James Webb Uzay Teleskobu'nun yapmak için tasarlandığı şeylerden biri de Evren'deki en eski nesnelerden bazılarına bakmaktı. Ve Büyük Patlama'dan sadece 250 milyon yıl sonra var olan galaksileri görüntüleyerek şimdiden olağanüstü bir başarı elde etti. Ancak bu galaksiler küçük, kompakt ve bugün cüce galaksi olarak adlandırdığımıza benzer bir kapsamdaydı, bu da ışıklarını neyin ürettiğini belirlemeyi zorlaştırıyordu: yıldızlar mı yoksa çekirdeklerinde aktif olarak beslenen süper kütleli bir kara delik mi?
Nature dergisi bu hafta, görüntülediğimiz bazı ek galaksilerin de Büyük Patlama'dan sadece 300 milyon yıl sonrasına ait olduğunu teyit ediyor. Kritik olarak, bunlardan biri parlak ve nispeten büyüktür, bu da ışığının çoğunun merkezi kara delikle aynı alandan kaynaklanmak yerine çekirdeğini çevreleyen bir yıldız halesinden geldiği sonucuna varmamızı sağlar. Bu bulgu, Büyük Patlama'dan sadece 200 milyon yıl sonra başlayan ve devam eden bir yıldız oluşumu patlamasıyla oluştuğu anlamına gelmektedir.
Yaş Kontrolleri
Burada söz konusu olan galaksiler ilk olarak Hubble Ultra Derin Alan için görüntülenen alanın bir kısmını içeren JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) görüntüleme programı sırasında görüntülendi. Başlangıçta, eski galaksiler Webb'in kızılötesi görüntüleme kameralarından birindeki filtrelerin bir kombinasyonu kullanılarak tespit edildi.
Evrenin büyük bir kısmı hidrojenden oluşur ve erken galaksilerin yaşını belirlemek için hidrojen elektronunun Lyman serisi adı verilen en enerjik geçişleri aranır. Bu geçişler spektrumun UV bölgesinde yer alan fotonlar üretir. Ancak milyarlarca yıl boyunca seyahat eden ışığın kırmızıya kayması bu fotonları spektrumun kızılötesi bölgesine kaydıracaktır ki Webb de bunu tespit etmek için tasarlanmıştır.
Bunun pratikteki görünümü, hidrojen ağırlıklı materyalin en yüksek enerjili Lyman geçişine kadar geniş bir ışık aralığı yayacağıdır. Bu enerjinin üzerinde fotonlar seyrek olacaktır (parçacıkları hızlandıran süreçler gibi şeyler tarafından hala üretilebilirler). Enerji spektrumundaki bu noktaya "Lyman kırılması" denir ve spektrumdaki konumu kaynağın ne kadar uzakta olduğuna bağlı olarak değişir; kaynağa olan mesafe arttıkça kırılma kızılötesinde daha derinlerde görünecektir.
İlk araştırmalar, Webb'in kameralarında kızılötesi spektrumun farklı alanlarını kesen filtreler kullanarak Lyman kırılmasını kontrol etti. Araştırmacılar, düşük enerjilerde ortaya çıkan ancak daha yüksek enerjili kızılötesi fotonları seçen bir filtre değiştirildiğinde kaybolan nesneleri aradılar. İki filtre tarafından geçmesine izin verilen fotonlar arasındaki enerji farkı, Lyman kırılmasının nerede olması gerektiğine dair kabaca bir tahmin sağlayabilir.
Lyman kırılmasının yerini tespit etmek için yakın kızılötesi ışık spektrumunun tamamını örnekleyebilen bir spektrografla görüntüleme yapmak gerekir. Neyse ki Webb'de de bunlardan bir tane var. Yeni yayınlanan çalışma, NIRSpec'in JADES görüntülerinde bulunan üç erken galaksiye çevrilmesini içeriyordu.
Çok Fazla, Çok Erken
Analize katılan araştırmacılar bu galaksilerden yalnızca ikisinden veri elde edebildiler. NIRSpec, Webb'in kameralarından birinin toplayabildiği kadar ışık toplayamıyor ve bu nedenle üçünden en soluk olanı analiz için yeterli veri üretemedi. Ancak diğer ikisi, galaksileri kabaca z = 14 kırmızıya kayma ölçüsüne yerleştiren çok net veriler üretti, bu da onları Büyük Patlama'dan 300 milyon yıl sonra göründükleri gibi gördüğümüz anlamına geliyor. Her ikisi de keskin Lyman kırılmaları gösteriyor ve spektrumun düşük enerjili kısmına doğru ilerledikçe ışık miktarı kademeli olarak düşüyor.
Galaksilerden birinde ağır iyonize karbon atomlarından kaynaklanan emisyonlara dair hafif bir ipucu var, ancak hidrojenin ötesinde başka herhangi bir spesifik elemente dair bir işaret yok.
İki galaksiden biri oldukça kompakttı, bu yüzden daha önce doğruladığımız bu yaştaki diğer galaksilere benziyordu. Ancak diğeri, JADES-GS-ZZ14-0, oldukça farklıydı. Yeni başlayanlar için, son derece parlak, şimdiye kadar görüntülediğimiz yüzlerce galaksi arasında en parlak üçüncü uzak galaksi. Ve yeterince büyük olduğu için tüm ışığının çekirdekten kaynaklanması mümkün değil. Bu da baktığımız şeyin, maddeyle beslenen süper kütleli bir kara delik tarafından desteklenen aktif bir galaktik çekirdeğin bulanık bir görüntüsü olma ihtimalini ortadan kaldırıyor.
Bunun yerine, baktığımız ışığın çoğu JADES-GS-ZZ14-0'ın yıldızlarından kaynaklanmış gibi görünüyor. Bu yıldızların çoğu genç ve modern galaksileri karakterize eden tozdan çok az var gibi görünüyor. Araştırmacılar yıldız oluşumunun en az 100 milyon yıl önce (yani Büyük Patlama'dan sadece 200 milyon yıl sonra) başladığını ve aradan geçen sürede hızlı bir şekilde devam ettiğini tahmin ediyor.
Daha önceki verilerle birleştirildiğinde araştırmacılar bunun "parlak ve büyük galaksilerin Büyük Patlama'dan sadece 300 [milyon yıl] sonra var olduğunu ve sayı yoğunluklarının JWST öncesi gözlemlere dayanan tahminlerden on kat daha fazla olduğunu" doğruladığını yazıyor. Başka bir deyişle, Evren'in erken dönemlerinde düşündüğümüzden çok daha fazla galaksi vardı ve bu da Evren'in içeriğini ve evrimini anlamamızda bazı sorunlar yaratabilir.
Bu arada, son derece parlak galaksinin erken keşfi, dışarıda bizim keşfimizi bekleyen bir dizi benzer galaksi olduğu anlamına geliyor. Bu da önümüzdeki yıllarda NIRSpec için çok fazla zaman gerekeceği anlamına geliyor.
Kaynak: Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07860-9