Reiyonizasyon

Arka plan

Hidrojenin evrendeki ilk faz değişimi kırmızıya kayan z=1089(Big Bang’den 379,000 yıl sonra) bir rekombinasyondu. Evrenin, elektron ve protonların rekombinasyon hızının nötr hidrojen oluşturacak kadar yeterli olan noktasına doğru soğumasından dolayı; bu noktalarda reiyonizasyon hızı daha fazlaydı. Evren rekombinasyon öncesi serbest elektronlardan saçılan fotonlar yüzünden opaktı, fakat sonralarda daha fazla proton ve elektronun birleşip nötr Hidrojen atomlarının oluşturmasıyla artarak şeffaflaştı. Nötr Hidrojen atomunun içindeki elektronlar fotonları uyarılmış seviyeye çıkarak absorbe edebilirler. Sonuç olarak nötr Hidrojen atomlarıyla dolu bir evren göreceli şekilde o dalga boylarında opak, spektrumun geri kalanında ise görünebilir olacaktır. İşte bu noktada Karanlık Dönem başlamaktadır, çünkü o zamanlarda, yavaşça karanlıklaşan kozmik arka plan ışınımından başka hiçbir ışık kaynağı yoktu.
İkinci faz değişimi, nötr Hidrojen’i iyonize etmeye yetecek kadar enerjik olan genç evrende, cisimlerin yoğunlaşmaya başlamasıyla gerçekleşmiştir. Bu cisimler oluştuğu için ve bunlar enerji yaydıklarından dolayı, evren artık nötr olmaktan çıktı ve bir kez daha iyonlaşmış plazmaya dönüştü. Bu olay Big Bang’den 150 milyon-1 milyar yıl sonra gerçekleşti (kırmızıya kayışta 6<z<20). Fakat o zamanlarda madde, evrenin genişlemesiyle etrafa yayılmıştı ve saçılan foton etkileşimleri ve elektronlar, elektron-proton rekombinasyonu döneminde olduğundan daha seyrekti. Sonuç olarak, düşük yoğunluklu iyonlaşmış hidrojenle dolu olan bir evren aynı bugün olduğu gibi şeffaf kalacaktır.

