Özet: En eski galaksilerin, doğrudan incelenmesi mümkün olmayan karanlık maddenin çekim gücünün yıldızları tutuşturmaya yetecek kadar hidrojen ve helyumu yavaşça içine çekmesiyle oluştuğu düşünülmektedir. Ancak astrofizikçiler şimdi Büyük Patlama'dan sonra hidrojen ve helyum gazının yoğun, yavaş hareket eden soğuk karanlık madde kümelerinden süpersonik hızlarda sıçradığını gösteriyor. Gaz binlerce yıl sonra geri çekildiğinde, yıldızlar bir anda oluşarak küçük, olağanüstü parlak galaksiler yarattı. Eğer soğuk karanlık madde modellemeleri doğruysa, James Webb Teleskobu evrenin erken dönemlerinde parlak galaksiler bulabilmeli ve karanlık madde hakkındaki teoriler için ilk etkili testi sunabilmelidir. Aksi takdirde, bilim insanları karanlık madde ile ilgili çizim tahtasına geri dönmek zorunda kalacaklar.
Geçtiğimiz bir buçuk yıl boyunca James Webb Teleskobu, Büyük Patlama'dan kısa bir süre sonra oluşan uzak galaksilerin şaşırtıcı görüntülerini sunarak bilim insanlarına evrenin bebekliğine dair ilk bakışlarını verdi. Şimdi, bir grup astrofizikçi çıtayı yükseltti: Zamanın başlangıcına yakın en küçük, en parlak galaksileri bulun, yoksa bilim insanları karanlık madde hakkındaki teorilerini tamamen yeniden düşünmek zorunda kalacaklar.
UCLA astrofizikçileri liderliğindeki ekip, Büyük Patlama'dan sonra küçük galaksilerin oluşumunu izleyen simülasyonlar yürüttü ve ilk kez gaz ile karanlık madde arasındaki daha önce ihmal edilen etkileşimleri hesaba kattı. Oluşan galaksilerin çok küçük, çok daha parlak olduğunu ve bu etkileşimleri hesaba katmayan tipik simülasyonlarda olduğundan daha hızlı oluştuğunu, bunun yerine çok daha sönük galaksiler ortaya çıkardığını buldular.
Cüce galaksiler olarak da adlandırılan küçük galaksiler evrenin her yerinde bulunur ve genellikle en eski galaksi türünü temsil ettikleri düşünülür. Bu nedenle küçük galaksiler, evrenin kökenini araştıran bilim insanları için özellikle ilgi çekicidir. Ancak buldukları küçük galaksiler her zaman bulmaları gerektiğini düşündükleri şeylerle eşleşmiyor. Samanyolu'na en yakın olanlar daha hızlı dönüyor veya simülasyonlardaki kadar yoğun değiller, bu da modellerin bu gaz-karanlık madde etkileşimleri gibi bir şeyi atlamış olabileceğini gösteriyor.
The Astrophysical Journal Letters'da yayımlanan yeni araştırma, gazla karanlık madde etkileşimlerini ekleyerek simülasyonları geliştiriyor ve bu sönük galaksilerin evrenin tarihinin erken dönemlerinde, henüz oluşmaya başladıklarında beklenenden çok daha parlak olabileceğini ortaya koyuyor. Yazarlar, bilim insanlarının Webb teleskobu gibi teleskoplar kullanarak beklenenden çok daha parlak olan küçük galaksileri bulmaya çalışmalarını öneriyor. Eğer sadece sönük olanları bulurlarsa, o zaman karanlık madde hakkındaki bazı fikirleri yanlış olabilir.
Karanlık madde, elektromanyetizma ya da ışıkla etkileşime girmeyen varsayımsal bir madde türüdür. Dolayısıyla optik, elektrik ya da manyetizma kullanılarak gözlemlenmesi mümkün değildir. Ancak karanlık madde yerçekimiyle etkileşime girer ve varlığı, gözlemlenebilir evrenin tamamını oluşturan sıradan madde üzerindeki yerçekimsel etkilerinden çıkarılmıştır. Evrendeki maddenin %84'ünün karanlık maddeden oluştuğu düşünülse de, karanlık madde hiçbir zaman doğrudan tespit edilememiştir.
