Geliştirilmiş Hubble ölçütü Evrenin yeni fiziği için taze kanıtlar sunuyor
Gökbilimciler yaklaşık bir yüzyıl önce hesaplandıktan bu yana, evrenin genişleme oranının en hassas ölçümlerini yapmak için NASA’nın Hubble Uzay Teleskobunu kullandı.İlginçtir, sonuçlar gökbilimcileri, evrende beklenmedik bir şeylerin işlemekte olduğunun kanıtını gördüklerini düşünmeye zorlamaktadır.
Zira en son Hubble bulgusu, evrenin büyük patlamadan kısa bir süre sonra öngörülen gidişatından, beklenenden çok daha hızlı genişlediğini gösteren rahatsız edici bir çelişkiyi doğruluyor.Araştırmacılar, bu aykırılığı açıklamak için yeni bir fizik gerekebileceğini düşünüyorlar.
Maryland Baltimore’da bulunan Uzay Teleskop Bilim Enstitüsü (STScI) ve Johns Hopkins Üniversitesi’nden baş araştırmacı ve Nobel ödüllü Adam Riess, “Bilim camiası bu aykırılığın anlamını kavramak için çok uğraşıyor” diyor.
Yine STScI ve Johns Hopkins’den olan Stefano Casertano’yu içeren Riess ekibi, son altı yıldır Hubble’ı kullanarak, galaksilere olan mesafeleri daha hassas ölçmek için nirengi noktası olarak bu galaksilerin yıldızlarını alıyor.Bu ölçümler, Hubble sabiti olarak bilinen bir değerle, evrenin zamanla ne kadar hızlı genişlediğini hesaplamak için kullanılır.Ekibin yeni çalışması, analiz edilen yıldız sayısını, önceki Hubble sonuçlarına göre uzayda 10 kat daha uzak mesafelere kadar genişletiyor.
Ekibin yeni çalışması, analiz edilen yıldız sayısını, önceki Hubble sonuçlarına göre uzayda 10 kat daha uzak mesafelere kadar genişletiyor.Ancak Riess’in değeri, gözlemlerden elde edilen kabaca 13.8 milyar yıl önce evreni yaratan şiddetli olay olan büyük patlamadan 378.000 yıl sonraki erken evren genişlemesinin, beklenen değerle bir fark olduğu seçeneğini güçlendiriyor.Bu ölçümler, Avrupa Uzay Ajansının Planck uydusu tarafından yapılmış ve
büyük patlamanın kalıntısı olan kozmik mikrodalga arka planı haritasını oluşturmuştu.İki değer arasındaki fark yaklaşık yüzde 9’dur. Yeni Hubble ölçümleri, değerlerdeki farkı 5000’e 1’lik oranına indirgeyerek bir tesadüf olma ihtimalini azaltmaya yardımcı oluyor.
Planck’ın sonucu, Hubble sabitinin şimdi megaparsek başına (3.3 milyon ışıkyılı) saniyede 67 kilometre/ saniye olmasını ve yine megaparsek başına saniyede 69 kilometre’den daha yüksek olamayacağını öngörüyordu.Bu, bir galaksi bizden uzak olduğu her 3,3 milyon ışıkyılı için, saniyede 67 kilometre daha hızlı ilerlediği anlamına geliyor.Ancak Riess’in ekibi megaparsek başına saniyede 73 kilometrelik bir değer ölçtü. Bu da galaksilerin, erken evren gözlemlerine göre daha hızlı hareket ettiğine işaret ediyor.
Hubble verileri o kadar hassastır ki gökbilimciler iki sonuç arasındaki boşluğu herhangi bir ölçüm ya da yöntemdeki bir hata olarak göz ardı edemiyorlar.Riess, “Her iki sonuç birden çok yolla test edildi, bu nedenle bir dizi ilgisiz hata yapılması önlendi ; bunun muhtemelen bir hata değil, evrenin bir özelliği olması çok muhtemel. “diyor.
Rahatsız edici bir tutarsızlığı açıklamak
Riess, hepsi de evrenin karanlıkta kalan yüzde 95’ine ilişkin bu uyuşmazlık için olası birkaç açıklama özetledi.Bir olasılık, evreni hızlandırdığı bilinen karanlık enerjinin, galaksileri daha büyük ve gittikçe artan şekilde birbirlerinden uzaklaştırabileceği.Bu demektir ki, ivmenin kendisinin evrende sabit bir değeri olmayabilir, ancak evrendeki zamanla değişmektedir.Riess, 1998’de hızlanan evren keşfi üzerine Nobel Ödülü’nü paylaşmıştı.
