Bilim

9 Ağustos 2022

Yazdır

Geçmişe ve geleceğe açılan pencere: James Webb Uzay Teleskobu

Dünyayı değiştiren araçları sıralasam teleskop listemin en başında yer alır. 400 yılı aşkın zamandır insanın hayatında yer edinen bu gözlem aracı; modern bilimin Batı’da doğmasında, bunun sonucunda da endüstriyel devrimin gerçekleşmesinde çok önemli rol oynadı.1

İşlev olarak yüzeyine ulaşan ışığı toplayan ve odaklayan araçlara teleskop diyoruz. Gözlerimiz de aslında aynı işi yapıyorlar ama teleskop daha geniş yüzey alanı sayesinde çok daha fazla ışık topluyor, çok uzakları algılayabiliyoruz.

Işık, dalga ve parçacık özelliği gösteren gizemli bir yapı. Dalga yönünden, tıpkı durgun göle atılan taş ile oluşan ve halka halka yayılan su dalgasına benzer. Ardışık dalga tepeleri arasındaki uzaklığa dalga boyu diyoruz. Dalganın (ışığın) dalga boyu ile frekansı ters orantılı, yani uzun dalga boylu dalga düşük frekanslı, kısa dalga boylu ise yüksek frekanslıdır. Işığın enerjisi ise frekansı ile doğru orantılıdır: Yüksek frekans yüksek enerjili, düşük frekans düşük enerjili olur.

Gözümüzün algılayabildiği ışık ışınları 400 ile 700 nanometre2 arasında dalga boyuna sahip. Görünür ışıktan daha uzun veya kısa dalga boyu aralıkları farklı adlandırılıyor: Daha uzun dalga boylu ışımalar, kızıl ötesi, mikro dalga ve radyo dalgalarıdır. Örneğin cep telefonlarımız radyo dalgaları ile iletişimi sağlıyor. Daha kısa dalga boyuna (daha yüksek enerjiye) sahip ışımalar ise sırası ile mor ötesi, X-ışınları ve gama ışınlarıdır.

Bugün tüm bu dalga boylarında işleyen teleskoplar inşa edebiliyoruz, farklı dalga boylarında ışımaları toplayıp odaklamak değişik teleskop teknolojisi gerektiriyor.

Neden uzay teleskobu?

Yaşamın Dünya’da konforlu bir şekilde sürüyor olması temelde atmosfer sayesinde gerçekleşiyor. Atmosferin oynadığı önemli rollerden biri, çoğunlukla Güneş kaynaklı yüksek enerjili mor ötesi, X- ve gama ışınlarının emilmesini3 sağlaması.

Atmosfer radyo dalgaları, kızıl ötesi ve görünür ışığın geçişine izin veriyor. Ancak atmosferik moleküller, geçen ışık demetini olumsuz etkiliyor, bu nedenle Dünya yüzeyinden teleskop ile elde edilen görüntünün kalitesini düşürüyor.4

Atmosferin bu olumsuz etkisinden kurtulmanın yolu, gözlem aracını uydu teleskobu olarak inşa edip Dünya yörüngesine, yani atmosferin dışında konumlandırmak. Tahmin edebileceğiniz gibi, bir uydu teleskobun yapım ve işletim maliyetleri, yer tabanlı benzeri teleskop maliyetlerinin çok ötesinde.

James Webb bir kızıl ötesi teleskobu

Astrofizikte, gök cisimlerinden gelen ışık demetini inceleyerek, kaynaklandığı cismin fiziksel ve kimyasal özellikleri ile o ortamda radyasyonu üreten mekanizma hakkında detaylı bilgiler elde edebiliyoruz.

Evrende sayısı yüz milyarın ötesinde olan galaksilerden birinde, Samanyolu’nda yaşıyoruz. Samanyolu gibi her bir galakside ortalama yüz milyarlarca yıldız bulunsa da, toplam kütlenin %95’inden fazlası gaz ve toz bulutları, yani yıldız ham maddesi formunda.

