Karanlık madde ağı

1930’lu yıllarda Fritz Zwicky adında İsviçreli bir astronom; uzak galaksi kümelerindeki galaksilerin, sahip oldukları görünür madde oranlarına göre birbirleri etrafında olması gerekenden daha hızlı döndüklerini fark etti. Görünmeyen, karanlık madde adını verdiği bu maddenin galaksiler üzerinde yerçekimi etkisi yaratmış olabileceği fikrini öne sürdü.

O zamandan beri araştırmalar, bu gizemli maddenin evrenin her yerinde yıldızlar ve insanlar gibi sıradan şeyleri oluşturan normal maddeden altı kat daha fazla miktarda bulunduğunu gösterdi. Evrenin tamamında karanlık maddenin görülmesine rağmen, bilim insanları hala çoğunlukla bu maddeyi anlayabilmiş değiller. İşte karanlık madde hakkındaki cevaplanmamış 11 soru:

Karanlık madde nedir?

İlk ve en şaşırtıcı olarak araştırmacıların hala karanlık maddenin ne olduğundan emin olmadıklarını söyleyebiliriz. Başlangıçta bazı bilim insanları; U.S. Department of Energy’s Fermilab’den fizikçi Don Lincoln’ın Live Science’ta yazdığı gibi karanlık maddenin etkisini açıklayabilmek için bu nesnelerle ilgili yeterli araştırma yapılmamış olmasına rağmen, evrendeki kayıp kütleyi soluk yıldızlar ve kara deliklerin oluşturduğunu sanıyordu. Karanlık maddenin WIMP olarak da bilinen ana çekirdek maddesi, Lincoln’ın da belirttiği gibi bir nötron gibi davranışlar gösteren ancak bir protondan 10 ila 100 kat daha ağır varsayımsal bir parçacık olan Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacık’tır. Ancak, bu varsayım yalnızca akabinde daha da fazla soru sorulmasına sebep oldu.

Karanlık maddeyi tespit edebilir miyiz?

California Üniversitesi’nde görev yapmakta olan fizikçi Hai-Bo Yu bu konuda şu açıklamalarda bulundu: ‘’Karanlık madde WIMPlerden oluşuyorsa, etrafımızda görünmez biçimde ve zor tespit edilebilir olmalılar. Öyleyse neden hala hiç bulamadık? Karanlık madde, normal madde ile pek fazla etkileşime girmediği için bir karanlık madde parçacığının uzayda seyahat ederken normal bir parçacığa bir proton ya da elektron gibi çarpma ihtimali ufak da olsa her zaman var. Bu yüzden araştırmacılar çok sayıda sıradan parçacık hakkında çalışmak için derinlerde karanlık madde-parçacık çarpışmasını taklit edebilecek müdahil radyasyondan kaçabilecekleri deneyler geliştirdiler. Peki sorun ne? Yıllar boyu süren araştırmalardan sonra, bu saptayıcılardan biri bile güvenilir bir keşif yapamadı. 2018 başlarında Çin PandaX deneyi en son WIMP başarısızlığını kaydetti. Görünen o ki, karanlık madde parçacıkları WIMPlerden çok daha küçük veya onları araştırabilmeyi kolaylaştıracak özelliklere sahip değiller.’’

Karanlık madde birden fazla parçacıktan mı oluşuyor?

Normal madde proton ve nötron gibi basit ve de nötrino, müon ve pionlar gibi daha egzotik parçacıklardan oluşur. Bu yüzden bazı araştırmacılar evrendeki maddenin %85’ini oluşturan karanlık maddenin de bu şekilde karmaşık bir yapıya sahip olup olmadığını merak etmiştir. “Evrendeki karanlık maddenin sadece bir çeşit parçacıktan oluştuğunu varsaymak için hiçbir iyi neden yok.” diyor Harvard Üniversitesi’nden fizikçi Andrey Katz. ‘’Karanlık protonlar, karanlık atomları oluşturmak için karanlık elektronlarla birleşebilir ve görünen dünyada olduğu gibi çok çeşitli ve ilginç yapılar oluşturabilirler.’’ diyor Katz. Bu varsayımların fizik laboratuvarlarında tasarlanmasına rağmen, fizikçiler bunların doğruluğunu kabul etmekten veya reddetmekten kaçınıyor.

