Galaksilerin Yedi Gizemi

Galaksilerin Yedi Gizemi

Edwin Hubble yaklaşık 70 yıl önce galaksilerin temel doğasını keşfetti. 1990’lı yıllara gelindiğinde bile, galaksilerin nasıl doğduklarını, nasıl evrimleştiklerini ve evrende nasıl bir rol üstlendiklerini ancak söyleyebilmekteyiz. Neden galaksiler bu kadar gizemlidirler?

Astronomlar geçen 70 yıl boyunca galaksilerin araştırmasında büyük gelişmeler kaydettiler. Bugün büyük teleskoplar kullanılarak komşumuz Andromeda’yı veya diğer galaksilerinin görüntülerini daha ayrıntılı elde edilebilmektedir. Büyük galaksileri incelemek daha kolaydır çünkü çok sayıda yıldızdan meydana gelirler. Bu tip büyük galaksilerde 1 trilyon yıldız bulunur. Galaksi içinde bulunan yıldızlar birbirlerine uyguladıkları çekim kuvvetiyle başta olmakla beraber aynen Güneş’in etrafındaki yörüngelerde dönen gezegenler gibi galaksi merkezi etrafındaki yörüngelerde dolanırlar.

Gerçekten her yıldız bir galaksiye ait olup galaksi içinde bulunan büyük miktarda gazdan meydana gelmektedir. Galaksiler, evrenin temel yapı taşlarıdır. Peki bunlar nasıl meydana gelmişlerdir? Bunu yedi gizemli sorunun cevabında bulabiliriz. Bunun için önce, zaman ölçeğinde geriye giderek galaksilerin nasıl oluştuğunu ve uzayda nasıl bir dağılım gösterdiklerine bakalım. Daha sonra galaksileri tek tek inceleyip merkezlerinde neler olduğunu araştıralım. Yolculuğumuzun sonunda Galaksimizin sonunu inceleyerek, galaksilerinin doğasını bugünkü bilgilerimizle yorumlayalım.

1) Evren “kırışık” halden “galaksi üreten” hale nasıl geçti?

Kozmoloji ile uğraşan teorisyenler mükemmel bir evren modeli oluşturduklarında modelleri galaksileri içermeyebilir. Bunun nedeni, galaksilerin oluşumları hakkında çok az bilgiye sahip olmalarıdır. Büyük patlamadan sonra evrenin soğuduğu bilinir. Böyle bir durumda uzay, zamanla geçirgen bir hale gelir ve büyük patlamanın ilk zamanlarına ait ışık bu noktadan evrene yayılır. Bugün bu ışık 2.73 kelvinlik kozmik zemin ışınımı olarak görülür. Bu ilk erken ışık, büyük patlamadan 300.000 yıl sonra meydana gelmiştir. O zaman Evren bir atom çorbası halinde idi (galaksiler henüz oluşmamıştı). Patlamadan birkaç milyar yıl sonra yıldızımsı cisimler veya kuazar (QSO’s) olarak bilinen cisimler meydana gelmiştir (Şekil 1). Bugün bu cisimler evrendeki ilk galaksi büyüklüğündeki cisimler gibi görülür. Bununla birlikte, ilk kuazar oluşumu ile kozmik zemin ışınımı arasındaki zamanda ne olduğu halen bilinmemektedir. Bu çağ boyunca, evren kendisini birkaç bin kez büyütmesine karşın astronomlar bu periyottaki olayları gözlemleyemediler. İlk büyük ölçekli yapının evrende genişleyerek soğuduğu ve ilk yıldızların oluştuğu bilinmesine rağmen evrenimizin son derece önemli olan bu evresini tam olarak anlayamamaktayız.

Şekil 1. Fotoğrafta ok işareti ile görülen QSO H1821+643 numaralı kuazardır.