Bulutsular adını verdiğimiz bu yapılar en baskın ışımalarını sahip oldukları sıcaklık nedeniyle ısısal ışımayı kızıl ötesi dalga boylarında yapıyor. Webb teleskobu bu ortamlardan gelen kızıl ötesi ışımaları inceleyerek yıldız oluşumu5 süreçlerini, eşi benzeri olmayan ayrıntıda anlamamıza olanak sağlayacak.

Kızıl ötesi ışınlarına duyarlı bir teleskobun verimli çalışabilmesi için bazı zorlukların üstesinden gelmesi gerekiyor. Bunların başında ise teleskoptan veya çevresindeki olaylardan kaynaklı kızıl ötesi gürültüsünün bertaraf edilmesi geliyor. Örneğin görünür dalga boyunu düşünürsek; gündüz vakti gökkürede yıldız göremeyiz. Çünkü bize çok daha yakın olan yıldızın, yani Güneş’in ışıması çok baskın ve uzaktaki yıldızlardan gelen ışık için ‘gürültü’ teşkil ediyor. Isısal ışıma olan kızıl ötesinde durum daha da vahim. Zira teleskobun ve çevresinin sıcaklığı ciddi miktarda kızıl ötesi gürültüsü oluşturabilir.

James Webb teleskobu kızıl ötesi gürültüsü sorununun üstesinden birkaç önemli özelliği ile geliyor. Webb yer küreye yaklaşık 1.5 milyon kilometre mesafede bulunan L2 konumunda yörüngede. Bu noktada bulunması, Güneş, Dünya ve Ay gibi ana ısı kaynaklarının ışımasına hep aynı tarafından maruz kalmasına neden oluyor. Bu nedenle teleskobun Güneş’e bakan tarafında kompozit malzemeden yapılmış, tenis sahası büyüklüğünde ve 5 katmanlı koruyucu kalkan bulunuyor. Bu kalkan olmasaydı ortam sıcaklığı 10 ile 50 C bandında olacakken, kalkan sayesinde teleskop düzleminde ortam sıcaklığı –230 C seviyesine iniyor. Kızıl ötesi gürültüyü daha da azaltmak için teleskop mekanik yöntemle sıfırın altında 267 C seviyesine kadar soğutuluyor.

Ne tür risklerle karşı karşıya?

James Webb Uzay Teleskobu’nun devasa kalkanı teleskobun verimli gözlem yapabilmesi için Güneş ışınlarını kesiyor. Ancak teleskobun başka koruması yok. Özellikle gök taşları gibi ciddi hasar oluşturabilecek nesnelere karşı koruması bulunmuyor.

Bu tür cisimlerin çarpması zaten öngörülüyor, çarpma ile teleskop aynasında ne gibi hasar meydana gelebileceği yıllardır modelleniyordu. İlk çarpışma, modelleme ile öngörülenden epey önce gerçekleşti. 22-24 Mayıs arası bir mikro meteorit Webb teleskobunu oluşturan 18 dilimden birine çarptı ve ilk hasarı oluşturdu. Batıl inanış bağlamında, bu çarpma Webb’e nazarlık oldu.

Plan, hazırlık ve ilk sonuçlar

James Webb teleskobunun düşüncesi 1990’lı yıllarda, inşasına ise 2000’li yılların ilk evresinde başlandı. Bu teleskop bazen Hubble Uzay Teleskobu’nun daha gelişmiş versiyonu gibi düşünülse de Hubble’dan farklı. Zira Hubble görünür ve mor ötesi dalga boylu ışınlara hassas, Webb ise kızıl ötesi ışınlarına… İki teleskop birbirini tamamlıyor.

Hubble yerküreye oldukça yakın yörüngede; yerden sadece 550 km ötede. 1990 yılında fırlatılmasından altı ay gibi bir süre sonra teleskop odağında bir sorun bulunduğu fark edildi. Bu problemi gidermek için o dönemde faal olan uzay mekiği yolculuğu ile zorlu bakım onarım çalışması yapılarak Hubble tamir edildi.

