Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı Kıdemli Bilim İnsanı ve Notre Dame Üniversitesi Fizik Bölümü Misafir Profesörü Don Lincoln’ın makalesi

Don Lincoln, ABD Enerji Müdürlüğü’ne bağlı olan, Amerika’nın en kapsamlı Büyük Hadron Çarpıştırıcısı Fermilab’de kıdemli bir bilim insanıdır. Yeni tarihli “Büyük Hadron Çarpıştırıcısı: Higgs Bozonu’nun Olağandışı Öyküsü ve Aklınızı Başınızdan Alacak Diğer Şeyler” (John Hopkins Üniversitesi Yayınevi) de dahil olmak üzere halka açık bilimsel yazılar yazmaktadır. Kendisini Facebook’tan takip edebilirsiniz. Lincoln bu makalesini Live Science’ın Expert Voices: Op-Ed and Insights kısmına bağışlamıştır.

Birçok bilim meraklısı, evrenin sadece Carl Sagan’ın sık alıntılanan “milyarlarca milyarlarca” galaksiden değil, karanlık madde denilen maddenin büyük miktarından da oluştuğunu sorgusuz sualsiz kabul eder. Bu tuhaf maddenin elektromanyetizma veya güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler aracılığıyla etkileşmeyen yeni bir tür atom altı parçacığı olduğu düşünülüyor. Ayrıca karanlık maddenin, evrendeki sıradan atom maddelerinden beş kat daha yaygın olduğu varsayılır.

Ancak gerçek şu ki karanlık maddenin varlığı henüz ispatlanamamıştır. Karanlık madde, sağlam kuramlara rağmen hala bir varsayımdır. Herhangi bir bilimsel araştırma bir öngörüde bulunmalıdır ve eğer öngörü doğruysa yaptığınız ölçümler, öngörülerle beraber sıralanmalıdır. Aynısı karanlık madde için de geçerlidir. Örneğin, karanlık madde kuramları, galaksilerin ne kadar hızlı döndüğüne dair öngörüde bulunur. Fakat şimdiye dek düşük kütleli galaksilerin merkezindeki karanlık kütle dağılımı üzerine yapılmış olan ölçümler, söz konusu öngörülerle ortaya konmamıştır.

Yakın zamandaki bir hesaplama bunu değiştirmiştir. Hesaplama, galaksinin görünür ya da diğer bir deyişle sıradan maddesini onun dönüş hızıyla karşılaştıran Tully-Fisher ilişkisinin açmazını çözmeye yardımcı olur. Daha basit ifadelerle bilim insanları, daha büyük (dolayısıyla daha parlak) sarmal galaksilerin daha hızlı döndüğünü keşfetmişlerdir.

Eğer karanlık madde varsa, bir galaksi yalnızca görünür maddesine değil, aynı zamanda karanlık maddesine göre “büyük” olarak nasıl tanımlanmalıdır? Denklemin devasa bir parçasının -yani karanlık madde miktarının- noksanlığıyla Tully-Fisher ilişkisi ayakta kalmamalıdır. Yine de kalıyor. Bu ilişkiyi, var olan karanlık madde kuramıyla bağdaştırmak için herhangi bir yol düşlemek epey zordu. Şimdiye dek.

Karanlık Maddenin Kökenleri

Karanlık madde gibi bir şeye ihtiyaç olabileceğine dair ilk kuşkular 1932’ye uzanır. Hollandalı gökbilimci Jan Oort, Samanyolu Galaksisi içerisindeki yıldızların uzaysal hızlarını ölçmüş ve galaksinin gözlemlenen kütlesince hesaplanabilmek için çok hızlı hareket ettiklerini bulmuştur.

Ancak, karanlık maddeyi arama işi ciddi gayretle aşağı yukarı yarım asır sonra, 1970’lerin sonunda gökbilimci Vera Rubin ve alet yapımcısı Kent Ford, yakın galaksilerin dönüş oranlarını galaksinin yıldızlarının merkezden uzaklığının bir işlevi olarak ölçtüğünde başlamıştır. Ölçümleri, standart Newton yerçekimi kuramından alınan öngörülerle karşılaştırmışlardır.

Yıldızlar, bulundukları galaksilerinin yörüngelerine hemen hemen dairesel bir biçimde girerler ve bu yıldızları yörüngelerde tutan yerçekimidir. Newton’ın denklemleri, yıldızların dairesel biçimde hareket etmesini sağlayan kuvvet olan F’in (dairesel kuvvet) yıldız üzerindeki yerçekimine bağlı kuvvet F’e (yerçekimi) eşit olması gerektiğini öngörür. Aksi takdirde yıldız uçup uzaya savrulur ya da galaksinin merkezine düşer. Lisedeki fizik dersini hatırlayanlar için; F (dairesel) eylemsizliği ifade eder ve yalnızca Newton’ın F=ma formülüdür. F (yerçekimi), Newton’ın evrensel yerçekimi kanunudur.

