. Oysa ışık hızı saniyede 299 bin 792,458 km ile sabittir. Bu yüzden ne kadar uzağa bakarsak o kadar eskiyi görürüz. Dahası evren büyük patlamadan beri genişliyor ve kozmik uzaklıklar artıyor. Galaksiler de ne kadar uzaksa o kadar hızlı uzaklaşıyor.

Peki 31 Ekim 2021’de fırlatılacak James Webb ve 2025’te yörüngeye girecek WFIRST uzay teleskoplarıyla daha uzak galaksileri görebilir miyiz? En uzak galaksiye ek olarak 13,69 milyar yıl önce oluşan ilk yıldızların fotoğrafını da çekebilir miyiz? Peki 2029’da devreye girdiğinde Hubble’dan 10 kat ve Webb’den 4 kat güçlü olacak Magellan yer teleskopu dururken neden hâlâ uzay teleskopları kullanıyoruz? Kozmik uzaklıkları kavramak için bilinen en uzak galaksiye bakalım.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Gördüğümüz en uzak galaksi

Galaksilerle aramızdaki uzay genişlediği için galaksi ışığının dalga boyu uzuyor ve ışık kırmızıya kayıyor. Bu bağlamda evrende görebildiğimiz en uzak galaksi Gnz-11’dir. Onu da Hubble uzay teleskopu ultra derin uzay taramasıyla gördük. Kırmızıya kayma oranı (z) 11,09 olan bu galaksi bugün 32 milyar ışık yılı uzakta. Oysa biz onu 13,4 milyar yıl önce yeni oluştuğu haliyle görüyoruz; çünkü Gnz-11’in 13,4 milyar yıl önce yaydığı ışık bize daha yeni ulaşıyor. Dahası galaksinin gerçek uzaklığı 32 milyar ışık yılı olduğundan Gnz-11’in ışığı iyice kırmızıya kayarak soluklaşıyor. Peki yeni uzay teleskoplarıyla evrende daha uzağı görmek mümkün mü? Evrende görebileceğimiz uzaklığın fiziksel bir sınırı var mı?

Bütün bu sorular önemli; çünkü günümüzde en erken 377 milyon yıl önce uzaya yayılan ışığı görebiliyoruz. Oysa ilk galaksiler evren 250-330 milyon yaşında ve ilk yıldızlar da yalnızca 80-100 milyon yıl yaşındayken oluştu. Ondan önce ise kozmik karanlık çağ ve radyasyon çağı var. Kısacası evrenin nasıl oluştuğunu anlamak için gittikçe uzağa bakıp evrenin bebekliğini görmemiz gerekiyor. Peki yeni ve daha güçlü teleskoplarla bunu nasıl yaparız? Öncelikle evrende görebileceğimiz uzaklığın sadece teknolojiyle ve ışığın kırmızıya kaymasıyla sınırlı olmadığını belirtelim. Görüşümüzü sınırlayan 3 temel engel var:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

1. Kozmik uzaklıklar ve kırmızıya kayma

Karşımıza çıkan ilk engel ışığın kırmızıya kaymasıdır. En uzak galaksilerin hem ışığı soluklaşır hem de kırmızıya kayar, yani morötesi ve görünür ışıktan çıkıp kızılaltına geçer. İnsan gözü kızılaltını göremez ama bunu derimizde ısı olarak algılarız. En uzak galaksilerin ışığı ise aşırı ölçüde kırmızıya kayar. Bu yüzden bize yakın kızılaltı ve ırak kızılaltı dalga boylarına duyarlı teleskoplar gerekir. Hubble da GN-z11’i yakın kızılaltı dalga boylarında görüntüledi. Gnz-11’in ışığı evren bugünkü yaşının yalnızca yüzde 3’üne erişmişken yola çıkmıştı. Bize 2014’te ulaştı.

Buna rağmen en uzağı görmek benim gibi 5 numara miyop gözlüğü takmaya benzemez. O kadar uzağı görmek için birçok hile yapmanız ve gelişmiş teknolojilerden yararlanmanız gerekir. Mesela Hubble bunun için Gelişmiş Tarama Kamerası kullandı. Kameranın diyaframını açık bırakarak uzayı uzun süre pozladı. Gökyüzünde çok geniş bir alanı taradı ve uzaydan gelen her fotonu yakalayarak odaklamaya çalıştı. Dahası yapay zeka ile görüntüyü netleştirdi. Buna karşın Hubble’ın sınırları vardır:

Bunlardan ilki teleskopun duyarlı olduğu dalga boyudur. Nitekim kırmızıya kayma yüzünden birçok galaksinin ışığının dalga boyu Hubble’ın göremeyeceği kadar uzuyor. Bu arada Hubble’ın görebileceği en uzun dalga boyu 2 mikron, yani metrenin milyonda ikisine eşittir. Bu da insanların görebileceği en uzun kırmızı ışıktan sadece 3 kat uzundur. Hubble aslında bir yakın kızılaltı teleskoptur.