Tüm galaksiler geniş bir karanlık madde halesi ile çevrilidir ve bilim insanları karanlık maddenin galaksilerin oluşumu için gerekli olduğunu düşünmektedir. Astrofizikçilerin galaksi oluşumunu anlamak için kullandıkları "standart kozmolojik model", evrenin erken dönemlerinde, karanlık madde kümelerinin yerçekimi yoluyla sıradan maddeyi nasıl içine çektiğini, yıldızların oluşumuna neden olduğunu ve bugün gördüğümüz galaksileri yarattığını açıklamaktadır. Soğuk karanlık madde olarak adlandırılan karanlık madde parçacıklarının çoğunun ışık hızından çok daha yavaş hareket ettiği düşünüldüğünden, bu birikim sürecinin kademeli olarak gerçekleşmesi gerekirdi. Ancak 13 milyar yıl önce, ilk galaksilerin oluşumundan önce, Büyük Patlama'dan gelen hidrojen ve helyum gazından oluşan normal madde ile karanlık madde birbirlerine göre hareket ediyordu. Gaz, galaksileri oluşturmak üzere kendisini içine çekmesi gereken daha yavaş hareket eden karanlık maddenin yoğun kümelerinin yanından süpersonik hızlarla akıyordu.
UCLA doktora öğrencisi ve makalenin ilk yazarı Claire Williams, "Aslında, akışı hesaba katmayan modellerde olan tam da budur" dedi. "Gaz, karanlık maddenin çekim gücüne kapılıyor, hidrojen füzyonunun gerçekleşebileceği kadar yoğun kümeler ve düğümler oluşturuyor ve böylece güneşimiz gibi yıldızları oluşturuyor." Ancak Williams ve UCLA fizik ve astronomi profesörü Smadar Naoz liderliğindeki ABD, İtalya ve Japonya'dan bir grup astrofizikçiden oluşan Süpersonik Proje ekibindeki ortak yazarlar, simülasyonlara karanlık ve normal madde arasındaki farklı hızların akış etkisini eklediklerinde, gazın karanlık maddeden uzağa düştüğünü ve hemen yıldız oluşturmasının engellendiğini buldular. Biriken gaz milyonlarca yıl sonra galaksiye doğru çekildiğinde, bir anda büyük bir yıldız oluşumu patlaması meydana geldi. Bu galaksiler bir süre için sıradan küçük galaksilerden çok daha fazla genç, sıcak ve parlak yıldıza sahip olduklarından çok daha yüksek bir şekilde parladılar.
Williams, "Akış en küçük galaksilerdeki yıldız oluşumunu bastırırken, cüce galaksilerdeki yıldız oluşumunu da artırdı ve evrenin akışsız bölgelerini gölgede bırakmalarına neden oldu" dedi. "Webb teleskobunun evrende galaksilerin bu hız nedeniyle daha parlak olacağı bölgeler bulabileceğini tahmin ediyoruz. Bu kadar parlak olmaları, teleskobun Büyük Patlama'dan sadece 375 milyon yıl sonra tespit edilmesi, son derece zor olan bu küçük galaksilerin keşfedilmesini kolaylaştırabilir."
Karanlık maddeyi doğrudan incelemek mümkün olmadığından, erken dönem evrende parlak galaksi yamaları aramak, şimdiye kadar sonuçsuz kalan karanlık madde teorileri için etkili bir test sunabilir.
Howard ve Astrid Preston Astrofizik Profesörü Naoz, "Erken dönem evrende küçük, parlak galaksi yamalarının keşfi, soğuk karanlık madde modeliyle doğru yolda olduğumuzu doğrulayacaktır çünkü sadece iki tür madde arasındaki hız, aradığımız galaksi türünü üretebilir" dedi. "Eğer karanlık madde klasik soğuk karanlık madde gibi davranmıyorsa ve akış etkisi mevcut değilse, o zaman bu parlak cüce galaksiler bulunamayacak ve çizim tahtasına geri dönmemiz gerekecek."
NOT:
Orijinal yazı Holly Ober tarafından yazılmıştır.
Dergi Referansı:
Claire E. Williams, William Lake, Smadar Naoz, Blakesley Burkhart, Tommaso Treu, Federico Marinacci, Yurina Nakazato, Mark Vogelsberger, Naoki Yoshida, Gen Chiaki, Yeou S. Chiou, Avi Chen. Süpersonik Proje: JWST UV Parlaklık Fonksiyonunun Sönük Ucunu Aydınlatmak. Astrophysical Journal Letters, 2024; 960 (2): L16 DOI: 10.3847/2041-8213/ad1491