Cynthia Chiang her zaman elleriyle çalışmak istemiştir. Mantık dışı gelse de, onu oldukça soyut bir gözlemsel kozmoloji alanına yönlendiren şey buydu: evrenin ilk yıllarına ilişkin verileri toplayarak evrenin kökenini ve gelişimini incelemek.

Bu işe olan yolculuğu, yüksek lisansa başvururken ve Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nün bodrum katındaki bir laboratuvarı kontrol ederken başladı. "İçeriye girdim ve tüm bu vakum ekipmanlarını ve tüm bu eğlenceli kriyostatları gördüm ve bir anda 'Evet, büyüdüğümde yapmak istediğim şey bu' dedim" dedi. “Muhtemelen dürtüsel, yetersiz bilgiye dayalı kararlar verme konusunda bir geçmişim olduğunu düşünüyorum. Ama bu harika bir karardı.”

Doktorasını tamamladıktan sonra Princeton Üniversitesi'nde Dicke bursu aldı ve burada Planck teleskopunun bilim ekibinin bir parçası olarak kozmik mikrodalga arka plan (CMB) - Büyük Patlama'dan kalan kalıntı radyasyon - üzerine çalışmaya başladı. Ancak CMB deneyleri (ve ekipleri) büyüyordu ve Chiang, kendi başına bir alet yapmasına olanak sağlayacak bir şey üzerinde çalışmak istiyordu.

Chiang, hayatında yeniden ne yapacağını bulmaya çalışırken, Güney Kutbu Teleskobu'nun "kış dönemi" bilim adamlarından biri olarak Güney Kutbu'nda bir yıl geçirdi. O oradayken, Güney Afrika'da Kilometre Kare Dizisi radyo teleskopunun yakında inşa edileceği bir pozisyon açıldı. Kozmik mikrodalgalardan kozmik radyo dalgalarına geçiş yaptı. "Bir dalga boyu fazla" dedi. "Ne kadar zor olabilir ki?"

Bugün, McGill Üniversitesi'nde fizik doçenti olarak, erken evrendeki önemli dönemlerden (karanlık çağlar ve kozmik şafak) gelen radyo sinyallerini tespit edebilen aletler üretiyor, dağıtıyor ve çalıştırıyor. İlki, evrenin yalnızca nötr hidrojen gazından oluşan bir deniz olduğu çok eski bir zamandı; ikincisi biraz daha sonra ilk yıldızların açılmasıyla gerçekleşti. O ilk kozmik gün doğumundan gelen ışığı ve hatta o şafaktan önceki karanlığı yakalamak o kadar çetrefilli ki, Çan ve meslektaşlarının, sinyallerini darmadağın evrenin geri kalanından ayırma umuduna sahip olmak için bile Dünya'nın uçlarına gitmeleri gerekiyor. (James Webb Uzay Teleskobu ve onun çok yönlü aynası da bu ilk zamanlara doğru bakıyor ve en eski yıldız ışığını görmeye çalışıyor.)

Şu ana kadar bilim insanları karanlık çağlara dair çok az şey gördü ve yalnızca EDGES adı verilen bir ekip (belki) kozmik şafağın ipuçlarını gördü. Ancak sonuçlarının farklı bir araçla onaylanması veya reddedilmesi gerekiyor.

Çan'ın üzerinde çalıştığı enstrümanlara benzer bir enstrüman.

Çan, köklerine sadık kalarak bu kadim kozmik çağları yakalamak için ekibinin el yapımı aletlerini kullanıyor. "Bilimin hedefleri genel olarak evrenin nasıl çalıştığına ve kaderinin ne olduğuna ilişkin büyük sorulardır" dedi. Ancak deneyler tam olarak basit olmasa da en azından küçük ölçekli olabilir.

Kuantum Chiang'la evrenin uzak geçmişi, bilim adamlarının orada zamanda yolculuk yapmadaki zorlukları, ekibinin uzak yerlerdeki çalışmaları ve gizemlerin neden bilimin en iyi parçası olduğu hakkında konuştu. Röportaj, netlik sağlamak amacıyla kısaltıldı ve düzenlendi.

Güney Kutbu'nda geçirdiğiniz yılın en iyi ve en kötü kısımları nelerdi?

Kıtaya ayak bastığım andan itibaren sanki evime gelmişim gibi hissettim.