Galaksilerin merkezinin yakınında Rubin ve Ford beklendiği üzere F’in (dairesel) F’e (yerçekimi) hemen hemen eşit olduğunu bulmuştur. Fakat galaksilerin merkezinin çok uzağında denklemin iki tarafı tam olarak uyuşmamıştır. Detaylar galaksiden galaksiye değişiklik gösteredursun, bu ikilinin yaptığı gözlemler evrenseldir.

Böylesine dramatik bir çelişki açıklama gerektirir. Daha geniş uzaysal mesafelerdeki çelişki, var olan kuramların açıklayamadığı şeyler olduğunu kastederken Rubin ve Ford’un galaksilerin merkezinin yakınında yaptığı ölçümlerse kuramın işlediğini ifade eder. Anlayışları ya eylemsizliğin (örn: F (dairesel) ya da yerçekiminin [(örn: F (yerçekimi)] nasıl çalıştığını anlamadığımızı göstermiştir. Üçüncü bir ihtimalse eşitlik iminin yanlış olduğudur; yani denklemin katmadığı başka kuvvetler ya da etkiler vardır.

Çelişkilere Açıklık Getirmek

Rubin ve Ford’un asıl çalışmasının üzerinden geçen 40 yıl içerisinde bilim insanları, galaktik dönüş hakkında bulmuş oldukları çelişkilere açıklık getirmek için birçok kuram denemişlerdir. Fizikçi Mordehai Milgrom, eylemsizliği modifiye etmeyi teklif etti ve buna “Modifiye Newton Dinamiği” ya da MOND adını verdi. İlk halinde, çok düşük ivmelenmelerde Newton’ın F=ma denkleminin işe yaramadığını ileri sürdü.

Diğer fizikçiler yerçekimi kanunları üzerine modifikasyonlar sundular. Einstein’ın genel izafiyetinin burada bir yardımı dokunmaz, zira bu varlık alanında Einstein ve Newton’ın öngörüleri özünde benzerdir. Atom altı parçacıkları kullanarak yerçekimini açıklama girişiminde bulunan kuantum yerçekimi kuramları da aynı sebepten ötürü açıklama olamaz. Ancak, Newton yerçekiminden ayrılan galaktik ya da galaktik dışı ölçekler üzerine öngörüde bulunan yerçekimsel kuramlar vardır. Velhasıl, seçenekler bunlar.

Ayrıca yeni kuvvetlerin olduğu hakkında öngörüler de vardır. Bu görüşler yerçekimi, elektromanyetizma ile güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler dışındaki bir kuvveti kapsayan “beşinci kuvvet” ismi altında kümelenmiştir.

Nihayetinde, karanlık madde kuramı şudur: Işıkla hiçbir şekilde etkileşime geçmeyen fakat yerçekimini kullanıp evrene sızan bir çeşit madde.

Galaktik dönüş ölçümleri elimizdeki tek veri olduğundan bu farklı kuramlar arasında seçim yapmak zor olabilir. Yine de, galaktik dönüş sorununu çözmek için her bir kuramı eğirip bükmek mümkün olabilir. Fakat şimdilerde, akla en yakın kuramı tanımlamada yardımcı olabilecek birçok farklı olguya yapılmış gözlemler mevcut.

Bunlardan biri, geniş galaksi kümelerinin içindeki galaksilerin hızıdır. Galaksiler, kümelerin bir arada kalabilmesi için çok hızlı hareket ederler. Diğer bir gözlem ise çok uzak galaksilerden gelen ışıktır. Çok uzaklardaki bu antik galaksiler üzerine yapılan gözlemler, ışıklarının daha yakındaki galaksi kümelerinin yerçekimsel alanlarından geçerek saptığını gösterir. Evrenin doğum çığlığı olan kozmik mikrodalga arka plan ışımasının ufak düzensizlikleri hakkında çalışmalar da vardır. Tüm bu ölçümler (ve dahası) galaktik dönüş hızlarını açıklamak için her türlü yeni kuram tarafından ele alınmak zorundadır.

Karanlık Madde Üzerine Cevaplanamayan Sorular

Karanlık madde, bu ölçümlerin birçoğunu öngörerek akla yatkın bir iş yapmıştır ki onun bilimsel camiada saygın olma sebebi budur. Lakin karanlık madde hala teyit edilmemiş bir modeldir. Varlığına dair şimdiye kadar olan tüm kanıtlar dolaylıdır. Eğer karanlık madde varsa, karanlık madde Dünya’dan geçerken onun etkileşimlerini gözlemleyebilmemiz ve belki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi büyük parçacık hızlandırıcılarda karanlık maddeyi yapabilmemiz gerekir. Yine de hiçbir yaklaşım başarılı olamamıştır.