Kozmik zemin ışınımındaki düzensiz küçük dalgalanmaların son ölçümleri, maddenin yoğunluğundaki küçük değişimlerin kozmik zemin ışımasında ortaya çıktığını gösterdi. Bu ilkel yoğunluk dalgalanmaların daha sonraları galaksi şekline dönüşmeleri tam olarak açık değildir. Üstelik bugün yıldız ve gaz olarak gözlenen parlak maddedeki çekim, bu yapıların çökmesine neden olacak kadar da yeterli değildir.

Bu yüzden büyük patlamaya ait yaygın gazdan, galaksilerin oluşumuna geçişte yeni bir şeyi açıklamak gerekir. Bu şey görünmeyen maddedir ki, astronomlar buna “karanlık madde” adını vermektedirler.

Günümüzde bir galaksinin oluşumu için yapılan varsayım şudur: Büyük patlama evreni yarattı ve onu yüksek sıcaklığı ile pişirdi. Bu işlem parlak madde ile karanlık madde üretilene dek sürdü. Oluşan karanlık madde, çekim kuvvetiyle uzayı buruşturdu. Evren genişlerken, bu buruşukluklar etrafındaki gazı topladı ve onu soğuttu. Soğuyan gaz da çekim kuvveti altında yıldızlara dönüştü.

2) Galaksiler neden süperkümeler içinde bir yığılma gösterirler?

Galaksiler uzayda düzenli olarak dağılmamışlardır. Bunun böyle olduğunu bir teleskop ile ilkbahar zamanı gökyüzüne bakılarak görülebilir. Buna karşın parlak galaksi kümelerinin bulunduğu Virgo ve Canes Venatici takımyıldızlarında durum farklıdır. Yeni araştırmalar galaksi kümelerinin uzantılarının varlığını ortaya koydu. Bu da galaksilerin tabaka (sheet) ve ipliksi (filament) hallerde bulunduğunu ve bu yapılarında büyük boşluklarla çevrili olduğunu gösterdi. Bu galaktik tabakalar ve ipliksi uzantılar 100 milyon ışık yılı büyüklüğünde olup Samanyolu galaksisinin bin katı büyüklüğündedir.

Galaksilerin uzaydaki bu dağılımı, astronomları şaşırtmaktadır. Galaksiler böyle bir dağılım haline nasıl geldiler ? Tabakalar ve ipliksi yapılar galaksilerin nasıl oluştuğuna dair bir ipucu verebilir mi ? yoksa galaksiler oluştuktan sonra mı böyle bir kümeleme gösterdiler ? Durumun daha iyi anlaşılabilmesi için erken evrende titanik patlaması adı verilen bir patlama olmuşumu öne sürülerek bu patlamayla maddenin etrafında büyük boşluklar olan tabakalara ve ipliksi yapılara itildiği önerildi. Çoğu astronom bununla birlikte iyi bilinen bir kuvvet olan çekim kuvvetinin tabakaları ve ipliksi yapıları oluşturduğunu düşünmektedirler. Sayısal hesaplamalar, bunun ancak Doğanın erken evrendeki maddenin yoğunluğunda büyük ölçekli değişimler düzenleyip yapması halinde mümkün olduğunu gösteriyor. Tabakalar ve boşlukların yapısını açıklayan modellerin incelenmesiyle bu yapıların erken evrende meydana gelen bazı fiziksel olayların parmak izlerini taşıdığı görüldü.

Astronomlar tabakaların ve ipliksi yapıların daha iyi anlaşılabilmesi için büyük bir proje başlatmışlardır. Bu proje ile astronomlar bir milyar ışık yılı uzaklığına kadar bütün galaksilerin haritasını yaparak tabakaların ve ipliksi yapılar hakkında daha ayrıntılı bilgiler elde edeceklerini ummaktadırlar.

3) Niçin galaksilerin dış kısımları bu kadar hızlı dönmektedir?