KMA Anizotropisi ve Polarizasyon

Farklı açı skalalarında kozmik mikrodalga arka planının anizotropisi reiyonizasyon üzerindeki çalışmalar için kullanılabilir. Fotonlar etrafta serbest elektronlar varsa, saçılma eğilimi gösterirler, bu durum Thomson saçılması olarak adlandırılır. Fakat evren genişlediğinden, serbest elektronların yoğunluğu düşecek, haliyle saçılma daha seyrek gerçekleşecektir. Reiyonizasyon sırasında ve sonrasında elektron yoğunluğunu azaltacak kadar belirgin bir genişleme gerçekleşti, KMA’yı oluşturan ışık, gözlenebilen Thomson saçılmasını gerçekleştirebilecekti. Bu saçılma KMA anizotropi haritasında bir işaret bırakacaktı, bu işaret ikincil anizotropilerin habercisiydi (rekombinasyon sonrası ortaya çıkan anizotropiler). Anizotropileri silen bu ortalama etki, küçük boyutlarda gerçekleşir. Küçük boyutlardaki anizotropiler yok olurken, polarizasyon anizotropileri aslında reiyonizasyon sayesinde ortaya çıkar. Gözlenen KMA anizotropilerine bakılarak ve reiyonizasyonun rol almamış durumlarıyla karşılaştırılarak, elektronun reiyonizasyon zamanı sütun yoğunluğu çıkarılabilir. Bununla birlikte, reiyonizasyonun gerçekleştiği andaki evrenin yaşı hesaplanabilir.
Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Araştırmaları bu karşılaştırmaları mümkün kılmıştır. 2003’te yayınlanan ilk gözlemler, reiyonizasyonun 11<z<30 aralığında yer aldığını göstermekteydi. Bu kırmızıya kayma aralığı açıkça kuasar spektrumlarındakilerle çelişmekteydi. Fakat, üç yıllık WMAA verileri farklı bir sonuçla dönmüştü. Reiyonizasyon z=11’de başlıyor ve evren z=7’de iyonlaşıyordu. Bu, kuasar verileriyle daha iyi bir uyumu yakalamıştı.
2013’teki Planck görevi sonuçları; WMAA verileri, küçük boyut KMA deneyleri ve BAS ölçümlerinin kombinasyonu, z=11.3 ± 1.1 anlık reiyonizasyon kırmızıya kaymasını türetti.
Burada genellikle kullanılan parametre “reiyonizasyonun optik derinliği” olan τ’dur. Veya alternatif olarak “zre “ dir (reiyonizasyonun kırmızıya kayması), tabii ki bunun anlık bir olay olduğunu farzedersek. Reiyonizasyonun pek de anlık bir olay olmamasından dolayı, bu olay fiziksel olarak pek de mümkün olmasa da, zre , reiyonizasyonun kırmızıya kayması hakkında tahmini bir değer sunabilir.
21 cm’lik çizgi
Kuasar verileriyle kabaca uyum gösteren KMA anizotropi verileri var olsa da, hala bazı tartışmalar var, özellikle reiyonizasyonun enerji kaynakları, reiyonizasyondaki yapı dizilimine olan etkileri ve yapı dizilimindeki rolü hakkında. Reiyonizasyondan önce gerçekleşen “karanlık dönem” gibi, Hidrojen’deki 21 cm’lik çizgi, potansiyel olarak bu dönemin bir çalışma yöntemidir. 21 cm’lik çizgi, nötr Hidrojen’de elektron ve protonlar arasındaki paralel ve anti-paralel spin durumları dolayısıyla gerçekleşir. Bu geçiş olağanüstü bir durumdur ve çok ender gerçekleşir. Ayrıca bu geçiş sıcaklığa yüksek oranda bağlıdır. Yani bu geçiş, “karanlık dönem”de oluşan nesneler ve bunların, çevreleyen nötr Hidrojen tarafından emilen ve tekrar saçılan Lyman-alfa fotonları yayması gibi, Wouthuysen-Field Çiftlemesi boyunca Hidrojen’in içinde 21 cm’lik bir çizgi sinyali üretecektir. 21 cm’lik çizgi sinyali çalışmalarıyla, önceden oluşmuş yapılar hakkında daha çok bilgi edinmek mümkün olacaktır. Şu an elimizde sonuçlar olmasa da, bu alanda, yakın gelecekte birkaç tane başıçekmeyi uman süregelen çalışma bulunmaktadır. Precision Array for Probing the Epoch of Reionization (PAPER), Low Frequency Array (LOFAR), Murchison Widefield Array (MWA), Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT), the Dark Ages Radio Explorer (DARE) mission, and the Large-Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA) gibi.
Enerji Kaynakları
Yapılan gözlemler, reiyonizasyonun gerçekleşmiş olacağı yerleri kısıtlayıp daraltsa da, galaksiler arası boşluğu iyonlaştıran fotonların hangi nesneler tarafından sağlandığı kesin değildir. Nötr Hidrojeni iyonize etmek için, 13.6 eV’luk bir enerjiden daha fazlası gereklidir, bu da 91.2 nm ya da daha kısa dalga boylarına sahip fotonlar demektir. Bu dalga boyları, elektromanyetik spektrumun ultraviyole kısmındadır, yani bunu başarabilmek için birincil adaylar, ultraviyole ve daha üzerindeki belirgin enerjiyi üreten bütün kaynaklardır. Birçok açıdan bu kaynakları değerlendirmek gerekir (süreklilik gibi), çünkü eğer onları ayrı tutmaya yetecek kadar sürekli bir enerji olmazsa; proton ve elektronlar rekombine olacaklardır. Hepsi birlikte, düşünülen herhangi bir kaynak için kritik parametre “kozmolojik birim başına iyonlaşan hidrojen fotonlarının yayılma hızı” olarak özetlenebilir. Bu kısıtlamalarla, kuasarların ve ilk nesil yıldızlar ve galaksilerin ana enerji kaynakları olmuş olduğu beklenebilir.

III Yıldızlar Popülasyonu

III Yıldızlar Popülasyonu, hidrojen ve helyumdan daha ağır elementler bulundurmayan yıldızlardır. Big Bang nükleosentezi sırasında, oluşan hidrojen ve helyumun elementlerinin yanında oluşan başka tek elementlerde lityumun izindekilerdir. Oysa Kuasar spektrumları ağır elementlerin varlığını ortaya koymuştur, IGM’de daha önceki dönemlerde. Süpernova patlamaları bunun gibi ağır elementleri oluşturur, çok sıcak, büyük, süpernova oluşturabilen III Yıldızlar Popülasyonlar reionizasyon oluşturmak için olası mekanizmalardır. Doğrudan gözlenmemiş olmalarına rağmen, onlar sayısal simülasyon ve güncel gözlemlerin  kullanıldığı modellerle tutarlıdır. Bir yerçekimsel mercekli galaksi aynı zamanda III Yıldızlar Popülasyonu dolaylı kanıtı sağlar. III Yıldızlar Popülasyonların doğrudan gözlemlenmeseler bile, onlar zorlayıcı kaynaklardır. Onlar II Yıldızlar Popülasyonlarından daha fazla verimli ve etkili iyonlaştırıcılardır. daha fazla iyonize foton yaydıklarında, ve kendi kendilerine hidrojen reiyonizasyonu yapabilme yeteneğine sahiptirler, uygun başlangıç kütle fonksiyonunun bir reiyonizasyon modelleriyle. Bunun bir sonucu olarak, III Yıldızlar Popülasyonu evrenin reiyonizasyon başlatmak için günümüzde enerji kaynağı olarak görülmektedir, diğer kaynaklar devralınan ve tamamlanması için reiyonizasyon tahrik olması muhtemeldir.