Ek olarak, karanlık madde yalnızca birkaç değil, tüm astronomik gözlemlerle uyuşmalıdır. Karanlık madde şimdiye dek en başarılı model olsa da tam anlamıyla başarılı değildir. Karanlık madde modelleri, Samanyolu Galaksisi gibi büyük galaksileri çevreleyen cüce uydu galaksileri gerçekte olduğundan daha fazla öngörür. Daha fazla cüce galaksi bulunuyor olsa da karanlık maddenin öngörülerine kıyasla hala çok azı vardır.

Diğer büyük, açık bir soru ise karanlık maddenin galaksilerin parlaklığı ve dönüş hızları arasındaki ilişkiyi nasıl etkilediğidir. İlk kez 1977’de ileri sürülen bu ilişki Tully-Fisher ilişkisi olarak adlandırılır ve galaksinin görünen kütlesinin, onun dönüş hızıyla iyi bağdaştığını defalarca kez göstermiştir.

Karanlık Maddeye Dair Meşakkatli İşler

Böylece arka plan hikayesi biter. Yeni olan ne var?

Tully-Fisher ilişkisi, karanlık madde modelleri için meşakkatli bir iştir. Bir galaksinin dönüşü, barındırdığı toplam madde miktarı tarafından yönetilir. Karanlık madde gerçekten varsa eğer, o halde maddenin toplam miktarı, sıradan madde ve karanlık maddenin toplamı demektir.

Fakat var olan karanlık madde kuramı, herhangi bir galaksinin daha büyük ya da daha küçük karanlık madde parçaları barındırdığını öngörür. Yani, görünen kütleyi ölçerken toplam kütlenin çok büyük bir parçasını kaybediyor olabilirisiniz. Sonuç olarak görünen kütle, galaksinin kütlesini (dolayısıyla dönüş hızını) öngörmek için çok yetersiz gelebilir. Galaksinin kütlesi, görünen (sıradan) kütleye benzer veya daha büyük olabilir.

Bu nedenle, görünür kütlenin galaksinin dönüş hızını iyi öngörmesi gerektiğini beklemek için bir sebep yoktur. Yine de iyi öngörmektedir.

Doğrusu, bu yıl yayınlanan bir bildiride karanlık madde kuşkucuları, karanlık madde varsayımına karşı argüman üretmek için çeşitli galaksiler ve MOND gibi eylemsizliğin modifiye edilmiş bir türü üzerinde Tully-Fisher ilişkisinin ölçümlerini kullanmışlardır.

Karanlık Maddeye Daha Uygun Olan Şey

Gelgelelim, haziranda yayınlanan bir bildiride bilim insanları karanlık maddeye kayda değer bir destek vermiştir. Bu yeni çalışma, sadece karanlık madde modeline yönelik daha önceki öngörülerin başarılarını değil, aynı zamanda Tully-Fisher ilişkisini de yineler.

Yeni bildiri, analitik denklemlerin ve benzetimlerin bir birleşimi anlamına gelen “yarı analitik” bir modeldir. Belki galaksi evrimini tohumlamış olan eski evrendeki karanlık madde kümeleşmesini benzeştirir fakat yerçekimi, yıldız evrimi ve yıldız ışığı ile süpernovaların içe düşen gazının ısıtması sebebiyle sıradan maddenin başka gök cisminin içine düşüşü gibi şeyler de dahil olmak üzere sıradan maddenin etkileşimini de kapsar. Araştırmacılar, parametreleri dikkatlice ayarlayarak Tully-Fisher ilişkisini daha iyi uyumlayabilmiştir. Hesaplamanın anahtarı, öngörülen dönüş hızının galaksideki baryonların karanlık maddelere oranı için gerçekçi bir değeri içermesidir.

Yeni hesaplama, karanlık madde modelini onaylamak için önemli bir ek adımdır. Ancak söylenecek son söz değildir. Herhangi bir başarılı kuram, tüm ölçümlerle uyuşmalıdır. Uyuşmama sorunu kuramın ya da verinin hatalı olduğu yahut hiç değilse tamamlanmamış olduğu anlamına gelir. Öngörü ve ölçüm arasında bazı çelişkiler hala süregelir fakat bu bildiri bize gelecekteki çalışmanın bu çelişkileri gidereceği hakkında güven verir.

Karanlık madde, evrenin yapısı için sağlam öngörüsel bir kuram olarak devam eder. Tamamlanmış değildir ve asıl karanlık madde parçacığını keşfetmek suretiyle onay gerektirir. Demek odur ki hala yapılacak işler var. Lakin bu son hesaplama, evrene gerçekten karanlık tarafın mı hükmettiğini ilk ve son kez anlayacağımız o güne doğru atılan önemli bir adımdır.

Yazar: Don Lincoln

Çeviren: Fatih Cesur

Kaynak: Space.com