Hızlı yaşa, genç öl: Evrenin ilk döneminden devasa bir ‘ölü kızıl galaksi’

ZF-COSMOS-20115 adıyla bilinen galaksi Büyük Patlama’dan yaklaşık bir milyar yıl sonra “kırmızı ve ölü” bir galaksi haline geldi. Bu galaksilerin bu kadar eski çağlarda var olması beklenmiyordu

Karl Glazebrook *

Evren sadece 1.65 milyar yaşındayken yeni yıldızlar yaratmayı bırakan büyük galaksinin keşfi, galaksilerin nasıl oluştuğuna ilişkin teorilerimizi gözden geçirmek zorunda kalabileceğimiz anlamına geliyor.
ZF-COSMOS-20115 adıyla bilinen galaksi, yıldız yağmuru sürecinde (Samanyolu’da bugünkü yıldız sayısının üç katından fazla sayıda) tüm yıldızlarını oluşturdu.
Diğer yandan, Büyük Patlama’dan yaklaşık bir milyar yıl sonra “kırmızı ve ölü” bir galaksi haline gelerek yeni yıldızlar yaratmayı bıraktı. Bu galaksiler, bugünkü Evrende yaygın olmakla birlikte, bu kadar eski çağlarda var olması beklenmiyordu. Galaksiler, çok kısa ömürlü olan, sıcak ve mavi yıldızların bulunmaması durumunda yıldız oluşturma işlemini bırakması nedeniyle kırmızıya dönüşür.
Ekibimiz tarafından yapılan bu keşif, bu ayki Nature dergisinde yayınlanan detaylarla birlikte, (bilinen) en yaşlı ‘büyük kırmızı galaksi’ hakkında yeni veriler sunuyor.
Keşif, bu galaksilerin Evrendeki varlığını ispatlamak amacıyla daha önceleri kabul gören galaksi evrim modellerine yeni bir meydan okuma anlamına gelen, inanılmaz derecede nadir bulunan bir veridir.

DAHA ÖNCE KEŞFEDİLENLER
Bu keşfi bağlamına oturtmak amacıyla, erken büyük galaksiler üzerine hakkında kişisel bir araştırma tarihi sunmak istiyorum.
2004 yılında ilginç bir rastlantı sonucu, erken Evrene ilişkin yakın kızılötesi araştırmalarda keşfedilen eski ve devasa galaksilerin varlığı hakkında, Nature dergisine benzer bir makale yazmıştım. O sırada Büyük Patlama’dan 3 milyar yıl sonraki uzayı gözlemliyorduk.
Galaksilerin nasıl oluştuğuna dair görüşlerimizin hızla yeniden yazıldığı bir dönemin başlangıcı olan bu araştırmalar, bilim adamlarının o anda çalıştıkları galaksi oluşum modellerine ilişkin bazı zorluklar içermekteydi.
O zamanlar, hiyerarşik bir düzende ve çok sayıda, birleşmeyle oluşan galaksilerin bir resmi oldukça rağbet görmekteydi. Ancak sorun şu ki; günümüzde var olan bu devasa gökadalar, milyarlarca yıl önce şimdikinden daha az sayıdaydı.
Fakat önemli değişiklikler (kısmen erken oluşan büyük galaksilerdeki bolluğunun gözlemlenmesi, bu devirlerdeki gaz zengini ve disk şeklindeki büyük galaksilerin ve “kırmızı külçelerin” gözlemlenmesi) son derece kompakt, yıldız üretmeyi erken dönemlerde bırakan büyük kütleli eliptik galaksiler oluşturdu.
İçinde birçok galaksinin oluştuğu ve büyüdüğü; şekli, içinde oluşan ve galaksinin bünyesinde oluşan kozmik gazdan meydana gelen yıldızlar tarafından biçimlendirilendirilen bir resme taşındık.
Bilgisayar modellemesine göre, bahsi geçen gaz, kozmik ağ boyunca erken dönemlerde etkili olan soğuk akıntılarla galaksileri besler ve devasa galaksilerin daha hızlı bir şekilde büyümesine olanak sağlar.
Pek çok gökbilimcinin bu gelişmelere katkısı oldu ve benim açımdan da küçük bir katkıda bulunmak keyif vericiydi.

YENİ KEŞİF
Peki, bu yeni keşif ne anlama geliyor? Keşif, 2010 yılından beri Şili’deki Magellan teleskoplarında yürütmekte olduğumuz derin yakın kızıl ötesi görüntüleme aracı ZFOURGE ile yapılan araştırmanın sonuçlarını içermektedir.
2013 yılında Leiden Üniversitesi’nden bir öğrencimiz olan Caroline Straatman, ZFOURGE çalışmasında soluk kırmızı noktalar toplandığını keşfetti.
Bahsi geçen yakın kızılötesi noktalar parlaktı; ancak gözlemlediğimiz diğer 35 dalga boyu bandında çok zayıftı. Bu doruk, kabaca 500 milyon yaşındaki yıldızların varlığını göstermekte; ancak büyük bir oranda kozmik kırmızı frekansa kayma olduğunu ortaya koymaktadır.

