Devasa ve Güçlü Yeni Simülasyon Evrenin İyonlaşmasını Açıklıyor

Modern astronomi; parçalı aynalara sahip devasa teleskoplardan, büyük dijital kameralardan, karmaşık veri hatlarından ve farklı özel amaçlara sahip güçlü enstrüman setlerinden oluşuyor. Ancak bu gözlemsel taraf. Bu teleskoplardan elde edilen son derece detaylı verilerin anlamlandırılması, kendi yaklaşımını gerektiriyor.

Simülasyonların devreye girdiği yer burası. Artık giderek daha detaylı kozmolojik simülasyonların, dünyanın en hızlı süperbilgisayarlarında çalıştırıldığı bir çağda yaşıyoruz. Kozmologlar bu simülasyonları yıldız oluşumundan evrenin genişlemesine kadar her şeyi anlamak için kullanıyor.

James Webb Uzay Teleskopu (JWST) ve Nancy Grace Roman Uzay Teleskopu (NGRST), var olan en yetkin iki uzay teleskopudur. Kızılötesi yetenekleriyle evrenin çok erken dönemlerini aydınlatmada özellikle başarılılardır. NGRST henüz yeni yeni işe başlamışken, JWST birkaç yıldır meşgul ve halihazırda bazı sürprizler verdi. NGRST ancak iki ay önce fırlatıldı ve görevi gerçekten henüz başlamadı. Ancak işe başladığında kendi sürprizlerini de sunabilir.

Bu noktada, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA)’den yeni bir simülasyon devreye giriyor. Adı Lumina ve şimdiye kadar yapılmış en büyük ve en detaylı simülasyonlardan biri.

Lumina, Royal Astronomical Society Dergisi (Monthly Notices) içinde “Introducing the lumina project: large-volume radiation-hydrodynamic simulations of the epochs of hydrogen and helium reionization” başlıklı yeni araştırmada sunuluyor. Baş yazar, Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian’daki Theory and Computation Enstitüsü araştırmacısı Oliver Zier.

“Galaksilerin ve aktif galaktik çekirdeklerin (AGN’lerin) evrensel zaman boyunca intergalaktik ortamı (IGM) birlikte nasıl iyonlaştırdığını anlamak, kozmolojide hâlâ büyük bir zorluk olmaya devam ediyor,” yazarlar yazıyor. “Lumina’yı sunuyoruz; bu, iyonlaşmamış hidrojen (H i), iyonlaşmamış helyum (He i) ve çift iyonlaşmış helyum (He ii) iyonlaşması boyunca IGM, galaksiler ve AGN’lerin eşzamanlı gelişimini tutarlı biçimde izleyen hacimli bir radyasyon-hidrodinamik simülasyonudur ve kayma z = 3 değerine kadar iniyor.”

z=3 kayma değeri, yaklaşık 11,7 milyar yıllık geriye bakış süresine, yani Büyük Patlama’dan yaklaşık 2,1 milyar yıl sonrasına karşılık gelir. Bu, Evren’de yıldız oluşumunun en yoğun yaşandığı ve kuasarların en aktif olduğu Kosmik Öğle döneminde yer alır. Aynı zamanda, nötral hidrojen zaten yeniden iyonlaştıktan sonra genellikle IGM’deki son faz geçişi olarak kabul edilen Helyum II yeniden iyonlaşmasının da sonlarına denk gelir.

“Galaksi popülasyonu, orijinal IllustrisTNG projesiyle tutarlı kalmaya devam ederken, daha büyük hacim nadir nesneler, büyük ölçekli ortamlar ve kosmik varyans için istatistikleri iyileştiriyor ve H i ile He ii topolojilerini evrim geçen galaksi ve AGN popülasyonlarına bağlayan gözlemlenebilirlerin ileri yönlü modellemesini olanaklı kılıyor,” araştırmacılar açıklıyor.

Evren’in nötral hidrojen ve helyumunun tam olarak nasıl yeniden iyonlaştığı hâlâ tamamen anlaşılmış değil. Çeşitli kaynaklardan—yıldızlar ve süperkütleli delikler ile onların AGN’leri—katkıların ne kadar olduğu belirsiz. Tüm bunların yaşandığı zaman çizelgesi de kozmologların hâlâ çözmeye çalıştığı bir konu. Hepsi birden, düzgün bir çözümle mi sona erdi? Yoksa pütürlü müydü? JWST gözlemleri, tüm bunları anlamaya yönelik yeni bir çabayı ilerletmeye yardımcı oluyor.

“JWST ile erken evren, astrofizikte heyecan verici yeni bir cephane haline geldi,” baş yazar Zier, bir basın açıklamasında şunu söyledi: “Bu teleskopla gördüklerimizi anlamak için teorilerimizi ayrıntılı tahminlere dönüştürmemiz gerekiyor. Birkaç yıllık çalışmaların, nice yükseliş ve düşüşlerin ardından, simülasyon sonuçlarını görmek ve tahminlerimizin videoda hayata geçtiğini izlemek inanılmaz derecede ödüllendirici.”