1970’li yılların ortalarına gelindiğinde astronomlar spiral galaksilerin dönme (rotasyon) hızlarını güvenilir bir şekilde ölçebiliyorlardı; bu hız, galaksiye ait parçaların merkezleri etrafındaki dönmeleridir. Astronomların çoğunun hayret ettiği olay, galaksilerin dış bölgelerindeki maddenin beklenilenin üç katı kadar bir hızla dönmesidir. Bu ölçümleri yapmadan önce, astronomlar bir galaksinin toplam kütlesini onun içinde gözlenen yıldızlardan ve gazdan oluştuğunu kabul etmişlerdi. Bugün kabul gören görüşe göre bir galaksinin dış kısımlarının hızlı dönmesi, gene galaksinin dış kısımlarında yer alan büyük miktarda görünmeyen maddeden kaynaklanmaktadır. Gerçekten, Galaksimizde gözlediğimiz yıldızlar ve gaz, Galaksimizin parlak kütlesinin %10 unu teşkil eder. Bundan dolayı astronomlar oluşturdukları galaksi modellerinde, kullandıkları kütle parametresini daha büyük bir değerde kabul etmektedirler.

Bu fazla kütle karanlık madde biçiminde bulunur. Galaksilerin etrafındaki karanlık maddenin varlığı ilk defa 1930’lu yıllarda galaksi kümelerinin merkezlerine yakın galaksileri inceleyen astronomlar tarafından önerilmiştir. Bu bilgi 40 yıldan daha uzun bir süre akademik bir dip not olarak kalmıştır. Fakat 1990’lı yıllarda karanlık madde bir dip not olmaktan çıkmış ve Astrofiziğin en önemli bir problemi haline gelmiştir. Astronomlar evrenin %90 dan daha büyük miktarda karanlık madde içermesini pek istememektedirler.

Galaksilerde bulunan karanlık maddenin biçimi bilinmemekte olup birçok şekilde bulunabilir. Yüksek enerji astrofiziği, evrenin ilk zamanlarında çok erken evrende egzotik temel parçacıkların oluşabileceğini söylemektedir. Bunlar, proton ve nötronlardan daha ağır elementlerdi. Üretilen bu parçacıklar bugüne kadar yaşamlarını sürdürebilmişlerse, karanlık maddenin miktarına katkıları olabilir. Bu görüşe göre galaksiler, Büyük Patlama’dan sonra 1 saniye içinde oluşan cisimlerdir.

Astronomların galaksilerin oluşumları için yeterli çekim kuvvetini sağlayacak karanlık maddenin biçimi hakkında bir düşünceleri daha vardır. Fizikçiler, geçen yıllarda Galaksimizde karanlık maddeyi araştırmada etkin bir yol buldular. Galaksimizin dış halosunda yer alan gökcisimleri, Macellan Bulutsularında bulunan yıldızların gözlemlerinde etkili olmaktadır. Bu görünmeyen cisimlere MACHO (“Massive Compact Halo Objects”, “Büyük Kütleli Yoğun Halo Cisimleri”) denmektedir. Son zamanlarda keşfedilen bu cisimler cüce yıldızlar, Jüpiter büyüklüğünde gezegenler veya içlerinde yeterli termo-nükleer reaksiyonları başlatamayacak kütleye sahip olan kahverengi cüce yıldızlar olabilir.

4) Bölgeselleşme, Bölgeselleşme, Bölgeselleşme, her şey midir?

Galaksiler çevrelerine duyarlıdırlar. Yerel süper kümemiz içinde, birçok dev eliptik galaksi birçok galaksinin birbirine sıkı olarak bağlı olduğu, bu kümenin merkezinde yer alır (örneğin, M87 ve M49, Virgo kümesinin merkezinde bulunur) (Şekil 2). Spiral galaksiler ise kümeni merkezi dışındaki kısımlarında çok sayıda bulunur (örneğin, Hydra da M83, Ursa Major takımyıldızında M101 gibi). Şekil 2.Fotoğrafta M87 eliptik galaksisi görülmektedir.

