Karanlık Madde kafa karıştırıcı olabilir, ancak evreni anlamamızda çok önemli bir rol oynayabilir… Karanlık maddeyi çevreleyen ve henüz tam olarak cevaplanamamış bazı sorular var, ve cevapları modern çağımızın en önemli fizik gizemlerinden bazıları…
Karanlık maddenin varlığı ilk olarak 1922'de Hollandalı gökbilimci Jacobus Kapteyn tarafından yıldız hareketlerinin hızlarının hesaplanması üzerine yapılan araştırmalarda kullanılmak için önerildi. Daha sonra, 1933'te Fritz Zwicky Uzak Coma gökada kümesinde tuhaf bir şey fark etti.
İsviçreli Amerikalı gökbilimci Fritz Zwicky aslında, Uzak Coma Gökada Kümesi’ndeki tüm yıldızların total kütlesinin, gökadaların kümenin yerçekimsel alanında kaçmasını önlemek için gereken kütlenin sadece yüzde 1'ini oluşturduğunu keşfetti. Bu açıdan düşünüldüğünde, aslında karanlık madde başlangıçta “eksik madde” olarak adlandırıldı, zira gökbilimciler elektromanyetik spektrumun herhangi bir bölümünü kullanarak evrende onu tam olarak gözlemleyemediler.
Ve 1970'lere kadar karanlık maddenin Amerikalı astronom Vera Rubin ve W. Kent Ford tarafından resmi olarak var olduğu doğrulanamadı.
Peki, karanlık maddeyi çevreleyen eksik şey neydi? Bilim kurgu filmlerinde, TV şovlarında ve hatta haberlerde karşılaşmış olabilirsiniz. Bu eksik meseleyi doğru bir şekilde anlamak, bilim insanlarına evrenin kesin doğasını ve belki de evrenimizin nasıl biteceğini daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir.
Bazı teorilere göre karanlık madde düşündüğümüzden çok daha yaygın. Karanlık madde miktarı bize evrenin genişleyip genişlemediğini ya da uzak bir gelecekte çökebileceğini veya tamamen hareketinin durabileceğini gösterebilir. Ayrıca karanlık madde, yer çekiminin nasıl çalıştığını veya galaksilerin nasıl oluştuğunu daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir. Liste bu şekilde uzayıp gidiyor. Bununla birlikte, gökbilimcilerin ilerleyebilmesi için ele alınması gereken karanlık madde ile ilgili hala cevaplanamamış birçok büyük ve önemli sorular da var. Bugün bunları keşfedeceğiz. Haydi başlayalım…
1| Karanlık madde tam olarak nedir?
Hala karanlık maddenin tam olarak ne olduğunu bilmiyorsanız yada ne olduğundan emin değilseniz, yalnız değilsiniz. Birçok araştırmacı, karanlık maddenin evrendeki mevcut maddelerin % 85'ini oluşturduğuna inansa da, henüz tam olarak karanlık maddenin ne olduğu konusunda bir uzlaşma söz konusu değil. Dahası, karanlık maddeyi ne kadar çok araştırırsak, daha da karanlık bir şeyler oluyor gibi geliyor. Bununla birlikte, karanlık maddenin doğasını açıklayan iki ana teori var:
İlki, karanlık maddenin sıradan ama görülmesi zor ölü yıldızlardan veya devasa soğuk gezegensel nesnelerden oluştuğudur. Bu nesneler “halo” olarak adlanrılır ve galaksilerin içinde birikirler ve buna “Büyük Kompakt Halo Nesneleri” veya MACHO’lar denir.
Diğer popüler teori ise, karanlık maddenin Büyük Patlama’da yaratılan ve her yerde var olan keşfedilmemiş parçacıklardan oluşmasıdır. Bunlara ise Zayıf Etkileşen Masif Parçacıklar veya WIMP denir. Bu şu anda daha tercih edilir teoridir.
