İstanbul Üniversitesi Astronomi ve Uzay
Bilimleri Bölümü
Kaynak: Popüler
Bilim (1997), 40, 15-18
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 kullanylarak 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 içermiyebilir. 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 peryottaki 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 Doğa’nın 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 ekzotik 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
Bulutsularynda 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 başlatamıyacak kütleye sahip olan kahverengi cüce
yıldızlar olabilir.
Galaksiler çevrelerine duyarlıdırlar. Yerel süperkümemiz 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 ölçektedeki 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 birşeydirler 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 “şiıkin 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 rastgele hareketlerinin etkisi ile
şekillernirler. 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
galaksilerlndeki 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,
galaski 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...
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 Hubbe
Uzay Teleskobu ile görüntüsü alınmış M77 galaksisi görülmektedir.
Astronomlar aktif galaksilerin ve kuazarlaryn nasıl enerji
ürettiklerini ancak öğrenmeğe başlamışlardır. Çoğu astronom bu tip galaksilerin
merkezlerinde büyük kütleli bir karadelik bulunabileceğini düşünmektedir. Eğer
galaksilerin merkezlerinde büyük kütleli karadelikler bulunuyorsa, karadeliklerin 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.
Karadelikler üzerinde yapılan astronomik araştırmalar
günümüzün en popüler konusunu oluşturmaktadır. Astronomlar, Hubble Uzay
Teleskobunun sağlamış olduğu yüksek ayırma gücü ile yakın galaksilerin
merkezlerinde karadelik arayışlarını sürdürmektedirler. Bu araştırmalar sayesinde
bilimadamları karadeliklerin nasıl oluştuklarını ve davranışlarını daha iyi
anlayabileceklerdir.
7) Samanyolu Galaksi’sine 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. Ylkel yıldızın çökmesiyle meydana
gelen yıldızlar, evrimlerinin sonlarında kütlelerinin büyük bir kısmını
yıldızlararası ortama atarak beyaz cüce, nötron yıldızı veya bir karadelik 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
kataloklamaktadırlar. Bunlara en iyi örnek, Loe takımyıldızında bulunan M105 ile
Virgo takımyıldızyıda bulunan M84 gibi gaz içermeyen eliptik galaksilerdir. Yakıtla
beslenmeyen karadelik 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 katederek 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.