Galaksilerin herhangi bir tipi, herhangi bir ortam içinde meydana gelebilir mi ? Bir tek galaksi ile büyük bir ölçekteki evren yapısı arasında bir ilişki var mı ? Bugün astronomlar galaksilerin karakteristik özelliği olan fiziksel biçimleri ile başlangıç koşulları arasında bir ilişkinin var olup olamayacağını araştırmaktadırlar.

Zengin galaksi kümelerine yol açan ilk yoğunluk dalgalanmaları seyrek bölgeleri oluşturan yoğunluk dalgalanmalarından farklı idi. Kümeleşmeye ayrılan yoğunluk dalgalanmaları bazı özel evrelerde eliptik galaksileri oluşturmaya yöneldi. Eliptik galaksiler, karanlık halolarının karşılıklı çekimleri sonucunda, diğer galaksilerin etkileşmesinden oluşmuş olabilirler.

5) Neden galaksilerin farklı tipleri mevcuttur?

Galaksiler gösterdikleri fiziksel yapıdan dolayı iki ana grupta toplanır. Bunlar “eliptik” ve “spiral” tipte olanlardır (Şekil 2 ve 3). Henüz eliptik galaksiler ile spiral galaksilerin oluşum mekanizmalarını açıklanamamaktadır. Bugün bu yapıların, galaksilerin oluşumu esnasında yeni doğan yıldızların uyguladıkları çekim kuvvetiyle oluştuğu düşünülmektedir.

Şekil 3. Fotoğrafta Hubble Uzay Teleskobu ile alınan M100 spiral galaksisi görülmektedir.

Gökyüzüne gözlediğimiz bir galaksi, büyük patlamadan arta kalan maddenin soğumasıyla meydana gelmiştir. Galaksiyi meydana getiren gaz yavaşça çökseydi ve küçük bir dönme hızına da sahip olsaydı dönen disk haline dönüşürdü. Bunun bir spiral galaksi olması ancak, gazın iç etkileşmesi sonucunda, enerji kaybetmesi ile mümkündür. Bu oluşum uzun zaman gerektirir. Galaksiyi meydana getiren gaz, ilkel galaksinin çöküşü tamamlanmadan önce, hızlı bir şekilde yıldızlara dönüşürse ve bu yıldızlar da birbirleri ile zayıf bir şekilde etkileşirse, bu sefer de bir eliptik galaksi meydana gelir.

Bazı astronomlar, bu olay için daha genel bir anlatımı tercih ederler. Bir küresel galaksinin meydana gelmesi için, hızlı yıldız oluşumunu içeren bir prosese gereksinme vardır; gazdan ibaret ilkel bir galakside hızlı yıldız oluşumu veya önceden oluşmuş iki spiral galaksinin çarpışması gibi... Küresel galaksiler herhangi bir şeydirler fakat mükemmel küreler ve bunların görünüşteki benzerliği, oluşumlarına ait delilleri içeren birçok fiziksel farkın görünmesine olanak vermiyor. Örneğin, ekseni etrafındaki dönmesi, Samanyolu’nun küresel yapıdaki “şişkin bölgesi” ni düzleştirmiştir. Bu şişkin bölge, yaz gecelerinde, Samanyolu’nun şerit halindeki parlak bölgesinin Akrep takımyıldızına doğru uzantısı şeklinde görülebilir. Bununla beraber, bazı düzleşmiş eliptik galaksiler eksenleri etrafında hiç dönmezler. Bunun yerine eliptik galaksiler, içerdikleri yıldızların üç boyutlu uzaydaki rasgele hareketlerinin etkisi ile şekillenirler. Astronomlar küresel (sferoidal) galaksilerin, bu biçimlerine nasıl geldiklerinden veya evrensel zaman ölçeğinde bu kararlı durumlarında kalıp kalmayacaklarından tamamen emin değillerdir.

