Evren kaç yaşında?

'Ders notları' forumunda ZeuS tarafından 12 Aralık 2009 tarihinde açılan konu


  1. Evren kaç yaşında
    Evrenimizin kaç yaşında olduğu konusunda Astronomların araştırmaları ve gözlemleri hakkında bilgiler
    Astronomlar Büyük Patlamanın 10 ila 20 milyar yıl önce meydana geldiğini tahmin etmektedirler.
    Geniş bir açıdan bakılacak olursa, Güneş Sisteminin 4,5 milyar yaşında olduğu düşünülmektedir ve insanoğlu bir canlı türü olarak birkaç milyon yıldır mevcuttur. Astronomlar evrenin yaşını iki yolla tahmin etmektedirler:
    (a) en yaşlı yıldızlara bakarak.
    (b) evrenin genleşme oranını ölçerek ve Büyük Patlamaya kadar geri giderek dış değer bularak (uzaylama).

    En Yaşlı Yıldızlardan Daha Mı Yaşlı?

    Astronomlar evrenin yaşını küresel kümeleri inceleyerek tahmin edebilirler. Küresel Kümeler yaklaşık bir milyon yıldızın yoğun bir şekilde toplanmasıdır. Küresel Kümelerin merkezine yakın yıldızlara ait yoğunluklar muazzamdır. Eğer bir Küresel Kümenin merkezine yakın yaşasaydık, o zaman en yakın takımyıldız komşumuz olan, Alfa Kentaur (Erboğa) takımyıldızından bize daha yakın yüz binlerce yıldız olacaktı. Bir yıldızın yaşam devresi onun kütlesine bağlıdır. Yüksek kütleli yıldızlar düşük kütleli yıldızlardan çok daha parlaktırlar, nitekim hidrojen yakıtı tedarikleri vasıtasıyla hızla yanarlar. Güneş gibi bir yıldız çekirdeğinde mevcut parlaklığında yaklaşık 9 milyar yıl yakacak kadar yeterli yakıta sahiptir. Güneşin iki katı kadar kütleli bir yıldız yakıt tedarikiyle sadece 800 milyon yılda yanacaktır. 10 güneş kütleli bir yıldız, yani Güneşten 10 kat daha kütleli bir yıldız, hemen hemen bin kat daha parlak yanar ve sadece 20 milyon yıllık bir yakıt tedarikine sahiptir. Bunun tersine, Güneşin yarısı kadar kütlesi olan bir yıldız, yakıtını 20 milyar yıl sürecek kadar yavaş yakar.

    Bir küresel kümedeki tüm yıldızlar kabaca aynı zamanda oluştuğundan, kozmik saatler olarak hizmet edebilirler. Eğer bir küresel küme 10 milyon yaşından daha fazlaysa, o zaman onun hidrojen yakan yıldızlarının tamamı, 10 güneş kütlesinden daha az kütleli olacaktır. Bu da hiçbir özel hidrojen yakan yıldızın Güneşten bin defa daha parlak olamayacağı anlamına gelir. Eğer bir küresel küme 2 milyar yaşından daha büyükse, o zaman 2 güneş kütlesinden daha kütleli hiçbir hidrojen-yakan yıldız olmayacaktır.

    En yaşlı küresel kümeler sadece 0,7 güneş kütlesinden daha az kütleli yıldızlar içermektedirler. Bu düşük kütleli yıldızlar Güneşten daha fazla sönüktürler. Bu gözlem en yaşlı küresel kümelerin 11 ila 18 milyar yaş arasında olduklarını ortaya koymaktadır. Bu tahmindeki kararsızlık bir küresel kümenin kesin mesafesini belirlemedeki zorluğa (bu yüzden, kümedeki yıldızların parlaklığındaki (ve kütlesindeki) bir kararsızlığa) bağlıdır. Bu tahmindeki başka bir kararsızlık kaynağı da takımyıldız oluşumlarının daha iyi detayları hakkındaki bilgisizliğimizde yatmaktadır.