Güney ışıkları olağanüstü. Dünyanın en kötü gününü yaşıyor olabilirsiniz ama teleskop ana istasyondan 15 dakikalık yürüme mesafesindedir. Dondurucunun kapısını arkamdan kapattığımda ve dışarıda karanlıktan ve güney ışıklarından başka bir şey kalmadığında her şey yoluna girdi. Bu ışık gösterisi tam size göre.

Oradaki topluluğu da gerçekten çok seviyorum. Rastgele insanlar tesadüfen oraya gelmezler. Güney Kutbu çok dar bir bant geçiren filtre uygular.

Dar filtrelerden bahsetmişken, kozmolojiniz 21 santimetre çizgisi adı verilen belirli bir radyo dalga boyunu aramayı içerir. Bu nedir?

21 santimetrelik çizgi, evrende en bol bulunan element olan hidrojen atomlarından gelen doğal bir radyo emisyonudur. Evrenin belirli bir renkte veya dalga boyunda parlayan tüm bu gazlarla dolu olduğunu düşünebilirsiniz. Ancak evrenin geri kalanı gibi hidrojen gazı da uzaklaşıyor. Bu hareket ışığı uzatır ve dalga boyunu uzatır. Hidrojenin doğal parıltısının veya renginin ne olduğunu biliyoruz, dolayısıyla hidrojenin bizden uzaklaşma hızı nedeniyle ne zaman farklı renklere dönüştüğünü de biliyoruz. Veya bu deneyler için eşdeğer ve daha da önemlisi, ne kadar uzakta olduğu.

Daha sonra bir teleskop yapabilir ve bu 21 santimetrelik emisyon için belirli bir rengi hedefleyebilirsiniz; bu, kozmik karanlık çağlar gibi evrenin tarihindeki belirli bir dönemi haritalandıran bir şeydir.

Sadece teleskopunuzu doğru dalga boyuna çevirerek evrenin tarihinin herhangi bir bölümünü ayarlayabilirsiniz.

Elektromanyetik zaman makinesi gibi.

Temelde.

Peki Büyük Patlama'dan sonra evren, tarihinin karanlık çağlar ve kozmik şafak dediğimiz bölümlerine nasıl ilerledi?

Büyük Patlama'nın hemen ardından evren son derece sıcak ve yoğundu, parçacıklardan oluşan bir çorbaydı.

Hızlı bir şekilde ilerlersek, evren genişledikçe soğur ve sonunda ilk nötr hidrojen atomlarının oluşmasına yetecek kadar soğur. Ve o noktada evren kararır. Ve çok sıkıcı. Çünkü çoğunluğu hidrojen olan gazdan başka bir şey yok. Bunlar karanlık çağlardır.

Ancak bu gaz banyosunun içinde bazı küçük alanlar diğerlerinden biraz daha yoğundur ve aşırı yoğun olan bölgeler yer çekiminin etkisiyle çökmeye başlar. Bir noktada, ilk yıldızların oluşmaya başlamasına yetecek kadar madde çöküyor. Bu ilk yıldızların doğuşu “kozmik şafak” olarak biliniyor ve bugün görmeye alışık olduğumuz yıldızlardan oldukça farklılar. Bu nesnelerin tam olarak nasıl evrimleştiğini ve yavaş yavaş günümüzün yıldızlarına nasıl benzediğini bulmaya çalışıyoruz.

Radyo deneylerinizde bu yaşları nasıl görüyorsunuz?

21 santimetrelik çizgide, karanlık çağlarla ilişkilendirilen küçük bir soğurma özelliği (parıltıda bir azalma) bulunmalıdır. Daha büyük bir keskin özellik kozmik şafakla ilişkilendirilmelidir.

İnsanlar şafaktan itibaren bu sinyalleri nasıl ölçtüler? Peki kozmologlar onlardan ne öğrenmek ister?

Şu ana kadar sadece iki deneyde bu döneme ilişkin herhangi bir ölçüm yapıldı. Bunlardan biri, gökyüzünün sıcaklığını farklı frekanslarda ölçen EDGES'tir. Bu, arabanızın radyosunu alıp aynı anda tüm istasyonlara ayarlamak ve yayınlanan her şeyi dinlemek gibidir.

EDGES, bu sinyalde ilk yıldızların açıldığını gösteren küçük bir düşüş arıyor. Yani araba radyosu benzetmesinde, tüm istasyonlarda statik ve ortadaki bir avuç daha sessiz istasyonu dinliyor olacaksınız.

