Galaksilere uzaklık nasıl ölçülür?

Kanca

Evindeki masanın boyunu bir cetvelle, bir futbol sahasının boyunu adımlarınla, iki şehir arasındaki uzaklığı arabanın kilometre sayacıyla ölçebilirsin. Ama milyonlarca ışık yılı ötedeki galaksilere uzanan bir cetvel yok. Işık bile oraya milyonlarca yılda varır; bir sinyal gönderip yankısını bekleyemeyiz.

Hiçbir cetvel oraya uzanmıyor. Peki mesafeyi nasıl biliyoruz? Cevap, bir merdivenin basamakları gibi birbirinin üstüne kurulmuş yöntemlerde. Her basamak, bir öncekine dayanıyor ve bir sonrakini taşıyor.

Merkezi soru

Yakındaki yıldızlardan milyarlarca ışık yılı uzaktaki galaksilere kadar uzaklıkları hangi yöntemlerle ölçüyoruz ve bu yöntemler birbirine nasıl bağlanarak bir "kozmik mesafe merdiveni" oluşturuyor?

Anlatım

Temel basamak: Güneş Sistemi'nin cetveli

Merdivenin ilk basamağı, Güneş Sistemi içindeki uzaklıklardır. Bugün gökbilimciler Venüs gibi yakın gezegenlere radar dalgaları gönderip yankılarının dönme süresini ölçerek bu uzaklıkları çok hassas biçimde bulur. Işığın hızını bildiğimiz için, yankının süresi doğrudan uzaklığı verir. Bu ölçümlerden, Dünya ile Güneş arasındaki uzaklık, yani astronomik birim, büyük bir doğrulukla çıkarılır.

Bu, merdivenin tek doğrudan basamağıdır. Buradan sonra gelen her şey, bu temelin üzerine kurulur.

Paralaks: Yıldızlara geometriyle ulaşmak

Bir kolunu uzat, başparmağını kaldır ve önce yalnızca sol gözünle, sonra yalnızca sağ gözünle bak. Başparmağın, uzaktaki nesnelere göre yer değiştiriyor gibi görünür. Bu görünür kaymaya paralaks (parallax) denir. Başparmağını yüzüne yaklaştırdıkça kayma büyür, uzaklaştırdıkça küçülür.

Yakın yıldızlar da böyle davranır. Dünya, Güneş'in çevresinde dolanırken yılın bir yarısında Güneş'in bir yanında, öbür yarısında öbür yanında bulunur. İki gözümüzün arasındaki mesafenin yerini Dünya'nın yörüngesi alır. Yakın bir yıldıza altı ay arayla bakıldığında, çok uzaktaki yıldızlara göre hafifçe yer değiştirir. Bu kaymanın açısını ve Dünya'nın yörüngesinin büyüklüğünü bilirsek, basit bir üçgen hesabıyla yıldızın uzaklığını buluruz.

Bu kaymalar son derece küçüktür. İlk kez 1838'de Friedrich Bessel, Kuğu takımyıldızındaki 61 Cygni yıldızının paralaksını ölçmeyi başardı. Gökbilimcilerin kullandığı parsek (parsec) birimi de buradan gelir: paralaks açısı bir yay saniyesi olan bir yıldızın uzaklığı bir parsektir; bu yaklaşık 3,26 ışık yılına eşittir. Bugün Gaia uzay aracı, bir milyardan fazla yıldızın paralaksını ölçerek bu basamağı binlerce ışık yılına kadar uzattı.

Standart mumlar: Işığın gücünü bilmek

Paralaks, galaksimizin yalnızca yakın kısımlarına ulaşabilir. Daha ötesi için Ders 9.8'de tanıdığımız standart mum fikrine başvururuz: gerçek ışık gücü bilinen bir nesnenin görünen parlaklığından uzaklığı hesaplanabilir.

Sefeidler bu basamağın kilit taşıdır. Leavitt yasası başlangıçta yalnızca göreli bir cetveldi; ona gerçek sayılar koymak için uzaklığı başka yolla ölçülebilen yakın Sefeidler gerekiyordu. İşte o başka yol paralakstır. Paralaksla uzaklığı ölçülen yakın Sefeidler, Leavitt yasasını gerçek sayılara bağlar. Artık uzak bir galaksideki bir Sefeid'in dönemini ölçtüğümüzde, onun gerçek parlaklığını ve dolayısıyla galaksinin uzaklığını bulabiliriz.

OpenStax'a göre Sefeidler oldukça parlak yıldızlar olsalar da, yalnızca en yakın 30 kadar galakside tek tek saptanabilirler; ölçümler yaklaşık 108 milyon ışık yılına kadar uzatılmıştır. Daha ötesi için çok daha parlak bir işarete ihtiyaç vardır.

Süpernovalar: Evrenin deniz fenerleri

Bu daha parlak işaret, Ia türü süpernovalardır. Ders 9.5'te anlatıldığı üzere bunlar, bir çift yıldız sisteminde madde kazanan beyaz cücelerin patlamasıyla oluşur. OpenStax'a göre bu süpernovaların hepsi en parlak anlarında neredeyse aynı ışık gücüne, Güneş'in yaklaşık 4,5 milyar katına ulaşır. Bir süpernova, içinde bulunduğu galaksinin bütün yıldızları kadar parlayabilir; bu yüzden OpenStax'a göre 8 milyar ışık yılını aşan uzaklıklarda bile saptanmıştır.