Özetle

Gnz-11 daha uzak olsa ışığı Hubble’ın göremeyeceği kadar kırmızı olacaktı. Teknik dille söylersek Gnz-11 galaksisinin büyük kısmını oluşturan hidrojen atomlarındaki elektronların ikinci yörüngeden en alt yörüngeye geçerken yaydığı ışık (ki bir galaksinin ana ışık kaynağı budur) yaklaşık 121 nanometre (metrenin milyarda 121’i) kırmızıya kayarak neredeyse 1,5 mikrona uzamıştır. Demek ki Hubble’ın donanımı yetmiyor. Evrende daha uzağı görmek için bize daha güçlü teleskoplar gerekiyor. Peki bunun için ne yapacak ve ne tür teknolojiler kullanacağız?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

2. Kozmik uzaklıklar ve nötr atomlar

Elimizde iki seçenek var: 1) Ya kara delikler gibi doğrudan ışık saçmayan veya gaz ve toz bulutlarının ardında gizlenen yıldızları görmek için radyo teleskoplar kullanacağız; yani ışık yerine radyo dalgalarıyla çalışacağız 2) ya da yakın kızılaltı yerine gerçek kızılaltı teleskoplar kullanacağız. Dünya atmosferi kızılaltı ışığı büyük ölçüde emip dağıttığı için mecburen uzaya yeni teleskoplar göndereceğiz. Geç bile kaldık!

Ben James Webb uzay teleskopunu 1999’da Focus popüler bilim kültür dergisine yazarken NASA onu 2007’de uzaya fırlatmayı planlıyordu. Oysa fırlatılması 31 Ekim 2021’e ertelendi! 😮 Buna rağmen iki numaralı seçeneği kullanan Webb o kadar güçlü ki geç olsun da güç olmasın diyoruz. Güçlü derken 28 mikronluk kızılaltı ışınları, yani Hubble’ın görebildiğinden ~14 kat uzunları görecek. Öyleyse Webb evrende oluşan ilk yıldızı da görebilecek mi? Hayır. Onu da kör eden bir durum var: Nötr atomlar.

Büyük patlamadan kalan ışık evrene 380 bin yaşındayken yayıldı. Ondan önce evren saydam değil, mattı ve siyah uzay boşluğu henüz oluşmamıştı. Bu nedenle James Webb’in evrenin ilk uzun ömürlü çağı olan radyasyon çağını, yani uzayın tümüyle plazmayla kaplığı olduğu yılları görüntülemesi imkansız. Peki evren 80 milyon yaşındayken oluşan ilk yıldızları görebilir miyiz?

Hayır

Bu kez de ışığı nötr atomlar kesiyor. ☹ Bunlara uzaydaki soğuk ve gaz bulutları diyebilirsiniz. İlk yıldızlar, yani ilk gökcisimleri bugün bize en uzak nesnelerdir. Uzay son 13,7 milyar yılda o kadar genişledi ki ilk yıldızlarla aramızda çok sayıda gaz ve toz bulutu (bulutsu) bulunuyor. İlk yıldızların ışığı aşırı kırmızıya kayıyor ve bulutsular en çok uzak kızılaltı ışınları emiyor. Kısacası Webb en uzun kızılaltı dalgaları göremediği için değil, bulutsular bu banttaki ışığı kestiği için ilk yıldızları göremeyeceğiz.

Peki Gnz-11’i nasıl gördük?

Kolay mı oldu sanıyorsunuz? Aynı bulutsular yakın kızılaltı ışınlarda Hubble’ı kör etti; ancak Gnz-11 konusunda şanslıydık. Bu galaksiyle aramızda yer alan çok sayıda yıldız gaz ve toz bulutunu radyasyon basıncıyla uzaya üflemişti. Aramızdaki uzay tozdan temizlendiği için galaksinin ışığı bize kolayca ulaştı. Oysa bilimde işimizi şansa bırakmayız. Bu yüzden James Webb’i gerçek kızılaltını görecek şekilde donattık: Hubble evrenin 440 milyon yıllık halini, Webb ise 250 milyon yıllık halini görecek. Öyle ki James Webb’in hiç değilse ilk galaksileri göreceğine kesin gözüyle bakıyoruz. Peki ya WFIRST veya diğer adıyla Roman Uzay Teleskopu? O ne işe yarayacak?