ABD Enerji Bakanlığı’nın bir parçacık fiziği laboratuvarı olan Fermilab’ından fizikçi Don Lincoln, Livescience için kaleme aldığı makalesinde bu fikri daha derinlemesine şu şekilde açıklamıştır,
“Karanlık maddeyi hiçbir zaman doğrudan gözlemleyemeyiz, ancak ne olması gerektiği hakkında artık çok şey biliyoruz: Mesela büyük olmalıdır (zira galaksilerin dönüşünü etkiliyor); elektriksel olarak nötr olmalıdır (zira göremiyoruz); sıradan maddeden farklı olmalıdır (zira görülebilen madde ile olağan yollarla etkileşime girdiğine dair hiçbir kanıt görmüyoruz) ve istikrarlı olmalıdır (zira evren var olduğundan beri varlığı söz konusudur). Bu özellikleri apaçık.”
“Ancak tam olarak ne olduğunu hala bilmiyoruz. En popüler jenerik teoride, karanlık madde parçacığına zayıf etkileşen masif parçacık yada WIMP denir. WIMP’ler, bir protondan 10 ila 100 kat daha ağır bir kütleye sahiptir, ve ağır nötronlar gibidir (ancak kesinlikle bir nötron değildir). Büyük Patlama sırasında büyük miktarlarda oluştular ve bugüne kadar küçük bir miktarı kaldı.”
Yine de, bu WIMP’ler çok zor tespit edilebilir olsalarda, her yerde olmalılar ve onlarla bir şekilde etkileşime girebilmeliyiz. Bu, uzun bir süre boyunca hakim olan teoridir. On yıllar boyunca araştırmacılar, karanlık madde WIMP parçacıklarını tespit edebilmek için bir çok dedektör geliştirdi ama başarısız oldular. Taa ki yakın zamana kadar…
İtalya’da geliştirilen bir karanlık madde detektörü yakın zamanda olumlu sonuçlar almayı başardı. Bununla birlikte, gerçekleştirilen DAMA deneyi, dünyadaki diğer karanlık madde dedektörleri gibi, çelişkili sonuçlar doğurduğu için bir çok tartışmaya neden oldu. Şu anda, bu teorik parçacıkların bile var olduğuna dair kesin bir kanıtımız hala söz konusu değil.
2| Karanlık madde bir şeyle etkileşime girmemeli midir?
Evet kesinlikle. Ama bu düşündüğünüzden çok daha zor. İlk olarak, araştırmacılar karanlık maddeyi, sadece etrafındaki evreni nasıl etkilediğini görerek anlamaya çalışabilir. Bugüne kadar, gözlemlenen tek şey, karanlık maddenin yerçekimine olan etkileri olup, bu da fikirlerimizi daha da bulanıklaştırmaktadır.
Karanlık madde fenomeni ile ilgili gerçekleştirilen daha önceki araştırmalardan, gök cisimlerini etkilediğini biliyoruz. Peki ya karanlık madde bir parçacık değilse? Belki de bir alansa? Yada belki de yer çekiminin nasıl çalıştığını tam olarak hala net bilmiyoruz.
2015 yılında araştırmacılar, birbiriyle çarpıştığına inandıkları 4 galaksiyi çevreleyen ve karanlık madde olduğuna inandıkları şeylerin dört büyük kümesini gözlemlediler. Gözlemleri, galaksinin arkasında garip bir şekilde geride kalan kümelerden birini işaret ediyordu. Bu sadece karanlık maddenin galaksileri etkilediğini doğrulamakla kalmadı, aynı zamanda karanlık maddenin diğer karanlık maddelerle etkileşebileceğini de gösterdi. Ancak, karanlık maddenin sıradan maddelerle etkileşime girip girmediğini hala gözlemleyemedik.
3| Karanlık maddeyi doğru şekilde incelemenin bir yolu var mıdır?