Karanlık güçler var mı?

Karanlık maddenin ek partiküllerinin olma olasılığının yanı sıra karanlık maddenin gücü, normal maddenin algıladığına benzer şekilde algılaması ihtimali de var. Bazı araştırmacılar elektromanyetik gücü meydana getiren normal partiküller arasında değiş tokuş edilen fotonlar gibi olma ihtimali olan karanlık proton arayışına girdiler. Tek bir farkla, bu protonlar yalnızca karanlık madde parçacıkları tarafından algılanabilir. İtalyalı fizikçiler elektron ve pozisyon olarak bilinen elektronların anti-parçacıklarının ışınlarını kırarak bir elmas haline getirmeye hazırlanıyor. Karanlık fotonlar gerçekten varsa, elektron-pozitron çiftleri yok olacak ve daha önce görülmemiş çeşitte bir güç barındıran parçacıklardan birini üretecek ve muhtemelen evrenin yeni bir bölümüne kapı açacak.

Karanlık madde aksiyonlardan meydana gelmiş olabilir mi?

Fizikçilerin WIMPlere olan ilgisi giderek azalırken başka karanlık madde parçacıklarına ilgileri ortaya çıkıyor. Bunların önde gelenlerinden biri bir protondan belki 10³¹ kat daha az kütleli olan, aksiyon adında varsayımsal bir parçacık. Aksiyonlar şimdilik birkaç deney aracılığıyla araştırılıyorlar. Son gerçekleştirilen bilgisayar simülasyonları, bu aksiyonların hızlı radyo patlamaları olarak bilinen gizemli bir fenomene oldukça benzediği düşünülen tespit edilebilir radyasyon üretebilme ihtimali olan yıldız benzeri nesneler oluşturabilme olasılığını yükseltti.

Karanlık maddenin içeriği nedir?

Astronomlar karanlık maddeyi, normal madde ile girdikleri yerçekimsel etkileşimler sayesinde keşfetti ve bunun, maddenin kendini belli etmesinin ana yolu olduğunu belirttiler. Ancak karanlık maddenin gerçek doğasını anlamaya çalışırken çok az yol kat ettiler. Bazı teorilere göre karanlık madde parçacıkları aynı zamanda kendi anti-parçacıklarıdır, yani iki karanlık madde parçacığı karşılaştıkları zaman birbirlerini yok eder. Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki Alfa Manyetik Tayfölçeri (AMS) deneyi 2011’den beri bu yok olmanın uyarıcı sinyallerini arıyor ve yüz binlercesini çoktan tespit etti. Bilim insanları bunların karanlık maddeden gelip gelmediği konusunda hala emin değil ve sinyaller de henüz karanlık madde hakkında kesin karara varma konusunda pek yardımcı olmuyor.

Karanlık madde tüm galaksilerde mevcut mu?

Normal maddeden muazzam ölçüde ağır olduğu için karanlık maddenin galaksi ve galaksi kümeleri gibi büyük yapıları oluşturan kontrolcü güç olduğu sık sık belirtilir. Bunu göz önüne aldığımızda, bu yılın başında keşfedilen NGC 1052-DF2 adlı galaksinin neredeyse hiç karanlık madde içermiyormuş gibi görünmesi tuhaf bir durum. “Görünen o ki bir galaksinin oluşumunda karanlık madde temel bir bileşen değil.” diyor Yale Üniversitesi’nden Pieter Van Dokum. Ancak bu yaz başka bir ekip Dokum’un ekibinin galaksinin uzaklığını yanlış tespit ettiğini belirten bir analiz raporu yayınladı. Bu da demek oluyor ki galaksinin görünen maddesi ilk bulunan sonuçlardan çok daha fazla sönüktü ve kütlesinin de belirtilenden daha fazlası karanlık maddeden oluşmaktaydı.

Peki ya DAMA/LIBRA sonuçları?