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Kozmik uzaklıklar ve Roman teleskopu

Hubble teleskopu kozmik uzaklıkları görmek için üç CCD’ye sahip. Bunlardan biri 1024 x 1024 çözünürlükte ve 0,8 ila 1,7 mikronda, piksel başına gökyüzünde 0,13 açı saniyesini görüyor. Gerçi Hubble’ın 2048 x 4096 çözünürlüğe sahip iki sensörü daha var. Bu sensörlerin ikisi bir araya geldiğinde 0,2 – 1,0 mikron dalga boyunda piksel başına 0,04 açı saniyesi görüyor. Kısacası Hubble uzayda çok uzağı ancak dar açıyla görebiliyor. Oysa Roman teleskopunun her biri 4 megapiksel olan 18 CCD’si var. Toplam 72 megapiksel çözünürlükteki görüş açısı ise 0,5-2,0 mikronda 0,11 açı saniyesidir.

Öte yandan her iki teleskopun ana aynası 2,4 metre çapla aynıdır. Dolayısıyla Roman teleskopu Hubble ile aynı uzaklığı görecek ama ondan 275 kat geniş bir alanı görüntüleyecek. Böylece daha çok yıldız ve galaksi keşfedecek. Bu da numune sayısını artırarak bize yıldızlar ve galaksilerin evrimiyle ilgili daha kesin bilgiler verecek. Roman teleskopu evrenin şimdiki ve geçmişteki genişleme hızını Hubble’dan daha kesin ölçecek. Böylece karanlık madde ve evrenin genişlemesinden sorumlu karanlık enerji hakkında daha net bilgi sağlayacak. Peki James Webb teleskopunun rolü nedir?

10 milyar dolarlık Webb Teleskopu

İlgili yazı: 14 Yaşında Kendini Donduran Kız

 

Kozmik uzaklıklar ve James Webb

Hubble ve Roman yakın kızılaltında çalışırken, hatta Roman biraz daha uzun dalgaları görürken James Webb gerçek kızılaltında 28 mikronluk dalga boyunu bile görecek. Ayrıca 2,4 metre çapında olan 4,5 metrekarelik Hubble aynası yerine, 6,5 metre çapında olan 42,25 metrekarelik aynasıyla Hubble’dan 6,25 kat daha fazla ışık toplayacak.

Elbette uzayda her seferinde çok daha geniş bir alanı tarayacak ve aynı anda 100 galaksiyi inceleyebilecek. Tek zaafı (Hubble’dan 100 kat güçlü olmasına rağmen) kızılaltı ışığın dalga boyu uzayıp da 28 mikrona yaklaştıkça bakış açısının biraz daralması olacak. Bu sebeple James Webb’in ilk galaksi kümelerine adeta gözünü kısarak dikkatle bakması gerecek. Neyse ki 13,75 milyar yıl önce evren çok küçüktü ve galaksiler bir araya toplanmıştı. O yüzden bakış açısının az daralması sorun değil.

NASA’nın bunu özellikle seçtiğini de belirtelim: Kızılaltı dalgalar 1 mm’ye kadar uzanıyor ama James Webb’in amacı kızılaltından mikrodalgaya geçmek değil. Onun görevi kozmik mikrodalga artalan ışımasına odaklanan (CMB) Planck uydusundan farklı. James Webb evrenin oluştuğu an yerine ilk yıldız kümelerinin, ilk galaksiler ve galaksi kümelerinin oluşumuna odaklanacak. Dolayısıyla CMB evrenin oluştuğu noktaya karşılık geliyor ve o nokta bugün bize yaklaşık 46 milyar ışık yılı uzakta yer alıyor. Oysa bildiğimiz uzayzaman büyük patlamayla oluştu. Bu yüzden CMB gökyüzünde her yerde bizi sarıyor.

Teleskopların işbirliği

Sanki evren bir küre de biz tam merkezinde duruyor ve oradan iç yüzeyine afiş gibi basılmış CMB’ye bakıyoruz…  James Webb ise aynı zamanda yaşama uygun öte gezegenleri araştıracak ve Dünya benzeri gezegenlerin atmosferinden süzülerek geçen ışığın tayfına bakacak. Böylece atmosferin kimyasal bileşimini görüp yaşam belirtisi oksijen içerip içermediğini araştıracak. Gördüğünüz gibi her konuda iyi bir teleskop yapamayız. Bunlar yerden kalkmayacak kadar ağır ve uzay ajanslarını batıracak kadar pahalı olur. Oysa evrende ilk oluşan galaksileri görmeyi zorlaştıran çok basit bir neden daha var:

İlgili yazı: Planck Kalıntısı Mikroskobik Kara Delikler Nerede?