Webb teleskobu ise yerden çok uzakta; yaklaşık olarak 1,5 milyon km. ötede. Yani teleskopta fırlatıldıktan sonra bir sorun belirlenmesi durumunda tamir edilmesi imkansız olacaktı. Bu nedenle teleskobu inşa eden ekip her manevrayı binlerce kez deneyerek uzayda sorun yaşanmaması için çok çalıştı. Bu denemeler doğal olarak teleskobun maliyetini ilk planlananın çok üzerine taşıdı ve Webb teleskobunu 10 milyar doları aşan bütçesi ile insanlık tarihinin en pahalı deneyi konumuna getirdi. NASA önderliğinde başlayan projeye Avrupa ve Kanada Uzay Ajansları da destek vererek takıma katıldılar. Örneğin Webb teleskobunu uzaya Avrupa’nın Ariene 5 roketi taşıdı.

James Webb Uzay Teleskobu 25 Aralık 2021 günü fırlatıldı. Bir aylık yolculuk sonrası faaliyet konumu olan L2 bölgesine ulaştı. Bu yolculuğu esnasında roketin kargo kompartımanına sığabilmek için kapalı konumda olan tüm parçaları, tavus kuşunun kuyruğunun açılması misali sorunsuz bir şekilde açıldı. Sonrasında aletlerin soğutulması, teleskop parçalarının devreye alınması, odak ayarlarının yapılması ve görüntü kaydedilmesi için gereken süreçler tamamlanarak elde edilen ilk resimler 12 Temmuz 2022 günü tüm dünya ile paylaşıldı.

James Webb Teleskobu ile elde edilen ilk derin uzay görüntüsü. Görülen cisimlerin neredeyse tamamı, her biri yüz milyarlarca yıldız iceren birer galaksi. (Kredi: NASA/ESA/CSA)

James Webb görüntülerinin, 30 yılı aşkın süredir çalışmalarını sürdüren ve elde ettiği görüntüler ile ağzımızı açık bırakan Hubble Uzay Teleskobu görüntülerinden daha iyi olacağı zaten beklenmekteydi. Zira Hubble teleskobunun ayna çapından neredeyse 3 katı daha büyük Webb teleskobunun yüzey alanı, yani ışık toplayabilen yüzeyi 7.5 kat daha büyük. Bu sayede daha fazla ışık demeti odaklayarak daha net görüntü elde edebiliyor. Yukarıda görülen resim için Webb ile 12.5 saatlik, yani aynı alanın Hubble görüntüsü için yapılan pozlamanın 50’de biri zamanda elde edildi. Bu kadar kısa pozlamada bile Hubble görüntüsünden çok daha fazla ayrıntı içeriyor. Daha uzun pozlama ile Webb görüntülerinin daha da fazla detayları gözlememizi sağlayacağı insana heyecan veriyor.

Webb görüntüleri ne işe yarayacak?

Webb teleskobu, muazzam çözünürlüğü ile en uzaktaki galaksilerin kızıl ötesi ışımasını görmemizi sağladı. Evrenin yaşı 13.8 milyar yıl. Evrenin ilk evreleri hakkında bilgilerimiz çok sınırlı. Çünkü Evren hızlanarak genişliyor. İlk evrelerde oluşan galaksiler bizden çok uzaktalar. İlk Webb görüntüleri ile 13.5 milyar yaşında, yani Evren ömrünün henüz %2’sindeyken oluşmuş galaksiler ortaya çıktı. Daha derin pozlama ile Webb’in bizi biraz daha geçmişe götüreceği aşikâr.

Webb ile elde edilmiş en yaşlı galaksilere iki örnek. Sağdaki galaksi 13.5 milyar yaşında (Kredi: NASA/ESA/CSA)

James Webb Teleskobu sadece çok uzak galaksileri gözlemiyor. Samanyolu nesneleri, bulutsuları ve öte gezegenler, yani başka yıldızların çevresindeki gezegenler de önemli Webb hedefleri arasında.