Parçacık fiziğinde uzun zamandır süregelen gizemlerden biri de Avrupa’da yürütülen DAMA/LIBRA adlı deneyin kafa karıştırıcı sonuçlarıdır. İtalya’daki Gran Sasso dağının altında bulunan bir yeraltı madenine yerleştirilmiş olan bu dedektörün işlevi, karanlık madde parçacıklarında periyodik bir salınım tespit etmektir. Bu salınım; Dünya’nın Güneş’in etrafında döndüğü esnada Güneş’in de Güneş Sistemi’nin etrafını saran, karanlık madde rüzgârı olarak da bilinen karanlık madde tabakasının içinden geçerken artabilir. 1997’den beri DAMA/LIBRA bu sinyali aldığını belirtiyor, ancak başka hiçbir deney aynı sonucu vermedi.

Karanlık madde elektrik yüküne sahip olabilir mi?

Zamanın başlangıcından gelen bir sinyal, fizikçilerin karanlık maddenin elektrik yüküne sahip olabileceğini düşünmelerine sebep oldu. Büyük Patlama’dan yalnızca 180 milyon yıl sonra evrenin bebeklik döneminde 21 santimetre dalga boylu radyasyon, yıldızlar tarafından salındı. Bu radyasyon aynı zaman diliminde bulunan soğuk hidrojen tarafından emildi. 2018 yılının şubat ayında radyasyon tespit edildiğinde, hidrojenin bilim insanlarının tahmin ettiğinden çok daha soğuk olduğu anlaşıldı. Harvard Üniversitesi’nden Julian Muñoz, limonatanın içindeki buz küpleri gibi elektrik yüklü karanlık maddenin her yere nüfuz etmiş hidrojenden ısıyı çekmiş olabileceği hipotezini öne sürdü. Ancak bu varsayım henüz doğrulanmadı.

Normal madde karanlık maddeye dönüşebilir mi?

Nötronlar kısıtlı yaşam süresi olan sıradan parçacıklardır. Bir atomdan ayrılmış yalnız bir nötron yaklaşık 14,5 dakika sonra proton, elektron ve nütrinoya dönüşecektir. Ancak Physical Review Letters’ta belirtilen iki farklı deneysel çalışma, bu bozunma işlemi için yaklaşık 9 saniyelik fark sunuyor. Fizikçiler; eğer %1 olasılığa sahip bir durumda bazı nötronlar karanlık madde parçacıklarına dönüşüyorsa, aykırılığın sebebinin bu olabileceğini belirttiler.  New Mexico, Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndan Christopher Morris ve ekibi karanlık madde olabilecek bir sinyal yakalamak için nötronları inceledi, ama hiçbir şey tespit edemedi. Araştırmaya göre diğer bozunma senaryolarının hala mümkün olabileceklerini belirttiler.

Karanlık madde gerçekten var mı?

Fizikçilerin karanlık madde tespit etme ve açıklama konusunda yaşadıkları zorlukları göz önüne aldığımızda, mantıklı ve sorgulayan bir kişi, fizikçilerin tamamen yanlış yolda olup olmadıklarını merak edebilir. Yıllar boyunca seslerini duyuran azınlık bir fizikçi grubu, belki de yerçekimi hakkındaki teorilerin de yanlış olabileceği ve geniş alanlarda bu önemli gücün umduğumuzdan farklı bir şekilde çalıştığı fikrini öne sürmüştür. Modifiye Newton Dinamikleri (MOND) olarak bilinen bu görüşe göre, karanlık madde diye bir şey aslında yoktur. Galaksi ve yıldızlar birbiri etrafında dönerken görülen ultra hızlı sürat, şaşırtıcı biçimlerde davranan yerçekiminin sonucudur. Live Science için yazmış olduğu bir açıklamasında Don Lincoln “Karanlık madde hala doğruluğu saptanmamış bir modeldir.” şeklinde belirtmişti. Ancak karanlık maddenin var olmadığını savunanlar hala bilim dünyasının geri kalan çoğunluğunu bu fikirleri konusunda ikna edebilmiş değil. Peki ya son kanıtlar ne yönde? Onlar da karanlık maddenin gerçek olduğunu gösteriyor.

Yazar: Adam Mann

Kaynak: Live Science

Çevirmen: Çisem Ece Bal

Düzenleyen: Hasan Özuğurlu