Küresel yapılar (sferoidler) dinamik bakımdan “sıcak” yıldız sistemleri iken, disk galaksileri dinamik bakımdan soğukturlar; bunun anlamı, disk galaksilerindeki yıldızların üç boyutlu hareketlerinin önemsiz olmasıdır. Dalgalar, diski yalayıp geçtikleri zaman, soğuk yapılar kararsızlık gösterirler. Gerçekten, spiral disklerin çoğunun kararlılık sınırında oldukları görülüyor ve bundan dolayı spiral kol veya bar bakımından zengindirler. Bu kollar veya barlar, galaksi diskine çok miktarda gaz toplar. Bu gazlar da daha sonra birçok yıldıza dönüşür; büyük kütleli parlak yıldızlar da birçok yıldıza dönüşür; büyük kütleli parlak yıldızlar da bunlar arasında yer alır. Bu durum, galaksilerin spiral kollarının çok net olarak görülmesini açıklar; Canes Venatici’deki girdap gibi...

6) Galaksilerin merkezlerinde canavarlar mı saklanıyor?

Çoğu galaksinin merkezinde, son derece yoğun yıldız kümeleri bulunur. Galaksilerin çekirdekleri küçük, yaklaşık 1 ışık yılı genişliğinde olmakla beraber inanılmayacak derecede büyük yıldız yoğunluklarına sahiptirler. Örneğin Andromeda galaksisinin merkezindeki yıldız yoğunluğu, Güneş civarındaki yıldız yoğunluğundan bir milyon kez daha fazladır. Galaksimizin merkezi doğrultusundaki toz görüşümüzü engellemeseydi Galaksimizin merkezi, parlaklığı sıfır kadir olan (gökyüzünde kış aylarında gördüğümüz Vega yıldızı gibi) bir yıldız gibi ışıldayacaktı. Astronomlar Galaksinin merkezini, yine Galaksimizin merkezine yakın bir gezegenden gözleselerdi, gökyüzünün yıldızlarla dop dolu olacağını ve diğer galaksileri de neredeyse gözlenemiyor olacağını göreceklerdi.

Galaksilerin merkezlerine doğru gidildikçe, gaz miktarında ve yıldız sayısında bir artış olduğu gözlenir. Galakside meydana gelen evrimle yıldızlar ve gaz, zamanla galaksinin merkezine doğru toplanır ve bugün galaksilerin merkezlerinde gözlenen zengin yıldız toplulukları oluşur.

Gözlenen çoğu galaksinin merkez bölgesi yoğun yıldız topluluklarından oluşmakla beraber, bütün galaktik merkezler yukarıda anlatılan yol ile meydana gelmez.

Canes Venatici takımyıldızında bulunan NGC 4151 ve Cetus takımyıldızında bulunan M77 gibi yakın parlak galaksiler, normal galaksilerde üretilen enerjiden daha fazlasını üretirler (Şekil 4). Bunun yanı sıra bir trilyon yıldız içeren normal bir galaksinin ürettiği enerjiden yüz kez kat fazlasını üreten bir başka kozmik cisim ise kuazarlar olup normal bir galaksinin merkezi boyutlarındadır.

Şekil 4. Fotoğrafta Hubble Uzay Teleskobu ile görüntüsü alınmış M77 galaksisi görülmektedir.

Astronomlar aktif galaksilerin ve kuazarların nasıl enerji ürettiklerini ancak öğrenmeğe başlamışlardır. Çoğu astronom bu tip galaksilerin merkezlerinde büyük kütleli bir kara delik bulunabileceğini düşünmektedir. Eğer galaksilerin merkezlerinde büyük kütleli kara delikler bulunuyorsa, kara deliklerin o müthiş çekim kuvveti ile çevresinde bulunan gazı ve yıldızları kendisine çekerek bir enerji kaynağı üretiyor olabilirler. Bu düşünce de kuazarlar ile aktif galaksilerin yayınlamakta olduğu büyük enerji miktarını açıklayabilir.