Yerel Evrende bu doruk mavi ışıkta görünür, bu nedenle kırmızıya kayma Büyük Patlama’dan yaklaşık 1,5 milyar yıl sonra gelmektedir. Gözlemlenen ışık, hiçbir genç yıldızın bulunmadığını ve yakın kızılötesi parlaklığın (Güneş’in kütlesinden 10¹¹  kat) büyük nesnelerden kaynaklandığını işaret etmekteydi .
Bunu bir bağlamda anlatmak için; Samanyolu galaksisi 12 milyar yıldır sürekli büyümekte ancak 3-5 kat daha az kütlelidir.
Daha da ilginç bir şekilde, galaksiler eliptik biçimde görünmekteydi ve yüksek çözünürlüklü Hubble Uzay Teleskobu gözlemlerinde bile neredeyse noktasal kaynaklardı. Bunlar arasında 5 bin ışık yılından daha az mesafe vardı. Hiç kimsenin beklemeyeceği kadar erken bir zamanda oluşmuş aşırı yoğun kırmızı külçeler şeklindeydi.
2012 yılında Hawaii’de bulunan W. M. Keck teleskoplarında güçlü, yeni bir yakın kızıl ötesi spektrograf kullanıma girdi. Geçen yıl, bahsedilen nesnelerin bazıları üzerinde iki gece boyunca pozlama yapmak için kullandık.
En parlak (ve en büyük) spektruma bakarken hayrete düştük. 500 milyon yıllık yıldızların Balmer emilim hatlarının belirgin özelliklerini gösterdiler. Dahası, mevcut yıldız oluşumuna dair bir işaret yoktu.
Bu galaksi zaten devasaydı ve 500 milyon ile 1 milyar yıl arasında ömrü vardı.
Çok süratli bir şekilde oluşmuş olmalı ve ardından yıldız oluşumu da hızla sona erdi. Bu radikal davranış, kozmik tarihin ilk milyar yıllarındaki galaksi oluşum resimlerinin önemli ölçüde yeniden çizilmesini gerektirebilir.
Peki neden? Açıkçası, galaksilerin, soğuk haldeki karanlık madde halelerinin merkezlerinde oluştuğunu düşünüyoruz. Karanlık madde parçacıkları sıradan atomlardan oluşmamıştır ve parçacık fizikçileri hâlâ bu maddeyi laboratuvarda bulmaya çalışmaktadırlar.
Bu haleler çok erken dönemlerde oluşabilir ve galaksi oluşumu için bir başlangıç vuruşu yapan tohumlar gibi davranabilirler. Karanlık madde olmaksızın herhangi bir galaksinin meydana gelmesi zor olurdu.
Sorun şu ki; bu erken zamanlarda, bu kadar büyük galaksileri barındırmaya yetecek yoğunluktaki bir karanlık madde halesine henüz rastlanmadı. Simülasyon Evrenlerde ulaştığımız sonuç itibariyle; bir yıldız oluşumu göstermeyen galaksi popülasyonu bu kadar erken ortaya çıkmadığı gibi, bir milyar yıl önceki aşırı yıldız üretme hızlarına sahip devasa ataları bulmamız da mümkün olmamıştır.
Bu durumda, galaksi oluşumlarına ilişkin olarak, kimilerinin süratle oluştuğu ve diğerlerinin 12 milyar yılda ortaya çıktığı iki farklı tarife mi ihtiyacımız var?

Bunu zaman gösterecek. Bu alanın geçmişi, teorik topluluğun son derece güçlü bir (öngörünün aksine) songörüye sahip olduğunu gösterdi ve önümüzdeki birkaç hafta içinde bu nesneyi açıklamak için birkaç bildiri hazırlanacağını umuyorum!
Teorisyenlerin ilgisini çeken, galaksi oluşumu çalışmaları oldukça zor bir alandır; Astrofizik karmaşıktır ve yeni gözlemlerle yönlendirilir, bu sebeple de bu alanda çalışmak gayet eğlencelidir.
Bu arada, gruplarımız daha erken dönemlerde oluşan büyük galaksilerin arayışına da devam ediyor. Bunları belirlemek için yeni filtreler tasarladık ve bu yıl İkizler teleskoplarını kullanarak yeni bir araştırmaya başlamayı ümit ediyoruz. Teorisyenler, tahminlerinize şimdiden başlayabilirsiniz…

Karl Glazebrook galaksilerilerin oluşumunu ölçen Gemini Derin Derin Araştırma (GDDS) ekibinin yöneticilerinden biridir. Kızıla kayma araştırmaları yapmak için salla ve karıştır (nod and shuffle) tekniğini ve fizik sistemlerini görsel modellemelere çevirebilen PDL programını geliştirmiştir. 

Bu makalenin orijinali  Real Clear Science sitesinde yayınlanmıştır (Çeviren: Tarkan Tufan)