Yukarıda da belirtildiği gibi, araştırmacılar yıllarca karanlık maddenin parçacıklarını tespit etmeye çalıştılar, ancak başarılı olamadılar. Ancak, WIMP teorisi doğruysa, bunları düzgün bir şekilde ölçmek çok zor. Yine de, eğer bu parçacıkların uzayda yolculuk ettiğini varsayarsak, o zaman karanlık madde bir proton veya elektron gibi daha tanıdık bir sıradan madde ile etkileşime girebilmelidir.
Bunu ölçmek için, araştırmacılar deneyden sonra, derin parçacıkların etkileşimlerini inceleyebilmek için yeraltında bir deney alanı inşa ettiler, burada karanlık madde-parçacık çarpışmasını taklit edebilecek etkileşimlerin radyasyondan korunması sağlandılar.
Ancak, en son gerçekleştirilen Çin PandaX deneyi bile henüz kesin sonuçlar elde edilemedi. Bunu açıklamak için hakim olan teori ise, karanlık madde parçacıklarının aslında WIMP’lerden çok daha küçük ve saptanması çok zor olmasıdır.
4| Karanlık madde birden fazla parçacıktan mı oluşmaktadır?
Bu soru çok mantıklı. Sonuçta, sıradan maddeler sadece protonlardan ve elektronlardan oluşmamaktadır. Aynı zamanda nötrino, müon ve piyon gibi bir dizi “egzotik” parçacıklar da içermektedir. Karanlık maddenin de benzer bir “egzotik” parçacık karışımına sahip olduğuna inanmak çok da uzak bir olasılık olamaz.
“Karanlık madde parçacıkları esas olarak ağır ‘karanlık protonlardan’ ve açık ‘karanlık elektronlardan’ oluşmalıdır” diyor Charles Q. Choi.
“Geleneksel elektromanyetizmada olduğu gibi günlük yaşamın maddelerini oluşturan atomları oluşturmak için normal protonlar ve elektronlar fotonlar aracılığıyla etkileştikçe bir çeşit ‘karanlık elektromanyetizma’ ile etkileşime girerek ‘karanlık fotonlar’ kullanan ‘karanlık atomlar’ oluşturmak için diğer karanlık madde parçacıklarından daha fazla birbirleriyle etkileşime girmelidir. Eğer karanlık atomlar mümkünse, normal atomlar kimyasal olarak etkileştikçe, karanlık kimya için de birbirleriyle reaksiyona girebilirler.”
5| Peki karanlık kuvvet nedir?
Hayır, burada Kuvvetin Karanlık Yüzünden bahsetmiyoruz. Yine de, bildiğimiz her şey için benzer şekilde çalışabilir. Yukarıda belirtildiği gibi, karanlık madde karanlık parçacıklar denilen şeylerden oluşabilir. Karanlık protonların ve karanlık elektronların birbirleriyle etkileşime girme şekli, karanlık maddenin neden bir araya geldiğini açıklayarak galaksiler, yıldızlar ve gezegenlerin etrafında küresel haleler oluşturur.
Bu ayrıca karanlık fotonların var olma olasılığını da açıklayabilir. Karanlık fotonlar nedir diye soruyorsanız? Kısacası, sadece karanlık madde parçacıkları tarafından hissedilecekleri dışında, elektromanyetik kuvvete yol açan normal parçacıklar arasında değiş tokuş edilen fotonlardır diyebiliriz. Bunun gibi teoriler evrenin ötesindeki Pandora’nın Kutusunu açabilir belki de.
6| Ya karanlık madde sadece bir aksondan ibaretse?
Bazı araştırmacılar zayıf parçacıklardan oluşan WIMP teorisine odaklanmaya devam ederken, diğer taraftan dikkatler başka bir parçacığa, yani aksonlara yönelmiştir. Bunlar ultra hafif parçacıklardır, ve elektronlardan milyarlarca kat daha hafiflerdir. Bazıları tarafından da, bu onları çeşitli nedenlerden dolayı karanlık madde için mükemmel bir aday oldukları sonucuna götürmüştür.