Kara delikler üzerinde yapılan astronomik araştırmalar günümüzün en popüler konusunu oluşturmaktadır. Astronomlar, Hubble Uzay Teleskobunun sağlamış olduğu yüksek ayırma gücü ile yakın galaksilerin merkezlerinde kara delik arayışlarını sürdürmektedirler. Bu araştırmalar sayesinde bilim adamları kara deliklerin nasıl oluştuklarını ve davranışlarını daha iyi anlayabileceklerdir.

7) Samanyolu Galaksisine ne olacak?

Galaksiler değişir. Galaksimizde bulunan gaz yıldız şekline dönüşebileceği gibi yine yıldız halinden gaz haline dönüşebilir. Bu durumu en iyi bir yıldızın evrimini inceleyerek anlayabiliriz. İlkel yıldızın çökmesiyle meydana gelen yıldızlar, evrimlerinin sonlarında kütlelerinin büyük bir kısmını yıldızlararası ortama atarak beyaz cüce, nötron yıldızı veya bir kara delik olarak yaşamlarına son verirler. Büyük bir olasılıkla Samanyolu galaksisinde bulunan yıldızlararası gaz bu dönüşümler sonucu tükenecektir. Böylece Galaksimizde yeni yıldızlar meydana gelmemekle beraber mevcut olan yıldızlar da yavaş yavaş yaşlanacaktır. Yaklaşık bir milyar yılın birkaç 10 katı kadar zaman içinde, yıldızları yaşlandığında Galaksimizin parlaklığı yavaşça azalacaktır. Astronomlar halen diğer galaksilerde bulunan yıldızların kalıntılarını kataloglamaktadırlar. Bunlara en iyi örnek, Loe takımyıldızında bulunan M105 ile Virgo takımyıldızı da bulunan M84 gibi gaz içermeyen eliptik galaksilerdir. Yakıtla beslenmeyen kara delik ile aktif galaksi çekirdekleri, yıldız oluşumlarının durmasıyla güçlerini yitireceklerdir. Bu durumda galaksilerde bulunan gaz tükenince, bu galaksiler zamanla gözden kaybolacaklar mı?

Galaksiler, diğer galaksilerle veya çevrelerinde bulunan gaz ile etkileşerek şiddetli bir şekilde değişimler gösterebilirler. Normal galaksiler çevrelerinde bulunan cüce galaksilerle birleşerek galaksi içinde yeni yıldızların oluşmasını sağlayabilirler. Böyle bir durum gelecekte Samanyolu Galaksisi için de geçerli olacaktır. Uydu galaksimiz olan Macellan Bulutsuları birkaç milyar yıl sonra Galaksimiz ile birleşerek yeni yıldızların oluşumuna sebep olacak ve yeni bir yıldız popülasyonu meydana gelecektir.

Galaksilerin nasıl evrimleştiğini anlamak gelecek yıllarda astronomlar için en önemli konuyu oluşturacaktır. Milyarlarca yıl yol kat ederek gelen ışık, uzak galaksilerin geçmişteki halini öğrenmemizi ve düşüncelerimizin doğruluğunu gözlemlerle kontrol etmemizi sağlar. Böylece teorik olarak düşünülen bazı fikirler bu gözlemler sayesinde test etme olanağını bulmaktayız. Hele hele evrenin ilk oluştuğu zamanlara ait kozmik gökcisimlerinden olan kuazarlardan gelen ışık, kozmoloji ile uğraşan teorisyenler için çok önemlidir. Gelecek yıllarda, teknolojideki yeniliklerin astronomiye daha da yansıyarak daha güvenilir bilgiler alınacak olması galaksilerin gizemleri hakkında bizlere daha iyi bilgiler sağlayacaktır.

Kaynak: Popüler Bilim (1997), 40, 15-18