Karanlık Madde: Özellikleri, Keşfi ve Bulgular

Karanlık madde hakkında konuşalım. Bilim adamları evrenin içeriğine dair teorik bir modele sahipler. Bu model çeşitli kozmolojik gözlemlere dayanıyor ve ortaya şu sonuç çıkıyor: Evren ~%68 karanlık enerji, ~% 27 karanlık madde ve ~%5 normal maddeden (atomlar) oluşuyor. Peki karanlık madde nedir? Herkes karanlık maddenin ne olduğundan ziyade ne olmadığından daha emin. Ancak elde bazı kesin veriler ve ilginç teoriler var. Tıpkı galaksileri bir arada tutan çekim kuvvetinin karanlık madde olması ya da uzaklardaki galaksilerin ışığının karanlık madde tarafından bükülmesi sonucu uzak galaksilerin gözümüze daha tuhaf görünmesi gibi. Öyleyse başlayalım.

Karanlık Madde Nedir?

Birincisi, karanlık madde yıldızlar ve gezegenler gibi görünür değildir, yani ışığı yansıtmaz. Ne var ki evrendeki %27'lik karanlık madde oranına karşılık çok az görünür madde bulunuyor. İkincisi, karanlık madde normal maddenin kara bulutlara dönüşmüş hali de değildir yani baryon denen parçacıklardan oluşan madde biçimi. Zira baryonik bulutlar içlerinden geçen radyasyonu (ışığı) emdiklerinden göze görülürler. Üçüncüsü, karanlık madde antimadde de değildir çünkü antimadde, madde ile karşılaşıp yok olduğunda ortaya çıkan eşsiz gama ışınları burada yoktur.

Son olarak, karanlık maddenin galaksi büyüklüğünde kara delikler olma ihtimali de ekarte edilir çünkü ortada yeteri kadar kütleçekimsel mercek etkisi (ışığın bükülmesi) olayı görülmez. Zira kara delikler, uzak bir nesneden yayılan ışığı kendi yerçekimleri ile bükerler ancak evrende %27 oranında kara delik var dememizi sağlayacak yeteri kadar merceklenme olayı yoktur.

Bununla birlikte hala ihtimal dahilinde olan birkaç karanlık madde olasılığı var. Eğer bu baryonik (sıradan) madde birbirine bağlanmış kahverengi cüceler ile küçük ve yoğun ağır elementlerden oluşuyorsa bunlar karanlık madde halini almış olabilir. Bu olasılığa devasa kompakt halo nesneler veya kısaca "Macho" deniyor. Yine de daha yaygın olan görüş karanlık maddenin hiç baryonik olmadığı, "aksiyon" veya WIMP (Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacık) gibi daha egzotik parçacıklardan oluştuğudur.

Karanlık Madde Nasıl Keşfedildi?

Evrendeki galaksiler kelimenin tam anlamıyla imkansızı başarıyorlar: O kadar yüksek hızla dönüyorlar ki ürettikleri yerçekiminin onları bir arada tutması olanaksızdır. Bu yüzden kendilerini çok uzun zaman önce parçalamış olmaları gerekliydi. Aynısı kümeler halinde bir araya toplanan galaksiler için de geçerli. Bu durum bilim insanlarını, gözlerimizin göremediği bir şeyin bu gezegenlerin bir arada kalmasını sağladığını düşünmeye itti. Henüz doğrudan tespit edemediğimiz bir şey bu galaksilere fazladan kütle vererek parçalanmadan kalmalarını sağlayan ekstra yerçekimi sunuyor. Bu garip ve bilinmeyen maddeye, göze görünmediği için "karanlık madde" denildi. Karanlık maddenin ilk teorik keşfi böyledir.

Normal maddenin aksine, karanlık madde elektromanyetik kuvvet ile etkileşime girmiyor. Yani ışığı soğurmuyor, yansıtmıyor veya yaymıyor. Bu tespit edilmesini son derece zorlaştırıyor. Araştırmacılar ilk kez karanlık maddenin varlığını kanıtlarken görünür madde üzerinde oluşturduğu yerçekimi etkisini kullandılar. Karanlık madde, görünür maddeden yaklaşık 5 kat daha ağır. Burada ilginç olan şeyse bildiğimiz tüm yıldızları ve galaksileri oluşturan maddenin evrenin sadece %5'i olmasıdır.