Birincisi, görünmez varlıkları, ve evrenin neden göründüğünden daha ağır olduğunu açıklayacaktır. İkincisi, parçacık aynı zamanda atom çekirdeğini şekillendiren iki temel gücün neden farklı kuralları takip ettiğini de gösterecektir.
Washington Üniversitesi’ndeki Axion Dark Matter Experiment (ADMX) birimi, şu anda akson ve karanlık madde biliminin sorumluluğunu üstlenmektedir.
Akson, karanlık madde için bir adaydır, çünkü karanlık madde gibi, normal madde ile gerçekten etkileşime giremez. Bu uzaklaşma aynı zamanda aksonu da meydana getirir. Eğer böyleyse, aksonun tespit edilmesi de son derece zordur. Bu garip parçacık, “güçlü CP sorunu” olarak bilinen fizikte uzun süredir devam eden bir bilmecenin çözülmesine de yardımcı olabilir.
7| Eğer karanlık madde her yerde ise, her galakside niye yok?
Karanlık madde etrafında önde gelen teorilerden biri de, galaksilerin oluşumunda hayati bir rol oynamasıdır. Karanlık maddenin büyük gök cisimlerinin oluşumunu kontrol etmede ve organize etmede rol oynadığına inanılmaktadır. Ancak, araştırmacılar yakın zamanda hiç bir şekilde karanlık maddeye sahip olmadığı düşünülen bir galaksi keşfettiler.
Karanlık maddeyi evreni bir arada tutan bir iskelet gibi düşünürsek, neden bir galaksi bu önemli yapıları içermemektedir? Bir cevap verecek olsak, karanlık maddenin daha önce düşünüldüğü gibi gök cisimlerinin oluşumunda büyük bir rol oynamamasıdır diyebiliriz.
8| Karanlık maddenin parçacıklarının pozitif tespiti nedir?
Yukarıda belirtildiği gibi, karanlık maddeyi bulunduğunu açıklayan İtalyan DAMA projesinden yapılan araştırmalar oldukça tartışmalıdır. Gizemli ve anlaşılması oldukça zor olan karanlık madde parçacıklarını bulmak için, dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, sıradan madde ile etkileşime giren WIMP parçacıklarını gözlemlemeye çalışmak için yeraltı dedektörleri geliştirdiler.
DAMA bugüne kadar karanlık madde parçacıklarının varlığını göstermeyi başaran tek projedir. Dünyanın farklı yerlerinde bulunan diğer önde gelen dedektör projeleri çelişkili sonuçlar bildirmiştir. Bugüne kadar da DAMA projesinin sonuçlarının doğruluğu büyük bir tartışma konusu olagelmiştir.
9| Sıradan parçacıkları karanlık maddeye evrilebilir mi?
Normal parçacıklar aslında karanlık madde parçacıklarına dönüşürse ne olur?
Sonuçta, zaten elektronlarda ve nötronlarda benzer bir şey görüyoruz. Yalnız bir nötron yavaşça bir protona bozulurken, bir elektron da bir nötrona bozunur.
Bazı araştırmacılar, bu parçacıkların % 1'inin aslında karanlık parçacıklara bozulduğuna inanıyor. California, San Diego Üniversitesi’nden Bartosz Fornal ve Benjamín Grinstein, bu tutarsızlığa, yani nötronların zamanın % 1'ini karanlık madde parçacıklarına bozduğunu varsayan bir çözüm öneriyor. Işın deneyleri bu bozunmaları tespit edemeyeceğinden, bunların çıkarımsal nötron ömürleri, gerçek değerden daha uzun olacaktır.
Gelecekte karanlık maddeyi tam olarak anlayabileceğimizi düşünüyor musunuz? Cevaplarınızı lütfen yorumlar bölümünden paylaşabilir misiniz?