    Büyük Patlamaya Kadar Geri Giderek Dış Değer Bulma (Uzaylama)

    Galaksinin yaşını tahmin etmek için alternatif bir yaklaşım da "Hubble sabitini" ölçmektir. Hubble sabiti (H0) evrenin mevcut genleşme oranının bir ölçümüdür. Evren bilimciler bu ölçümü Büyük Patlamaya kadar geri giderek dış değer bulmada kullanmaktadırlar. Bu dış değer bulma evrenin mevcut yoğunluğuna ve evrenin bileşimine dayanmaktadır.

    Eğer evren düz ise ve çoğunlukla maddeden oluşuyorsa, o zaman evrenin yaşı 2/ (3 H0) olur. Eğer evren çok düşük bir madde yoğunluğuna sahip ise, o zaman onun dış değeri bulunmuş yaşı daha büyük olacaktır: 1/ H0. Eğer Genel Görelilik Kuramı bir kozmolojik sabit içerecek şekilde değiştirilirse, o zaman sonucu çıkarılacak yaş daha büyük bile olabilir.

    Bir çok astronom, Hubble sabitini ölçmek için çeşitli farklı teknikleri kullanarak sıkı bir şekilde çalışıyorlar. H0'ın mevcut en iyi tahminleri 50 kilometre/sn/Megaparsek'ten 100 km/sn/Megaparsek'e kadar uzanmaktadır. Daha alışılagelmiş birimler içinde, astronomlar 1/ H0'ın 10 ila 20 milyar yıl arasında olduğuna inanmaktadırlar.

    Bir Yaş Krizi?

    Eğer iki yaş belirlemesini kıyaslarsak, potansiyel bir kriz ortaya çıkar. Eğer 1/ H0'ı 10 milyar yıl kadar küçük olduğunu tahmin eden astronomlar haklıysa, o zaman evrenin yaşı en yaşlı yıldızların yaşından daha kısa olacaktır. Bu çelişme, ya Büyük Patlama kuramının yanlış olduğu ya da genel göreliliği kozmolojik bir sabit ekleyerek değiştirmemiz gerektiği anlamına geliyor.

    Bazı astronomlar bu krizin ölçümlerimizi iyileştirdikçe geçeceğine inanmaktadırlar. Eğer 1/ H0'ın daha büyük değerlerini ölçmüş olan astronomlar haklıysa ve küresel küme yaşlarının daha küçük tahminleri de doğruysa, o zaman tümü Büyük Patlama kuramı için uygun olacaktır.

    MAP Evrenin Yaşını Ölçebilir

    MAP uydusu tarafından yapılan ölçümler bu krizin çözümüne yardım edebilir. Eğer büyük ölçekli yapıların kökeni hakkındaki mevcut fikirlerimiz doğruysa, o zaman kozmik mikrodalga fon dalgalanmalarının ayrıntılı yapısı evrenin mevcut yoğunluğuna, evrenin bileşimine ve nispeten basit bir yol olarak genleşme oranına bağlı olacaktır. MAP, bu parametreleri % 5'ten daha iyi biri doğrulukla belirleyebilecektir. Böylece, evrenin genleşme yaşını %5'ten daha iyi bir olasılıkla tahmin edebileceğiz.

    Eğer MAP tarafından ölçülen genleşme yaşı en yaşlı küresel kümelerden daha büyük olursa, o zaman Büyük Patlama kuramı önemli bir deneyi geçecektir. Eğer MAP tarafından ölçülen genleşme yaşı en yaşlı küresel kümelerden daha küçük olursa, o zaman ya Büyük Patlama kuramı hakkında ya da yıldızların oluşum kuramı hakkında bir şeyler esas itibarıyla yanlıştır. Her iki yolda da, astronomların el üstünde tuttukları bir çok fikrini yeniden düşünmeleri gerekli olacaktır.


    EVREN NE KADAR HIZLI GENLEŞMEKTEDİR?