Karanlık Madde'yi Kim Keşfetti?

Evrende, ışık yaymayan ve bize görünmeyen şeyler olabileceği fikri ilk kez yüzlerce yıl önce Newton zamanlarında üretildi. Yıldızlardan gelen ışığı engelleyen toz bulutları gibi "karanlık nebula"ın keşfi ve Pierre Laplace'ın ışığı yutan nesnelere (sonradan kara delik denildi) dair görüşleri ile 18. yüzyıl gökbilimcileri ilk kez "karanlık bir madde"nin varlığına inanmaya başladılar. Hatta bilim adamları böyle bir maddenin kütle tahminini dahi yapmışlardı. Çoğuna göre bu gizemli madde çok hafifti ve evrendeki toplam kütlenin küçük bir kısmına denk geliyordu.

Modern zamanlara gelindiğinde ise karanlık maddenin ilk gerçek gözlemini 1930'larda astronom Fritz Zwicky yapmıştır. 1933'te Coma gökada kümesine baktı ve galaksinin kütlesinin daha önce Edwin Hubble tarafından hesaplanan değerden 500 kat daha yüksek olduğuna dair bulgular keşfetti. Dahası, bu ek kütle tamamen görünmezdi. Zwicky'nin gözlemleri başlangıçta büyük şüpheyle karşılansa da daha sonraları gökbilimciler tarafından onaylandı.

Bundan 30 yıl sonra gökbilimci Vera Rubin karanlık maddenin varlığına dair çok büyük bir kanıta ulaştı. Bir galaksinin merkezinin uç kısımlarla aynı hızda döndüğünü fark etmişti. Ancak çekirdeğe yaklaştıkça dönüş hızı artmalıydı. Bir plak diskini düşünün. Merkezi kenarlarından daha hızlı döner. Galaksilerde de olması gereken buydu. Ancak öyle olmadı. Bunu açıklamanın tek yolu tüm galaksinin çok daha büyük bir yapının merkezinde olmasıydı, tıpkı galaksinin plağın merkezi olması ve plağın ise geri kalan parça olması gibi.

Vera Rubin, Zwicky'den sonra, galaksilerdeki eksik parçanın karanlık madde olduğunu öne süren kişidir. Fikirleri astronomik camiada büyük tepki toplamış ancak gözlemleri doğrulanmıştır ve bunlar bugün karanlık maddenin varlığının temel kanıtı olarak görülmektedir. Karanlık maddenin keşfine dair bu büyük çabanın onuruna Şili'deki yeni Büyük Sinoptik Araştırma Teleskobu'na Vera C. Rubin Gözlemevi adı verilmiştir.

2008'de CERN'de inşa edilen ve dünyanın en büyük tek parça makinesi olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) ile karanlık maddenin içeriği hakkında daha doğrudan ipuçları alınması amaçlandı. Pek çok teori karanlık madde parçacıklarının LHC'de üretilebilecek kadar hafif olduğunu göstermişti.

Eğer üretilir ve fark edilmeden dedektörden geçerse peşlerinde sürükledikleri enerji ve momentuma bakılarak varlıkları kanıtlanabilirdi. Fizikçilerin tek yapması gereken çarpışmadan sonra eksilen enerji miktarını ölçmekti. Evrenin tanımına dair Standart Model'de yer almayan bu yeni parçacık ve enerjilerin hiçbiri ne yazık ki keşfedilmedi.

Karanlık maddeye dair en ufak bir kanıtı dahi tespit edebilmek adına bilim adamları yerin 1000 metre altına karanlık madde laboratuvarları kuruyor. Birleşik Krallık'taki Boulby Yeraltı Laboratuvarı bunlardan biri. Yeraltındaki laboratuvar dış çevredeki güçlü arka plan gürültüsünden etkilenmez. Kanada'dan Avustralya'ya kadar dünyanın her yerinde benzer başka tesisler mevcut.

Karanlık Enerji ile Karanlık Madde Farkı

Karanlık enerji evrenin yaklaşık %68'ini oluşturuyor ve uzaydaki boşlukla ilişkili olduğu görülüyor. Bu enerji, evrenin her noktasına hem uzay hem de zamanda eşit şekilde dağılmıştır. Yani evren genişledikçe karanlık enerjisinin etkinliği azalmaz. Bu eşit dağılım, karanlık enerjinin herhangi bir yerçekiminin etkisinde olmadığını aksine bütün olarak tüm evren üzerinde küresel etkiye sahip olduğunu gösteriyor.