Başka bir fikir de, evrenin ışık hızına yakın yeni bir atom altı parçacık içerdiği yönündedir.Bu gibi hızlı parçacıklar topluca “karanlık radyasyon” olarak adlandırılır ve nükleer reaksiyonlar ve radyoaktif bozulmalar sonucu oluşturulan nötrinolar gibi önceden bilinen parçacıkları içerir.Bir atom altı kuvveti ile etkileşime giren normal bir nötrino’nun aksine, bu yeni parçacık yalnızca yerçekiminden etkilenir ve “steril bir nötrino” olarak adlandırılır.
Ancak başka bir çekici olasılık, karanlık madde (protonlar, nötronlar ve elektronlardan oluşmayan görünmez bir maddenin formu), önceden varsayıldığından daha güçlü olarak normal madde veya radyasyon ile etkileşime giriyor olmasıdır.
Bu senaryolardan herhangi biri, erken evrenin içeriğini değiştirecek ve teorik modellerde tutarsızlıklara neden olacaktır. Bu tutarsızlıklar, genç kozmosun gözlemlerinden gelen Hubble sabiti için de hatalı bir değer ile sonuçlanır.Bu değer daha sonra Hubble gözlemlerinden türetilen sayılar ile çelişkili olacaktır.
Riess ve meslektaşlarının bu rahatsız edici soruna henüz cevapları yok, ancak ekibi evrenin genişleme oranının ince ayarlama çalışmasına devam edecek.Şimdilik, Supernova H0 (State of Equation of State, SH0ES) denkleminde Riess’in ekibi belirsizliği yüzde 2.3’e düşürdü.Hubble 1990’da fırlatılmadan önce, Hubble sabiti tahminleri ikinin faktörüyle değişti. Hubble’ın temel hedeflerinden biri de gökbilimcilerin bu belirsizlik değerini yalnızca yüzde 10’luk bir hata içinde azaltmalarına yardımcı olmaktı.2005 yılından bu yana grup, Hubble sabitinin doğruluğunu, evren davranışının daha iyi anlaşılmasına olanak tanıyan bir hassasiyete getirmeye çalışıyor.
Güçlü Bir Mesafe Merdiveni Oluşturma
Ekip, astronomların Dünya’ya yakın ve uzak galaksilere olan mesafeleri ölçmek için kullandığı “kozmik mesafe merdiveni” yapısını güçlendirerek ve kolaylaştırarak Hubble sabit değerini hassaslaştırmada başarılı oldu.Araştırmacılar bu uzaklıkları, uzaklaşan galaksilerden gelen ışığın ölçüldüğü gibi uzayın genişlemesiyle karşılaştırdılar.Daha sonra, Hubble sabitini hesaplamak için her mesafedeki galaksinin dışarı dönük görünür hızını kullandılar.
Ancak Hubble sabit değeri, yalnızca ölçümlerin doğruluğu kadar kesindir.Gökbilimciler galaksiler arasındaki uzaklıkları ölçmek için bir şerit metre kullanamazlar. Bunun yerine, galaktik mesafeleri tam olarak ölçmek için özel sınıf yıldızları ve süpernovaları, kozmik ölçütler veya nirengi noktası olarak seçerler.
Daha kısa mesafeler için en güvenilir olanlar arasında, kendi gerçek parlaklığına karşılık gelen azalan ve çoğalan oranları ile pulsar yıldızlar olan Cepheid değişkenleridir. Dolayısıyla bunların mesafeleri, yeryüzünden göründükleri parlaklığıyla kendi parlaklıkları karşılaştırılarak çıkarılabilir.
Astronom Henrietta Leavitt, 1913 yılında Cepheid değişkenlerinin mesafeleri ölçmek için yararını ilk tanımlayan kişidir. Fakat ilk adım, paralaks adı verilen basit bir geometri aracını kullanarak parlaklıklarından bağımsız olarak Cepheidlere olan mesafeleri ölçmektir.Paralaks, gözlemcinin bakış açısındaki bir değişime bağlı olarak nesnenin konumunun görünür kaymasıdır. Bu teknik, onu Dünya’dan Ay’a olan mesafeyi ölçmek için kullanan antik Yunanlılar tarafından icat edildi.
En son çıkan Hubble sonucu Samanyolu galaksimizdeki sekiz yeni analiz edilen Cepheid paralaksının ölçümlerine dayanmaktadır.Bu yıldızlar, daha önce incelenenlerden yaklaşık 10 kat daha uzaktadır ve Dünya’dan 6.000 ışıkyılı ile 12.000 ışıkyılı arası mesafede bulunur ve bu yüzden onları ölçmek daha zorlayıcı hale gelir.Tıpkı Hubble’ın gözlemlediği, uzak galaksilerdeki Cepheidler gibi bunlar da başka bir güvenilir ölçüt içeren, daha uzun aralıklarla titreşirler (yanıp sönerler) ve Tür Ia süpernovası olarak adlandırılan patlayan yıldızlardır.Bu tür süpernovalar düzgün parlaklıkta parlar ve nispeten daha uzaktan görülebilecek kadar parlaktır. Önceki Hubble gözlemleri, Dünya’dan 300 ışıkyılı ila 1,600 ışıkyılı uzaklıkta bulunan 10 hızlı yanıp sönen Cepheid’i incelemişti.