    Tarihsel Bakış

    1920'lerde, Edwin Hubble, Wilson Dağı Gözlemevi'ndeki yeni yapılmış teleskopu kullanarak, birkaç nebuladaki (bulutsu) değişen yıldızları ve astronomi çevrelerinde hararetli bir tartışma konusu olan dağınık cisimleri ortaya çıkarmıştır. Onun Sefeid değişkenleri olarak adlandırılan bir yıldızlar sınıfına benzeyen bu değişen yıldızlar için keşfi devrim yaratmıştır. Daha önceden, Harvard Koleji Gözlemevi'nde çalışan kadın astronom, Henrietta Levitt, bir Sefeid değişken yıldızın bu periyotları ve bunun parlaklığı arasında yoğun bir bağıntı olduğunu göstermişti. Bu yüzden, Hubble, bu yıldızların ve akılarının periyodunu ölçerek, bunların kendi galaksimiz içindeki bulutsular olmadığını, fakat kendi Galaksimizin kıyısının çok ötesinde dış galaksiler olduklarını gösterebilmişti.

    Hubble'ın ikinci devrimsel keşfi, onun Sefeid'e dayalı galaksi mesafe belirlemeleri ve bu galaksilerin göreli hızlarının ölçümleri planıdır. Daha uzak galaksilerin bizden daha hızlı bir şekilde uzaklaştıklarını göstermiştir: Evren statik değildir, ancak genleşmektedir. Bu keşif, modern kozmoloji çağının başlangıcını belirlemiştir. Bugün, Sefeid değişkenleri galaksilere olan uzaklıkları ölçmek için en iyi metot olarak kalmıştır ve bunlar genleşme oranı ve evrenin yaşını belirlemede çok önemlidir.

    Sefeid Değişkenleri Nedir?

    Güneş ve Sefeid değişen yıldızlar dahil, bütün yıldızların yapısı yıldızdaki maddenin donukluğu (opaklığı) ile belirlenir. Eğer madde çok donuksa, o zaman fotonların yıldızın sıcak merkezinden dışa dağılması uzun sürecektir ve güçlü sıcaklık ve basınç eğimleri yıldızın içinde gelişebilir. Eğer madde neredeyse saydam ise, o zaman fotonlar yıldızın içinde kolaylıkla hareket ederler ve herhangi bir sıcaklık eğrisini silerler. Sefeid yıldızlar iki hal arasında salınırlar: Yıldız yoğun haldeyken, atmosferindeki bir tabakadaki helyum tek başına iyonlaşır. Fotonlar, tek başına iyonlaşmış helyum atomlarındaki bağlı elektrondan dışa saçılırlar, bu yüzden, tabaka çok donuktur ve tabaka boyunca büyük sıcaklık ve basınç eğimleri oluşur. Bu büyük basınçlar tabakanın (ve tüm yıldızın) genleşmesine sebep olur. Yıldız genleşmiş haldeyken, tabakadaki helyum iki kat iyonlaşır, böylece tabaka ışınıma daha geçirgen olur ve tabaka boyunca daha zayıf basınç eğimleri olur. Yıldızı çekim gücüne karşı destekleyecek basınç eğimi olmaksızın, tabaka ve (tüm yıldız) büzülür ve yıldız sıkıştırılmış haline geri döner.

    Sefeid değişken yıldızlar beş ila yirmi güneş kütlesi arasında kütlelere sahiptirler. Daha kütleli yıldızlar daha parlaktırlar ve daha genişlemiş kaplamalara sahiptirler. Kaplamaları daha genişlemiş olduğundan ve kaplamlarındaki yoğunluk daha düşük olduğundan, tabakadaki yoğunluğun ters kare köküne orantılı olan değişebilirlik periyotları daha uzundur.

    Sefeidleri Kullanmadaki Zorluklar

    Sefeidleri mesafe belirteçleri olarak kullanmakla birlikte çok sayıda zorlukta olmaktadır Yakın geçmişe kadar, astronomlar yıldızlardan gelen akıları ölçmek için fotoğraf klişeleri kullanmışlardır. Klişeler yüksek derecede doğrusal değildi ve sıklıkla hatalı akış ölçümleri ortaya çıkıyordu. Kütleli yıldızlar daha kısa ömürlü olduklarından, daima kendi tozlu doğum yerlerinin yakınında konumlanmış olurlar. Özellikle çoğu fotoğraf görüntüsünün çekildiği mavi dalga boylarındaki, toz ışığı emer ve eğer uygun bir şekilde düzeltilemezse, bu toz emilmesi hatalı parlaklık belirlemelerine yol açabilir. Sonuç olarak, uzak galaksilerdeki Sefeidleri yerden tespit etmek çok zor olmaktadır: Yerkürenin dalgalanan atmosferi, bu yıldızları ana galaksilerinin yayılan ışığından ayırmayı imkansız hale getirmektedir.