Karanlık enerjinin çekici değil itici özelliğe sahip olması evrenin genişlemesini hızlandırmasını sağlıyor. Genişlemenin oranı ve hızı Hubble yasasına dayalı gözlemlerle ölçülür. Diğer bilimsel verilerle birleştirilince tüm bu ölçümler karanlık enerjinin varlığını kesin olarak doğrulamış ve bu gizemli maddenin evrende ne oranda var olduğuna dair tahmin sağlamıştır.

Karanlık Madde Neden Görünmezdir?

Fizikçiler ve gökbilimcilere göre evrendeki maddenin önemli bir kısmı "karanlık madde"den oluşuyor. Ancak karanlık maddenin varlığını normal madde gibi elektromanyetik etkilerle değil yerçekimsel etkilerle çıkarsıyoruz. Karanlık madde bugün fizikteki en temel kavramlardan biri olmuştur. İnsanların beş duyusu da elektromanyetik etkileşimler yoluyla çalışır. Tıpkı görmenin, ışığa olan duyarlılığımızdan gelmesi gibi. Yani belirli bir frekans aralığı olan elektromanyetik dalgalara bakarak görüyoruz. Normal madde görünürdür çünkü onu oluşturan atomlar ışık yayar veya yansıtır. Atomlardaki elektron ve protonların elektrik yükü taşıması nesneleri görebilmemizin temel nedenidir.

Bununla birlikte, bir maddenin mutlaka atomlardan oluşması gerekmiyor. Yerçekimi ile etkileşime giren herhangi bir şey madde olabilir – örneğin galaksiler ve galaksi kümeleri gibi.

Maddenin her zaman yüklü parçacıklardan (elektron, proton vb.) oluşması da şart değil. Dolayısıyla elektromanyetik etkileşimi olmayan böyle bir madde göze görünmez olacaktır. Bahsi geçen karanlık madde elektromanyetik yük taşımaz (veya henüz tespit edilemeyecek kadar az). Hiç kimse karanlık maddeyi doğrudan gözleriyle veya hassas optik aletlerle göremedi. Var olduğu, oluşturduğu çeşitli yerçekim etkileri sayesinde biliniyor.

Karanlık Maddenin Varlığına Dair Kanıtlar

Yıldızların, sıradan maddenin yerçekimi kuvveti tarafından dizginleneyemeyecek kadar yüksek hızlarda dönmesi veya galaksi kümelerinin yine görünen maddeyle açıklanamayacak kadar hızlı hareket etmesi bu kanıtlar arasındadır. Büyük Patlama'dan kalan kozmik ışımadaki sapmalar; süpernovadan gelen görünür maddenin yörüngesindeki sıra dışı değişimler, kütleçekimsel merceklenme olarak bilinen ışığın bükülmesi olayı ve görünen ve görünmeyen maddenin galaksi kümelerinde birbirinden ayrılması bir karanlık maddenin olduğunun kanıtlarıdır.

Sonuç

İnsanlar karanlık madde ifadesini duyduklarında şaşkınlığa kapılıyor. Görmediğimiz bir şey nasıl olabilir? Ancak en azından Nicolaus Copernicus devriminden bu yana insanlar bu tarz fikirlere daha açık hale geldi. Görünen maddenin var olan tek madde türü olması için hiçbir neden yok. Belki adı değiştirilebilir. Karanlık maddeye şeffaf madde diyebiliriz çünkü tüm şeffaf şeylerde olduğu gibi ışık içinden geçip gidiyor. Bununla birlikte doğasının şeffaf olduğu kesin değil. Zira fizikçiler ve gökbilimciler henüz karanlık maddenin temelde neyden oluştuğunu anlayabilmiş değil. Keşfedilmemiş yeni bir tür temel parçacığa bakıyor olabiliriz. Bu maddenin perdesini kaldırdığımızda arkasında neyi göreceğiz?

Karanlık Madde Hakkında Sık Sorulanlar

Kaynaklar:

• Cosmos – Dark Matter
• NASA – Universe – Dark Energy, Dark Matter