Elektrikli Karanlık Madde ve Steril Nötrino

Karanlık madde olmasa galaksiler oluşmazdı; çünkü normal madde galaksilerdeki yıldızları bir arada tutacak yerçekimine sahip değil. Oysa normal maddeden 4 kat fazla olmasına rağmen görünmez karanlık maddeyi bir türlü bulamadık. Peki karanlık maddenin elektrik yükü olabilir mi? Kayıp maddeyi açıklamak için geliştirilen elektrikli karanlık madde ve steril nötrino teorilerini görelim.

Karanlık madde ne kadar karanlık?

Evrendeki maddenin büyük kısmını karanlık maddeden oluştuğuna dair şüphemiz yok: 1) Galaksileri bir arada tutmak için gereken ek yerçekimi, 2) Yıldızların galaksi diskindeki yüksek dönüş hızı ve 3) Çarpışan galaksilerin gaz ve toz bulutlarını uzaya iten görünmez perde karanlık maddenin varlığını gösteriyor.

Buna karşın uzayda karanlık madde göremiyoruz ve dolayısıyla karanlık maddenin görünmez olduğunu düşünüyoruz. Oysa karanlık madde ancak ışıkla, yani elektromanyetik kuvvetle etkileşime girmiyorsa görünmez olabilir.

Yine de galaksilerin hareketini etkileyerek uzayda dolaylı olarak varlığını gösteren karanlık maddeyi tespit etmek için kullanabileceğimiz yöntemler var: Karanlık maddenin varlığını, Dünya’da tasarlanan zekice deneylerle ve yine dolaylı yollardan tespit edebiliriz. Nitekim bunun için karanlık madde detektörleri inşa ettik.

İlgili yazı: Gerçek Adem: İlk insan ne zaman yaşadı?

 

Peki nerede bu madde?

Ne yazık ki yeryüzündeki deneylerde karanlık madde bulamadık. Fizikçiler bugüne dek onlarca farklı karanlık madde teorisi geliştirdiler, ama bunlara dair hiçbir kanıt bulamadılar. Bu sebeple karanlık maddenin aslında ışık saçmayan normal madde olduğunu düşünmeye başladılar.

Işık saçmayan normal madde olarak ilk aklımıza gelen şey tabii ki kara delikler. Ancak, uzaydaki yıldız kütleli ve süper kütleli kara delik sayısı karanlık madde için yeterli değil. Bu yüzden fizikçiler alternatif kara delik arayışına girdiler.

Böylece büyük patlamadan kalan ilkin kara delikleri ve hatta bizim evrenimiz oluşmadan önce yok olan eski evrenlerden kalma ezeli kara delikleri aramaya koyuldular.

Oysa bunlar da teorik cisimler ve henüz varlıkları ispat edilemedi. Dolayısıyla fizikçilerin büyük çoğunluğu, karanlık maddenin normal maddeden farklı özelliklere sahip olduğu konusunda ısrar ediyor. O zaman geriye ne kaldı? Tabii ki yepyeni karanlık madde önerileri:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

Yeni karanlık madde adayları

Bir grup fizikçi, karanlık maddenin (kısmen de olsa) yine normal madde sınıfına giren nötrinolardan oluştuğunu düşünüyor. Özellikle de bugüne dek tespit edilemeyen teorik bir nötrino türünü, yani sağ elli steril nötrinoları arıyorlar. Böylece evrende karanlık maddenin bir kısmını açıklamaya yeterli sayıda nötrino olduğunu kanıtlamak istiyorlar.

Elimizdeki teoriler, nötrinoların yüzde kaçının karanlık maddeye karşılık gelebileceğini gösteriyor. Ancak uzayda bu payı dolduracak sayıda nötrino yok. Aslında standart nötrinoların karanlık madde olması da imkansız. Sonuçta karanlık madde evrenin gençliğinde galaksilerin oluşması için gereken ek yerçekimine yol açtıysa uzayda sadece 320 km/ saniye hızla gidiyor olabilirdi.

Nötrinolar ise ışık hızına yakın hızlarda gidiyor. Karanlık madde nötrino olsa galaksiler oluşmadan çok önce evrenin dört bir yanına eşit ölçüde dağılır ve normal maddenin topaklanarak galaksileri oluşturmasına yardım etmezdi.