Lumina’nın hacmi, tanınmış başka bir simülasyon olan Illustris TNG’den daha büyüktür. TNG 300, onun en büyük çalışmasıydı ve yaklaşık 3,3 megaparsek boyunda bir kutuya sahipti. Ancak Lumina’nın kutu boyu 500 Mpc’dir. (Simülasyon meraklıları, bunların hareketli (co-moving) parsekler olduğunu belirtmek için haklıdır.) Böylece Lumina, her biri yaklaşık 1,5 milyar ışık yılı olan bir alanı simüle eder; bu da astronomların en güçlü teleskoplarımızla görebildiği alanla neredeyse aynıdır.

Bu görsel, kenar uzunlukları 500 cMpc, 50 cMpc, 5 cMpc ve 500 ckpc olan yakınlaştırma kutuları içindeki baryonik maddenin, yani gaz ve yıldızların yoğunluğunu gösteriyor. Şekil, halonun kozmik ağ içine yerleşimini, ipliğimsi gaz beslemesini ve merkezindeki kompakt yıldız yapısını ortaya koyuyor. Görsel Kredisi: Zier ve ark. 2026 MNRAS

Hydrojenin yeniden iyonlaşması evrendeki en yaygın element olması nedeniyle kapsamlı şekilde incelenmiş olsa da, helyumun yeniden iyonlaşması böyle olmamıştır. Lumina, helyumun yeniden iyonlaşmasını modelleyip bu sonuçları simülasyonun geri kalanına aktarıyor; böylece helyumun yeniden iyonlaşmasının evrene etkisi aydınlatılıyor.

Hydrojen, yıldız üreten cüce galaksilerden gelen daha düşük enerjili ultraviyole fotonlarla yeniden iyonlaşırken, bu fotonlar helyumu iyonlaştırmaya yetecek kadar enerjik değildi; helyum IGM’in yaklaşık %25’ini oluşturuyordu. Bunun için kuarzların ve aşırı parlak aktif galaksirak çekirdeklerin devasa bir nüfusa ihtiyaç vardı ve bu nüfuslar Kosmik Öğle denilen dönemde zirveye ulaştı.

Ancak bir simülasyonu helyumun yeniden iyonlaşmasını kapsayacak şekilde genişletmek kolay değildi. “He ii yeniden iyonlaşmasını modellemek önemli hesaplama zorlukları getiriyor,” yazarlar açıklıyor. “z = 3 değerine ulaşmak için simülasyon, H i yeniden iyonlaşmasının sonunda neredeyse bir ek gigayil daha evrimleşmeli; bu sırada madde dağılımı giderek daha kümelenmiş hale geliyor.”

Bunu başarmak için Lumina, dünyada El Capitan ve Line Shine’dan sonra üçüncü en hızlı süperbilgisayar olan Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nın Frontier süperbilgisayarında 15.000’den fazla grafik işlem biriminde çalışıyor. Frontier, gereken ayrıntı düzeyinde uzayın devasa bir hacmini hesaplayabilecek güce sahipti.

Lumina’nın He II yeniden iyonlaşmasına dair ilk sonuçları gözlemlerle iyi uyum gösteriyor.

“He II iyonlaşması z (yaklaşık eşit) 6’da başlar ve AGNs’in sert radyasyon alanı tarafından sürülür. z (yaklaşık eşit) 4’te bir orta nokta ve z = 3’te neredeyse tamamlanma, 1’in altınd bir He II hacim doldurma oranıyla, güncel gözlemsel kısıtlamalarla uyumlu şekilde,” yazarlar yazıyor. “Bu, Lumina’nın helyum iyonlaşmasının başlangıcı, topolojisi ve tamamlanmasını, hidrojen iyonlaşmasıyla paralel olarak tutarlı bir şekilde takip edebileceğini gösteriyor.”

Simülasyonlar ve gözlemler birlikte kozmolojide ilerlemeyi sürüdürür ve teorişilerin alet çantasında artık başka bir güçlü aracın olduğu görülüyor.

“Lumina gibi simülasyonlar inşa ediyor olmak kendimizi inanılmaz derecede şanslı hissediyoruz,” diyor ortak yazar ve Texas Üniversitesi Dallas Kampüsünde fizik asistan profesörü Aaron Smith. “İlk kez, hem hidrojenin hem de helyumun evrenin bu kadar büyük bir hacminde modern biçimlerine dönüştüğü süreci takip edebilirken, aynı zamanda bu dönüşümü sürdüren galaksileri ve diğer ışıklı nesneleri çözme yeteneğini koruyabiliyoruz.”