EDGES ekibi bu düşüşü tespit ettiklerini düşünüyor onların verilerinde. Eğer bu doğruysa, bu kozmik şafağa dair ilk ve tek bakışımızdır. EDGES sinyalinin gerçek olduğunu anlarsak şehre gidebiliriz; orada yeni fizikler olabilir. Ancak bu araçsal bir etki olabilir ve başka bir deney olan SARAS 3 de çok benzer bir ölçüm yaptı ve hiçbir şey görmedim.

Gerçek bir şey gördüğünüzü düşünerek kendinizi kandırmak kolaydır; oysa bu, örneğin gevşek bir kablo olabilir. Tartışabilmek için başka deneylere ihtiyacımız var. Bu veriler aslında kozmik çağa ait sahip olduğumuz tek şey olduğundan ve bunları nasıl yorumlayacağımızdan henüz emin olmadığımız için, o zaman hakkında pek bir şey bilmiyoruz.

Şöyle bir deney yapıyorsunuz: PRIZM, açılımı "Marion'dan Yüksek Z'de Radyo Yoğunluğunun Araştırılması" anlamına geliyor. Bu projenin başlangıç ​​hikayesi nedir?

Bu çılgın bir yolculuk. PRIZM, 2015 civarında yeni bir sahaya ihtiyaç duyan eski bir deneyin devamı niteliğindedir. Aynı zamanda, meslektaşım Jon Sievers ve ben Güney Afrika'nın etrafında uçuyorduk ve Hint Okyanusu'nun güneyinde, hiçliğin ortasında, Marion Adası adlı bu yeri anlatan bir uçuş dergisini okuduk. Gerçekten çok uzak görünüyordu: Her şeyden 2,000 kilometre uzaktaydı. Bunun oldukça radyo sessizi olması gerektiğini düşündük; insan yapımı radyo sinyallerinden kaynaklanan çok fazla parazit yok. Orada bir araştırma üssü ve bazı altyapılar vardı.

Deneyi göndermek için fon bulduk. İlk yılın ardından enstrümanı tamamen yeniden inşa ettik ve PRIZM olarak yeniden hayata geçirdik.

Peki PRIZM nasıl çalışır?

PRIZM'in aynı anda gözlem yapan iki bağımsız anteni vardır; biri 70 megahertz'de ve diğeri 100 megahertz'de merkezlenmiştir; bunlar, evrenin erken dönemlerinden gelen son derece gergin radyo ışığını görmeyi beklediğiniz gerçekten düşük radyo frekanslarıdır ve ilk yıldızlar açılıyor.

Verilerimizde tuhaf özellikler görürsek ve bunun uzaydan değil de bizim enstrümanımızdan kaynaklanan bir şey olduğu ortaya çıkarsa, bu iki enstrüman arasında frekansın değişmesini bekleriz. Ancak eğer gökyüzünde gerçek bir şey varsa, ikisi arasında tutarlı olması gerekir.

Sonuçlar şu ana kadar nasıl görünüyor?

Veriler çok temiz ve elimizde çok şey var. Marion ana karadan o kadar uzakta ki, frekansı kozmik şafak sinyaliyle çelişen FM radyoyu göremiyoruz.

Ancak enstrümanın tüm özelliklerini anlamak için hala yapmamız gereken çok fazla ödev var.

PRIZM antenlerinin de kullanım ömrü dolmuştur. Beş yıldır Marion'a dayak yiyorlar, bu yüzden çok kötü durumdalar. Deneyi tamamladık ve yeni bir şey inşa etmem gerekiyor.

Marion Adası nasıl bir yer?

Bu sihirdir. Şu ana kadar çalıştığım en güzel yerlerden biri. Aynı zamanda en zor olanıdır. Güney Kutbu kıyaslandığında sönük kalır. Rüzgarlı ve yağmurlu, donma noktasının biraz üzerinde. Tuz spreyi var, bu yüzden Marion kahvaltıda metal yiyor. Orada hayatta kalmak için herhangi bir şey elde etmek çok zordur.

PRIZM antenlerimizi ana üssün yaklaşık dört kilometre uzağına kurduk; pek de affedici olmayan bir araziden işe gidip gelmek için bir saatlik yürüyüş. Bataklıklar var, lav kayaları var. Ama buna değer.

Aynı adada, ALBATROS adında karanlık çağları inceleyen başka bir deney daha vardı. Bu deney nasıl başladı?

PRIZM'i kurduktan sonra Marion'un düşük frekanslı astronomi için olağanüstü bir yer olduğunu fark ettik. Burada başka ne yapabiliriz? Tamamen keşfedilmemiş bir diğer alan ise 30 megahertz ve altındaki frekanslarda ortaya çıkan karanlık çağlardır.