Oysa steril nötrinolar sadece yerçekimiyle etkileşime girdikleri için yeterince yavaş gidiyor olabilir ve böylece topaklanmaya uygun karanlık maddenin bir kısmını oluşturuyor olabilirler. Bu konuya yazının devamında geri geleceğiz, ama şimdi karanlık maddeyle ilgili çok daha çılgınca bir fikri anlatalım:

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Elektrikli karanlık madde

Buna göre yeryüzündeki deneylerde karanlık madde bulunamamış olmasının asıl sebebi, karanlık maddenin sandığımızdan çok daha acayip özelliklere sahip olması. Öyle ki diğer karanlık madde türlerini aramak için tasarlanan deney aygıtlarında görünmüyor.

Ancak bu da fizikte büyük çelişkiye yol açıyor: Karanlık maddenin elektrik yükü varsa elektromanyetik kuvvetle etkileşime girmek zorunda. Bu da görünmez karanlık maddenin aslında ışıkla görülebileceğini gösteriyor. Peki bu çelişkiyi nasıl çözeriz?

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Hibrit karanlık madde teorisiyle

Harvard Üniversitesi astrofizikçileri Julian Muñoz ve Abraham Loeb hibrit karanlık madde teorisini geliştirdiler. Buna göre evrende birden fazla karanlık madde türü var ve içlerinden birinin çok zayıf bir elektrik yükü bulunuyor; yani karanlık madde parçacıkları bazı açılardan nötrinolara benziyor:

Nitekim Güneşimiz ve diğer kozmik kaynakların yaydığı nötrinolar da yerçekiminden etkileniyor. Ancak, çok küçük bir kütleye sahip oldukları için yerçekiminden pek etkilenmiyorlar. Bu yüzden de vücudumuzun içinden hayalet gibi geçip gidiyor ve bize hiçbir şekilde zarar vermiyorlar.

Elektrikli karanlık madde de aynı sebeple içimizden geçip gidiyor. Ayrıca ışıkla çok az etkileşime girdiği için pratikte görünmez oluyor.

Yine de elektrikli karanlık madde evrendeki ilk yıldızların oluşmasını etkilemiş olabilir. Biz de evrenin 13,6 miyar yıl önceki sıcaklığını ölçerek elektrikli karanlık madde olup olmadığına bakabiliriz.

İlgili yazı: Mobil İnternette Video İzleme Rehberi

 

İlk yıldızlar

Evrendeki ilk yıldızları anlatan yazımda belirttiğim gibi, en eski yıldızlar büyük patlamadan 180 milyon yıl sonra oluşup ışık saçmaya başladığında, uzayda bulunan soğuk hidrojen gazını da ısıttılar. Ancak, ölçümler ilk yıldızları oluşturan hidrojen gazının sandığımızdan soğuk olduğunu gösterdi:

Batı Avustralya’daki Küresel Yeniden İyonlaşma İzleri Saptama Deney aygıtını (EDGES) kullanan fizikçiler, evreni 21 cm’lik dalga boyunda gözlemlediklerinde, eski hidrojenin -270 derece sıcaklıkta olduğunu gördüler. Bu da eski hidrojenin uzay boşluğundan iki kat soğuk olması anlamına geliyordu.

Soğuk derken; eskiden hidrojen sıcaklığının -267,15 derece, yani 6 kelvin olduğunu sanıyorduk. Ancak şimdi -270 derece olduğunu öğrendik ki bu da uzay boşluğunun bugünkü sıcaklığına eşit oluyor.

Oysa yıldızların olmadığı karanlık evrende başka bir ısı kaynağı bulunmadığı için hidrojen gazının uzay sıcaklığında olması gerekiyor. Bilim insanları bunu karanlık maddeyle açıklamaya karar verdiler ve karanlık maddenin hidrojen gazını soğutan serin bir rüzgar gibi davrandığını düşündüler.

İlgili yazı: İnternette teknik takip ve gözetimi önleme rehberi

 

Elektrikli karanlık madde

Böylece hibrit karanlık madde teorisini geliştirerek uzaydaki en az iki karanlık madde türü bulunduğunu ve karanlık maddenin bir kısmının elektrik yükü taşıdığını varsaydılar.

Buna göre karanlık maddenin yüzde 1’nin elektrik yükü varsa ve bu da bir elektronun elektrik yükünün milyonda birine eşitse karanlık madde, ışıkla olmasa da ısıyla etkileşime girebilirdi. Kısacası uzayı kuşatan karanlık madde, içinde bulunan hidrojen gazını soğutabilirdi (tıpkı klimanın yaz sıcaklarında evimizi soğutması gibi).

Öte yandan, karanlık maddenin tamamı elektrikli karanlık maddeden oluşamazdı; çünkü bu durum 1) Hidrojen gazının daha soğuk olmasına yol açardı. 2) Karanlık maddenin uzayda daha hızlı gidiyor olmasını gerektirirdi. Bu da yukarıda dediğimiz gibi, maddenin topaklanmasına engel olur ve yıldızlarla galaksilerin oluşmasını engellerdi.