    Sefeidleri mesafe belirteçleri olarak kullanmaktaki bir diğer tarihi zorluk, yakınındaki bir Sefeid modeline olan mesafeyi belirleme problemi olmuştur. Son yıllarda, astronomlar kendi Samanyolu Galaksimizin uydu galaksilerinden ikisi olan Büyük Magellan Bulutu (LMC) ve Küçük Magellan Bulutuna (SMC) mesafeleri belirlemede birkaç çok güvenilir ve bağımsız metot geliştirmişlerdir. LMC ve SMC büyük sayıda Sefeid içerdiğinden dolayı, bunlar mesafe ölçeğini ayarlamak için kullanılabilir.

    Son Gelişmeler

    Son teknolojik ilerlemeler astronomların çok sayıdaki diğer eski zorluğun üstesinden gelmesini sağlamıştır. CCD'ler (şarj bağlı cihazlar) olarak adlandırılan yeni detektörler doğru akı ölçümlerini mümkün kılmıştır. Bu yeni detektörler, aynı zamanda, kızılötesi dalga boylarında da hassastır. Toz, bu dalga boylarında çok daha fazla saydamdır. Çoklu dalga boylarındaki akıları ölçerek, astronomlar toz etkilerini düzeltebilmiş ve çok daha doğru mesafe belirlemeleri yapabilmişlerdir.

    Bu ilerlemeler "Lokal Grup"tan oluşan yakın galaksiler üzerine doğru bir çalışmayı sağlamıştır. Bu çalışma, Sefeidlerin özelliklerinin hassas olarak kimyasal miktarlara bağlı olmadığını göstermiştir. Bu ilerlemelere rağmen, astronomlar, Yerkürenin atmosferi ile sınırlı olarak, sadece en yakın galaksilerin mesafelerini ölçebilmişlerdir. Evrenin genleşmesine bağlı olarak harekete ilaveten, galaksiler komşuların kütle çekimine bağlı olarak "izafi hareketlere" sahiptirler. Bu olağandışı hareketlerden dolayı, astronomların, Hubble sabitini belirleyebilmek için uzak galaksilere mesafeleri ölçmeleri gerekmektedir.

    Evrenin daha derinlerine inmeye çalışırken, astronomlar galaksilere izafi mesafeleri belirlemek için bir dizi yeni teknik geliştirmiştir: bu bağımsız izafi mesafe ölçekleri şu anda 10'dan daha iyisinde anlaşmışlardır. Örneğin, spiral galaksinin dönme hızı ve parlaklığı arasında Tully-Fisher bağıntısı olarak adlandırılan, çok sıkı bir ilişki vardır. Astronomlar aynı zamanda, bir beyaz cücenin patlayıcı yanmasına bağlı olduğu düşünülen, hepsi hemen hemen aynı tepe parlaklığına sahip, Tip Ia süpernovasını bulmuşlardır. Bununla beraber, büyük sayılardaki prototip galaksilere mesafelerin doğru ölçümleri olmaksızın, astronomlar bu izafi mesafe ölçümlerini ayarlayamazlardı. Bu yüzden, Hubble sabitinin doğru belirlemelerini yapamamışlardır.

    Geçen birkaç on yıl içinde, önde gelen astronomlar, farklı veri setlerini kullanarak, Hubble sabiti için 50 km/sn/Mpc ila 100 km/sn/Mpc arasında değişen değerler rapor etmişlerdir. Bir faktör 2 belirsizliğe karşılık gelen bu farklılığı çözmek gözleme dayalı evren bilimdeki göze çarpan en önemli problemlerden biridir...
    Alıntı