Bu sinyaldeki dalgalanmaları ölçebilmeniz gerekir; bu size evrenin kökenleri hakkında kozmik mikrodalga arka plan ışınından elde ettiğimizden daha fazla bilgi verecektir. SPK iki boyutludur çünkü çok hızlı yaratılmıştır, halbuki karanlık çağlar çok uzun sürmüştür ve onların gözlemleri milyarlarca yıl önce neler olup bittiğine dair size üç boyutlu bir görünüm sağlayabilir. Bu 50 yıllık bir hayal.

Rüya şu an nerede? Bilim insanları karanlık çağlarla ilgili halihazırda neler gözlemledi?

Temelde hiçbir şey. Bugüne kadar ölçülen en düşük frekanslar, 2'li yılların verilerine göre yaklaşık 70 megahertz civarındadır. Bu, 50 yıl sonra hâlâ en ileri teknolojidir. Hala oradayız. Düşük frekanslarda iyonosfer devreye giriyor ve yolu kapatıyor.

Kozmolojiyi elde etmek için dua etmeden önce, Samanyolu galaksisinin, yani ön plandaki karmaşanın bu frekanslarda nasıl göründüğünü bulmamız ve sonra onu çıkarmamız gerekiyor. Bunun için bir interferometreye ihtiyacınız var; bu, büyük bir birleşik araç olarak birlikte çalışan birden fazla anten demektir. Diziniz ne kadar büyük olursa çözünürlük de o kadar iyi olur.

Marion bu projeye başlamak için ideal bir yerdi çünkü antenleri adanın tamamına dağıtabiliyorduk ve çevrede operasyon üsleri kurmak için çok uygun yerler olan kulübeler var. Orijinal plan buydu. İşlerin nasıl gittiğini görmek için birkaç prototip anten kurmaya başladık.

“Orijinal plan” dedin.

Projenin ortasında Güney Afrika'dan Kanada'ya, McGill Üniversitesi'ne taşındım. Yaptığım ilk şey Montreal yakınlarında radyo sessizliği olan bir yer bulmaya çalışmaktı. Ve Kuzey Kutbu'nun olağanüstü olduğu ve McGill'in o bölgede bir araştırma istasyonu olduğu ortaya çıktı. Oraya başka bir ALBATROS dizisi kuruyoruz ve sonunda geçen yıl geri dönüp, Kovid salgını nedeniyle iki yıl elimizde kaldıktan sonra ilk iki otonom istasyonumuzu kurabildik.

Eminim bu kolay değildir. Dünyanın uzak yerlerinde geçirdiğiniz zamana ait favori anekdotlarınız var mı?

Marion'un en kötü yanı her şeyi farelere karşı korumalı olmasıydı. Bu, deneysel bir fizikçi olarak hazırlandığım bir şey değil.

Metal örgü kumaşın kemirgenleri caydırdığını düşündük ve tüm kablolarımızı buna sardık.

Kablo sarma egzersizine başlamadan önce tel örgüden bir miktar alıp bundan küçük bir çanta yaptım ve içine bir kurabiye koyup gece boyunca orada bıraktım. Ertesi gün, farelerin içeri girmeye çalıştığına benzer çiğneme izleri görebiliyordum ama kurabiye sağlamdı. "Tamam, elektroniklerimiz güvende olacak" dedim.

 Cihazlarımızı ayarlarken insanlarla vahşi yaşamı ne kadar düşünmek zorunda kaldık; buna beklediğimden daha fazla CPU döngüsü ayırdım.

Kuzey Kutbu'nda lemmingler gibi küçük kemiriciler vardır, ancak kurtlar ve tilkiler gibi dişleri olan büyük kemiriciler de vardır. Tahtaya vurun, henüz büyük bir felaket yaşamadık ama bunun an meselesi olduğunu düşünüyorum.

Bir kurdun antenin tamamını eve götürmesinden önce mi?

Bu bir misk öküzü olurdu.

Evrenin tarihinin bu bölümlerini incelemek için sizi motive eden şey nedir?

Evrende gizemlerin olmasını seviyorum.

Gündelik yönü seviyorum. Evrenin gizemlerini düşünmediğim zamanlarda, enstrümanlarımızı nasıl hayatta tutabileceğimizi ve misk öküzünün antenlerimizi devirmesini nasıl önleyebileceğimizi düşünüyorum.