İşte karma karanlık madde teorisi bu sorunu çözüyor: Elektriksiz karanlık madde hidrojen gazını topaklandıran ek yerçekimini sağlarken, elektrikli karanlık madde de küçük yerçekimi katkısına ek olarak gazı soğutuyor ve yoğuşmasını sağlıyor. Şimdi iki farklı karanlık madde öngören bu karma modele daha yakından bakalım.

İlgili yazı: Dünyanın En Derin Mağarası Krubera

 

Elektriksiz karanlık madde

Karanlık madde kara delik mi yazısında belirtildiği üzere, uzayda ve dünyada egzotik karanlık madde arayan bütün deneyler başarısız oldu. Bu sebeple fizikçiler daha egzotik ve daha acayip karanlık madde parçacıkları tasarlamaya başladılar. Elektrikli karanlık madde bunlardan biri. Diğeri ise elektriksiz karanlık madde:

Tel Aviv Üniversitesi’nden Rennan Barkana, ilk yıldızları oluşturan hidrojen gazını elektrik yükü olmayan başka bir karanlık madde türünün soğutmuş olabileceğini düşünüyor. EDGES verilerini de bu karanlık maddeyle açıklamak istiyor. Ancak, önce karanlık maddenin varlığını doğrudan kanıtlarla ispat etmemiz gerekiyor.

İlgili yazı: Cüce Gezegen Plüton ve 9. Gezegen Nasıl Oluştu?

 

En basit açıklaması nedir?

Bilimsel düşüncede bir sorunu çözmek için önce en basit açıklamaya bakarız. Böylece fikrimizin doğru olup olmadığını kolayca test edebiliriz. Bu bağlamda hidrojenin beklenenden iki kat soğuk görünmesinin nedeni, hidrojenin soğuk olması değil de uzayın beklenenden sıcak olması olabilir.

Ancak, uzayın beklenenden iki kat sıcak olması başka bir soruna yol açıyor: Evrenin sıcaklığı büyük patlamaya bağlıdır ve hidrojenin tahminlerden soğuk olmasının sebebi karanlık madde değilse bunu açıklamanın bir yolu, bizzat uzayın tahminlerden soğuk olduğunu kabul etmektir. Bu da büyük patlama teorisini değiştirmemizi gerektiriyor.

İlgili yazı: Stephen Hawking ve 4 Büyük Başarısı

 

 

Büyük patlama teorisini değiştirmek mi?

Merak etmeyin, kimsenin gayet güzel işleyen büyük patlama teorisini değiştirip sıfırdan fizik üretmeye niyeti yok. Uzayın sandığımızdan yüksek sıcaklıkta olduğunu ve bunun da hidrojeni olduğundan soğuk gösterdiğini kabul etmek yerine; uzayı olduğundan sıcak gösteren bir süreç olduğunu varsayabiliriz. Gözlem verilerini çarpıtan bir süreç.

Kısacası uzay boşluğundaki fotonları etkileyen bilinmeyen bir fiziksel süreç olduğunu ve bunun da genç evrenin sıcaklığını olduğundan yüksek gösterdiğini düşünebiliriz. Böylece büyük patlamayı değiştirmeden ve hidrojen sıcaklığını yanlış ölçtüğümüzü düşünmeden gözlem verilerini düzeltebiliriz.

Ancak bu ek bilgileri okuduğumuzda, her iki açıklamanın da basit cevaplar vermekten ziyade durumu iyice zorlaştırdığını görüyoruz. Öyleyse hidrojen sıcaklığını karanlık madde olmadan açıklamaya çalışmanın yol açtığı sorunları çözmenin en kolay yolu EDGES verilerinin hatalı olduğunu kabul etmek.

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Peki ne yapacağız?

Bilim yapmaya devam edeceğiz! Bir kere EDGES eşi benzeri olmayan yepyeni bir deney aygıtı. Bu yazıya konu olan sonuçların kontrol edilmesi de tam iki yıl sürdü. Öyleyse en kolay çözüm EDGES’in düzgün çalıştığını kanıtlamak için sonuçları iki yıl daha gözden geçirmek.

Öte yandan Muñoz ve Loeb çok açık konuşuyor: EDGES verileri doğruysa eski hidrojen gazının sanılandan iki kat soğuk olmasını, elektrikli karanlık madde teorisinden başka bir öneriyle açıklamak çok zor olacak. Fizikçilerin de elektrikli karanlık maddeyi artık ciddiye alması gerekecek. Peki hidrojen gazının soğuk olmasını yeni bir nötrino teorisiyle açıklamak mümkün mü?