Webb uydusu üzerindeki gözlem araçlarından biri hidrokarbon gibi organik bileşiklerin yaydığı ışımaya duyarlı. Uzak gezegenlerde gözlenecek organik bileşikler, Evrenin başka noktalarında yaşamın izlerinin sürmek için çok önemli. İlk Webb gözlemleri WASP 96b adlı öte gezegenin atmosferinde su molekülleri bulunduğunu gösterdi bile.6 Benzer gözlemler çok sayıda Dünya benzeri öte gezegen için yapılacak, Dünya’yı gezegen evriminde nasıl bir gelecek beklediği daha ayrıntılı öngörülebilecek.

James Webb Teleskobu’nun bilimsel açıdan önümüzdeki on yılları domine edeceğini ve ufkumuzu genişleteceğini tekrar tekrar söylemek yerine son sözlerimi bilime ve uzaya meraklı, bu konularda ben de birşeyler yapmak istiyorum diyen gençlere ve genç kalanlara ayırmak istiyorum. Veri çağını yaşadığımız şu dönemde, Webb veri arşivleri de şimdiden tüm dünyanın erişime açık. Webb görüntülerini ham veriler indirgenerek oluşturmak da artık zor değil. Örneğin Python7 için hazırlanmış kullanıma hazır sayısız program var. Tüm yapmanız gereken öncelikle merak etmek, araştırmak, bulmak ve elbette sebat etmek.

Bu makalede yer alan fikirler yazara aittir ve Fikir Turu’nun editöryel politikasını yansıtmayabilir.

Bu yazı ilk kez 9 Ağustos 2022’de yayımlanmıştır.

  1. Merhum Erdal İnönü’nün ‘Üçyüz Yıllık Gecikme’ başlıklı kitabı bunu kapsamlı bir şekilde anlatıyor.
  2. Metrenin milyarda biri
  3. Atmosferik moleküller yüksek enerjili ışımaları absorbe ederek geçişini engel oluyor.
  4. Bu etkiyi açıklamak için yaygın kullandığımız analoji şöyle. Su dolu havuzun tabanına uzanın ve havuzun yan tarafındaki ağacı izleğinizi düşünün. Su moleküllerinin hareketi ağaçtan yansıyıp gözünüze doğru gelmekte olan ışık demetinin saçılmasına neden olacak. Sonuçta ağaç size oldukça bulanık görünecek.
  5. Dolayısıyla gezegen oluşumu
  6. Su yaşamın olmazsa olmazı. Su bulmak yaşam bulmak anlamına gelmez. Ancak yaşamın cereyan edebilmesi için su elzem.
  7. Python bilmeyenler için de sayısız tanıtıcı video var, 4-5 açık erişimli video ile kabaca anlamak mümkün.

Ersin Göğüş

Prof. Dr. Ersin Göğüş, Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Öğretim Üyesi, astrofizikçi. ODTÜ Fizik Bölümü’nden mezun olduktan sonra, NASA Marshall Uzay ve Havacılık Merkezi’nde yürüttüğü araştırmalarla doktora derecesini aldı. Amerikan Ulusal Uzay Bilimleri ve Teknolojileri Merkezi ve Sabancı Üniversitesi'nde çalışmalarını sürdürdü. Yüksek enerji astrofiziği alanında, nötron yıldızları, gama ışını patlamaları ve güneş sistemi dışındaki gezegenler konularında araştırmalar yapmaya devam ediyor. Bilimsel çalışmalarının yanı sıra, temel bilim eğitiminde astronominin rolü ve astronominin eğitime entegrasyonu konularında öğretmenlere yönelik eğitim programları düzenliyor. 2004 yılında Türkiye Bilimler Akademisi tarafından Genç Bilim İnsanı Ödülü’ne layık görüldü, 2008’de TÜBİTAK Teşvik Ödülü’nü, 2012 yılında FABED Eser Tümen Üstün Başarı Ödülü’nü aldı. Bilim Akademisi’nin asli üyesi.

guest
0 Yorum
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x
Send this to a friend