Ama süpernovaların gerçek parlaklığını da bir şeye göre ayarlamak gerekir. Bu ayar, hem Sefeid hem de Ia türü süpernova barındıran yakın galaksilerle yapılır. Böylece merdivenin basamakları birbirine kenetlenir: radar astronomik birimi verir, astronomik birim paralaksı, paralaks Sefeidleri, Sefeidler de süpernovaları ayarlar.

Adam Riess ve arkadaşlarının 2022'de yayımladığı çalışma, bu zincirin bugünkü en ayrıntılı örneklerinden biridir. Ekip, Ia türü süpernova barındıran 42 galaksideki Sefeidleri Hubble Uzay Teleskobu ile gözledi ve bu Sefeidleri üç ayrı dayanakla ayarladı: Gaia'nın ölçtüğü paralakslar, NGC 4258 galaksisindeki maser ışımalarının geometrisi ve Büyük Macellan Bulutu'ndaki örten çift yıldızlar.

En uzak basamak: Kırmızıya kayma

Merdivenin en üst basamağı, evrenin genişlemesine dayanır. Uzaktaki galaksilerin tayf çizgileri kırmızıya kayar; evren genişlediği için bir galaksi ne kadar uzaksa, ışığı bize o kadar çok kırmızıya kaymış olarak ulaşır. Süpernovalarla ölçülen uzaklıklar bu ilişkiyi ayarlamaya yarar. Bir kez ayarlandıktan sonra, bir galaksinin kırmızıya kaymasını ölçmek, onun uzaklığını tahmin etmek için yeterlidir. Ders 13.5'teki kozmik ağ haritaları da bu yolla çizildi. Bu ilişkinin ayrıntılarına evrenin genişlemesini işlerken döneceğiz.

Aslında…

Merdivenin bir bedeli de vardır: bir basamaktaki hata, üstündeki bütün basamaklara taşınır. Bu yüzden gökbilimciler her basamağı başka yollarla da sınamaya çalışır.

Büyük resim

Kozmik mesafe merdiveni, astronominin en büyük başarılarından biridir. Gezegenlere gönderilen radar dalgalarından yola çıkarak milyarlarca ışık yılı uzaktaki galaksilere ulaşan bu zincir sayesinde evrenin büyüklüğünü, yaşını ve genişleme hızını ölçebiliyoruz.

Merdiven hâlâ inşa ediliyor. Gaia'nın paralaksları alt basamakları sağlamlaştırdı; Webb ve Hubble, Sefeidleri ve süpernovaları daha uzak galaksilerde ölçüyor. Bu ölçümlerle evrenin erken dönemine dayanan yöntemler arasındaki uyuşmazlık, merdivenin basamaklarını daha da titizlikle incelemeye itiyor. Belki bir basamakta gözden kaçan bir hata var; belki de evren hakkında bilmediğimiz yeni bir şey.

Özet

1. Kozmik mesafe merdiveni, birbirini ayarlayan yöntemlerden oluşur: radar Güneş Sistemi içindeki uzaklıkları ve astronomik birimi, paralaks ise yakın yıldızların uzaklığını geometriyle verir.
2. Paralaksla ayarlanan Sefeidler yaklaşık 108 milyon ışık yılına kadar galaksi uzaklıklarını ölçmeye yarar; Sefeidlerle ayarlanan Ia türü süpernovalar ise 8 milyar ışık yılını aşan uzaklıklara ulaşır.
3. En uzak galaksilerin uzaklığı, süpernovalarla ayarlanan kırmızıya kayma ilişkisiyle tahmin edilir; merdivenin bir basamağındaki hata üstündeki bütün basamaklara taşındığı için her basamak başka yollarla sınanır.

Görev

Quiz

1. Kozmik mesafe merdiveni nedir?
2. Paralaks nedir ve yıldız uzaklıklarını ölçmek için nasıl kullanılır?
3. Sefeidler merdivene nasıl bağlanır?
4. Ia türü süpernovalar neden uzak galaksiler için iyi birer standart mumdur?
5. Merdivenin bir basamağındaki hata neden önemlidir?

Cevaplar

1. Yakından uzağa doğru, her biri bir öncekiyle ayarlanan ve bir sonrakini ayarlayan uzaklık ölçme yöntemlerinden oluşan zincir.
2. Bir nesnenin, farklı konumlardan bakıldığında uzaktaki arka plana göre yer değiştirir gibi görünmesidir; Dünya'nın Güneş çevresindeki yörüngesinin iki ucundan bakıldığında yakın bir yıldızın kaymasının açısı ölçülerek uzaklığı geometriyle hesaplanır.
3. Yakın Sefeidlerin uzaklığı paralaksla ölçülür; bu ölçümler, dönem ile gerçek parlaklık arasındaki Leavitt yasasını gerçek sayılara bağlar ve uzak galaksilerdeki Sefeidlerle o galaksilerin uzaklığı bulunur.
4. En parlak anlarında hepsi neredeyse aynı ışık gücüne, Güneş'in milyarlarca katına ulaşır; bu yüzden milyarlarca ışık yılı uzaktan bile görülebilir ve gerçek parlaklıkları bilindiği için uzaklıkları hesaplanabilir.
5. Çünkü her basamak bir öncekine dayanarak ayarlanır; alttaki bir basamaktaki hata, üstündeki bütün basamakların ölçümlerine taşınır.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Merdivenin en uzak basamakları, bizi evrenin en parlak nesnelerine götürür. Bazı galaksilerin merkezinde, Güneş'ten milyarlarca kat ağır kara delikler madde yutarken öyle parlar ki, galaksinin bütün yıldızlarını gölgede bırakır. Bir galaksinin küçücük merkezi, kendi galaksisinden yüzlerce kat nasıl daha parlak olabilir?