İlgili yazı: 180 Resimde Varoluşun Kısa Tarihi

 

Nötrinolarla açıklasak?

Şunu baştan söyleyelim: Standart modele göre evrendeki nötrino sayısı karanlık maddeyi açıklamaya yeterli değil. Nötrinoları, özellikle de steril nötrinoları hesaba katarak karanlık maddeyi ancak kısmen izah edebiliriz. Bunun için de önce steril nötrinoları tespit etmek lazım. Bunların diğer nötrinolara oranını ise fizik denklemleri otomatik olarak gösterecek.

Peki neden steril diyoruz?

Yoksa nötrinolar doğuruyor da haberimiz mi yok? Kısır nötrinolara da steril nötrino mu diyoruz? Elbette nötrinolar doğurmuyor. Bu sadece bir fizik terimi ve ne anlama geliyor derseniz:

Standart nötrino parçacıkları hem yerçekiminden, hem de nükleer radyasyon türleri arasında yer alan alfa ve beta bozunumuna yol açan zayıf nükleer kuvvetten etkileniyor. Steril nötrinolar ise sadece yerçekiminden, o da oldukça zayıf şekilde etkileniyor. Bu yüzden içimizden hayalet gibi geçip gidiyor.

Dahası normal nötrinolar kendi çevresinde sola dönüyor (solak nötrinolar). Steril nötrinolar ise sağa dönüyor, yani spin yönü açısından sağ elli oluyor. Bu da normalde antimadde parçacıkları olan anti-nötrinolarda görülen bir durum. Fizikçiler steril nötrinoların kütlesinin 1–10¹⁵ gigaelektronvolt (GeV) olduğu düşünüyor.

İlgili yazı: Sicim Teorisi Evreni Tek Denklemle Açıklayabilir mi?

 

Gerçekten steril nötrino var mı?

Steril nötrinoların inişli çıkışlı bir hikayesi var. 1990’ların ortalarında, New Mexico’daki Los Alamos Ulusal Laboratuarı’nda bulunan Sıvı Sintilatör Nötrino Detektörünü (LSND) işleten fizikçiler steril nötrino bulduklarını duyurdular.

Ancak, son 20 yılda kullanılan diğer deney aygıtları bu keşfi teyit edemedi ve fizikçiler de yanıldıklarını düşünmeye başladılar; fakat hafta başında yeni bir gelişme yaşandı. Eski Fermilab deneylerine devam etmek için geliştirilen MiniBooNE deney aygıtını kullanan ekip, yıllar sonra ilk kez steril nötrinoları gözlemlediklerini duyurdu.

Öyle ki elimizde artık çok daha kesin deney sonuçları var ve bu veriler steril nötrinolara ait değilse parçacık fiziğinin temeli olan standart modeli kökten değiştirmemiz gerekecek.

Bu sebeple MiniBooNE ekibi steril nötrinoların gerçekten var olduğunu düşünüyor ve bunları elektron, tau ile muon nötrinoları içeren standart parçacık listesine eklemek istiyorlar.

İlgili yazı: Yoksa Evren Topaç Gibi Dönüyor mu?

 

MiniBooNE detektörü nasıl çalışıyor?

Kuantum fiziği uyarınca hem parçacık hem dalga özelliği gösteren nötrinolar uzayda salınarak dalgalanıyorlar (Burada salınmayı arz-ı endam olarak değil, osilasyon-salıngaç anlamında kullanıyoruz 🙂 )

LSND ve MiniBooNE deney aygıtları uzaydaki bu enerji dalgalarına bakarak nötrinoları tarıyor. Dünya’daki atomların ve atmosfere yayılan radyasyonun gürültü yapmaması için de özel radyasyon kalkanları kullanıyorlar. Böylece gerçek nötrino sinyallerini artalan gürültüsünden ayırt edebiliyorlar (LSND bunun için su tankı kullanırken, MiniBooNE dedektörü de yalıtkan olarak yağ tankı kullanıyor).

MiniBooNE çok güçlü steril nötrino sinyalleri yakaladı. Sigma 4,8 düzeyinde olan bu değerler, bilimsel keşiflerde ideal kanıt doğruluk derecesi olarak kabul edilen 5,0 sigma değerine çok yakın. MiniBooNE detektörü gelecekte sigma 5,0 seviyesini de yakalarsa 3,5 milyonda bir hata payıyla steril nötrinoların varlığını ispatlamış olacak (verilerin hata içerme olasılığı ihmal edilecek kadar düşük olacak).