Yıldızların Taranması
Hubble’la paralaks ölçmek için ekip, Dünya’nın Güneş etrafındaki hareketi nedeniyle, Cepheids’in belirgin hafif yalpalamasını ölçmeliydi.Bu yalpalamalar, teleskop kamerasında sadece 1/100 piksel boyutundadır ; bu da kabaca 100 mil uzaktaki bir kum tanesinin görünür büyüklüğüdür.Bu nedenle, ölçümlerin doğruluğunu sağlamak için, gökbilimciler Hubble fırlatıldığında öngörülmeyen akıllı bir yöntem geliştirdiler. Araştırmacılar, bir yıldız konumunu dört yıl için altı ayda bir teleskopun dakikada bin kez ölçtüğü bir tarama tekniği geliştirdi.
Ekip, yavaş yavaş titreşen sekiz yıldızın gerçek parlaklığını kalibre etti ve daha uzak mesafedeki yanıp sönen kuzenleriyle çapraz bağlantıya tabi tutarak mesafe merdivenindeki kesinlik sapmalarını en aza indirdi.Sonra araştırmacılar bu galaksilerdeki Cepheidlerin ve süpernovaların parlaklığını daha bir güvenle karşılaştırabildiler; böylece yıldızların gerçek parlaklığını daha doğru ölçebildiler ve bu nedenle uzak galaksilerdeki yüzlerce süpernovaya olan mesafeleri daha hassas bir şekilde hesaplayabildiler.
Bu çalışmanın bir başka avantajı da ekibin hem yakındaki Cepheidlerin hem de diğer galaksilerin parlaklıklarını kalibre etmek için Hubble’ın Geniş Alan Kamerası 3’ü kullanması ve farklı teleskoplardan gelen ölçümleri karşılaştırarak neredeyse kaçınılmaz olarak ortaya çıkan sistematik hataları ortadan kaldırmasıdır.
Casertano, “Normal şartlar altında altı ayda bir, bir yıldızın bu mesafelerde bir diğerine göre değişimini ölçmeye kalkarsanız, yıldızın tam olarak nerede olduğunu hesaplamanıza yetiyor” diyor.Yeni tekniği kullanarak Hubble, yıldız hedefi boyunca yavaşça döner ve görüntüyü bir ışık çizgisi olarak çeker.Riess, “Bu yöntem paralaks nedeniyle son derece küçük yer değiştirmeleri ölçmek için tekrarlayan fırsatlar sağlar” diye ekliyor.”Kameradaki tek bir yerde değil, binlerce kez iki yıldız arasındaki ayırımı ölçüyorsunuz, böylece ölçümdeki hataları azaltıyorsunuz.”
Ekibin amacı, belirsizliği daha da azaltmak için Hubble ve Avrupa Uzay Ajansı’nın Gaia uzay gözlemcisinin verilerini kullanarak yıldızların konumlarını ve mesafelerini benzeri görülmemiş bir hassasiyetle ölçmek olacak.Casertano, “Bu hassaslık, bu tutarsızlığın sebebini teşhis etmek için gereken şeydir.” diyor.
Ekibin vardığı sonuçlar “The Astrophysical Journal” tarafından yayına kabul edilmiştir.
Yazı Kaynağı :NASA / Goddard Uzay Uçuş Merkezi tarafından sağlanan bilgiler.
NASA/Goddard Space Flight Center. “Improved Hubble yardstick gives fresh evidence for new physics in the universe.” ScienceDaily. ScienceDaily, 22 February 2018. <www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180222162005.htm>.
Makale Referansı :
- Adam G. Riess, Steven A. Rodney, Daniel M. Scolnic, Daniel L. Shafer, Louis-Gregory Strolger, Henry C. Ferguson, Marc Postman, Or Graur, Dan Maoz, Saurabh W. Jha, Bahram Mobasher, Stefano Casertano, Brian Hayden, Alberto Molino, Jens Hjorth, Peter M. Garnavich, David O. Jones, Robert P. Kirshner, Anton M. Koekemoer, Norman A. Grogin, Gabriel Brammer, Shoubaneh Hemmati, Mark Dickinson, Peter M. Challis, Schuyler Wolff, Kelsey I. Clubb, Alexei V. Filippenko, Hooshang Nayyeri, U Vivian, David C. Koo, Sandra M. Faber, Dale Kocevski, Larry Bradley, Dan Coe. Type Ia Supernova Distances at Redshift >1.5 from the Hubble Space Telescope Multi-cycle Treasury Programs: The Early Expansion Rate. The Astrophysical Journal, 2018; 853 (2): 126 DOI: 3847/1538-4357/aaa5a9
Çeviri : M.Mustafa Çiftçioğlu