 

Kozmik uzaklıklar ve soluk ışıklar

Bu yazıda gözümüzü kör eden en basit engeli en sona sakladım. 😉 Uzak galaksilerin ışığı kırmızıya kaymasa bile göremeyeceğimiz kadar soluktur. Neden derseniz aramızdaki uzaklık o kadar büyük ki ışık ışınları uzayda 13,7 milyar yıl yol aldıktan sonra aşırı genişliyor. En iyi teleskoplarımızla bile artık bunları el feneri huzmesi kadar geniş değil, neredeyse tek tek fotonlar halinde görüyoruz. Sonuç olarak en eski galaksilerden bize sadece bir veya iki foton ulaşacak. Koca galaksiyi gösteren 2 foton! 😮 Doğrusu yerçekimi merceği olmasa en uzak galaksileri asla göremezdik.

Şöyle düşünün: En uzak galaksilerle aramızda çok sayıda galaksi var ve kütle uzayı büker. Bunların toplam kütlesi milyar kere trilyon Güneş kütlesine ulaşır. Gerçi lokal uzaydaki galaksi sayısı uzayı aşırı bükmeye yetmez. Buna karşın çok uzun mesafelerdeki galaksi sayısı bizim bakış açımızdan uzayı aşırı büker. Böylece ışığı da bir mercek gibi büküp Dünya’ya odaklar. Bu da normalde göremeyeceğimiz kadar soluk galaksileri görmeyi sağlar. Tabii bunun bir bedeli var: Işığın aşırı çarpılması ve bulanıklaşması:

Öyle ki en uzak galaksileri yamru yumru göreceğiz. İçindeki yıldızları, galaksinin yapısını ve merkezindeki süper kütleli kara deliği seçemeyeceğiz. Sadece galaksiyi göreceğiz fakat amaç kozmik uzaklık rekoru kırmak olunca bu da yeter değil mi? 😉 Öyleyse yazıyı toparlayabiliriz:

Yamuk ve bulanık galaksiler

Hubble evrenin her seferde ancak 32 milyonda birini görebiliyor. Çinliler de yeni Tiangong uzay istasyonuna Hubble ayarında bir teleskop takacaklar ama bu teleskop 300 kat daha geniş bir alanı görecek! Her seferinde evrenin ~107 binde birini görüntüleyecek. Zengin Amerikalılar yepyeni teknolojiler geliştirirken Çinliler şimdilik ve haklı olarak mevcut teknolojileri iyileştiriyor. Oysa evreni keşfetmek için bize bu da lazım. Neden derseniz:

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Kozmik uzaklıklar için sonsöz

Astronomiyle ilgili bir sloganım olsa “Evrenin bütün teleskopları birleşin!” derdim. Biz de kozmik uzaklıklar yazısını Şili’de 2029’da kullanıma girecek olan Magellan yer teleskopuyla bitirelim. Bu teleskopu ayrıca yazdığım için Hubble’dan 10 kat ve James Webb’den 4 kat güçlü olduğunu söylemekle yetineceğim. Oysa Dünya atmosferi en uzak galaksileri görmek için gereken kızılaltı ışınları emiyor. Bu da ışığı dağıtıp bulandırıyor.

Ayrıca ozon tabakası morötesi ışınları kesiyor. Bu nedenle Dünya yörüngesinde ya da James Webb gibi Dünya’dan 1,5 milyon km uzakta dönen uzay teleskopları kullanmamız gerekiyor. Peki öte gezegenlerde yaşam aramanın 5 yolu nedir? Onu da şimdi okuyabilir, başka gezegenlerde yeni oluşan uydulara bakabilir ve Gezegen Avcısı TESS’in bulduğu 3 yeni öte gezegeni görebilirsiniz. Hızınızı alamayıp yaşama dünyadan uygun 24 gezegeni de hemen inceleyebilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Hubble’dan 10 Kat Güçlü Magellan Teleskopu

¹The missing light of the Hubble Ultra Deep Field
²Interactive Cosmology Visualization Using the Hubble UltraDeep Field Data in the Classroom
³Edge-on galaxies in the Hubble Ultra Deep Field