İlgili yazı: Fizikçiler Karanlık Madde Olmayabilir Dedi

 

Sigma 6,1?

Fizik biliminin nasıl işlediği açısından şunu da ekleyelim: Steril nötrinoları arayan ekip, LSND ve MiniBooNE verilerini bir araya getirdiklerinde sigma 6,1 değerini elde ettiklerini; yani hata payını 500 milyonda bire düşürdüklerini söylüyor. Ancak, iki farklı deney aygıtı aslında iki farklı veri seti veriyor.

Bu yüzden iki veri kümesini bir araya toplayıp tek bir süper sigma doğruluk derecesi elde etmek ve böylece steril nötrino sonuçları kesindir demek yanıltıcı olabilir. En iyisi MiniBooNE gibi tek bir deney aygıtında sigma 5’e ulaşmak ve ayrıca MiniBooNE sisteminden sigma 6 beklemekten de vazgeçmek.

İlgili yazı: Karanlık Maddeden Oluşan Galaksi Dragonfly 44

 

Neden derseniz

Tek bir deney aygıtının ortam gürültüsü karşısında sigma 6 doğruluk derecesi elde etmesi çok zor. Zaten bilim insanları bu yanılgıyı önlemek için aynı deneyi yüzlerce kez tekrarlıyor. Tabii hem LSND hem de MiniBooNE ayrı ayrı sigma 5’e ulaşırsa çok güzel olacak. O zaman steril nötrinolardan kimsenin şüphesi kalmayacak.

Ancak, aradığımız kesin kanıtı bulmak için daha çok çalışmamız gerekiyor. Nitekim İsviçre’de nötrino aramakta kullanılan Emülsiyon İzleme Aparatı steril nötrinoları gözlemleyemedi. Antarktika’daki Buz Küpü Nötrino Gözlemevi’nin geçen yıl açıklanan deney sonuçlarında da nötrino izine rastlanmadı.

Buna karşın LSND ve MiniBooNE deney sonuçlarına gölge düşürecek tek şey sistematik bir hata olabilir; yani normal nötrinolar aygıtlarla bilmediğimiz bir reaksiyona girerek sanki steril nötrino varmış algısı yaratabilir. İşte bu yüzden deneylere devam etmemiz gerekiyor.

İlgili yazı: Fizikçiler Karanlık Madde Süper Sıvı Olabilir Dedi

 

Toparlayacak olursak

Uzaydaki normal maddenin galaksilerin oluşmasını sağlayacak kadar güçlü bir yerçekimi alanı üretmediğini biliyoruz ve ek yerçekimini görünmez karanlık maddenin sağladığını düşünüyoruz. Ancak bugüne kadar karanlık maddeyi tespit edemedik.

Fizikçiler de bu sorunu çözmek için elektrikli karanlık madde teorisini geliştirdiler. Elektrik yükü olan karanlık madde, uzaydaki hidrojen gazını iki şekilde toplayarak çökertmiş ve böylece ilk yıldızların oluşmasını sağlamış olabilir:

1) Yaydığı elektrik alanıyla fotonlarla etkileşen karanlık madde, hidrojen gazını serin hava üfler gibi soğutmuş olabilir (Nitekim soğuk hidrojen gazı daha kolay büzülür ve kendi üzerine çökerek yıldıza dönüşmesi kolaylaşır). 2) Yaydığı ek yerçekimi alanıyla hidrojen gazının çökmesini de kolaylaştırmış olabilir.

İlgili yazı: 10 Bin Galaksinin Katili Karanlık Madde

 

İnatçı karanlık madde

Her durumda karanlık madde gizemi sürüyor; çünkü elektrikli karanlık madde, hibrit modeldeki standart karanlık maddenin ancak yüzde 1’ini oluşturabiliyor. Bizim de uzayda karanlık madde aramaya devam etmemiz gerekiyor.

Peki, evrenin genişlemesinin son 5 yılda hızlandığını biliyor musunuz? Buna karanlık enerji yol açıyor; ama tıpkı karanlık madde konusunda olduğu gibi, karanlık enerjinin ne olduğunu da tam anlamıyla bilmiyoruz. Öyleyse evrenin genişlemesi nasıl hızlanıyor? Onu da Fizik yasalarını bozan karanlık enerji yazısında okuyabilirsiniz. Merakınız bol ve motivasyonunuz yüksek olsun.

Karanlık madde ve eksik kütle sorunu

¹A small amount of mini-charged dark matter could cool the baryons in the early Universe
²MiniBooNE Short-Baseline Neutrino Experiment