Evrenin % 25’ini meydana getiren Karanlık Maddenin sırrı çözülüyor >> Bizi, Dünya’yı oluşturan normal madde % 5 ile azınlık!

Formül basit. Karanlık Madde evrenin yüzde 25’ini, kozmik genişlemeden sorumlu “karanlık enerji” de evrenin yüzde 70’ini meydana getiriyor. Bizi, vücudumuzu, Dünya’yı, güneşleri ve parlak galaksileri meydana getiren “normal madde” ise yüzde 5 ile küçük bir azınlık; yani istatistiksel açıdan anormal olan bizleriz… Ve yıllardır Karanlık maddenin ne olduğunu araştıran bilim adamları artık bu sırrı çözmek üzere. Bunu da İsviçre CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı yardımıyla, durağan kütleden sorumlu Higgs parçacığının nihayet keşfedilmesine borçluyuz.

 

Karanlık Maddenin dayanılmaz ağırlığı

Bilim adamları 1970’li yıllara kadar evrenin halinden memnundu. Galaksiler, yıldızlar, soluk gezegenler ve karanlık gaz bulutları vardı. Araya birkaç kara delik serpiştirmişlerdi ve her şey yolundaydı. Kimsenin karanlık maddeye ihtiyacı yoktu.

Ancak, bir gün, evrende yıldızlarla ışıl ışıl parladığını gördüğümüz o normal maddenin; metallerin, toprağın, suyun, hatta hayatın yapıtaşı olan karbonun ve güneş yakıtı hidrojenin, galaksileri oluşturacak kütleye sahip olmadığı ortaya çıktı.

Çünkü galaksiler milyarlarca yıldızdan ve daha fazla sayıda gezegen ile asteroitten meydana geliyor. Evrende bu kadar çok maddeyi bir araya getirmek için çok güçlü bir çekim kuvveti gerekiyor. Evrendeki “canlı yıldızların”, kara deliklerin, solmuş gitmiş diğer ölü yıldızların ve gezegenlerin toplam kütlesi, bu muazzam çekim kuvvetini oluşturmakta yetersiz kalıyor.

Öyleyse evrenin ilk yıllarında gaz ve toz bulutları nasıl toplandı ve ileride galaksileri doğuracak şekilde nasıl topaklandı?

Bilim adamları basit düşünen insanlardır. En azından bilimsel buluş yapmak istiyorsanız basit düşünmeniz gerekir. Bilim tarihi bize bunu göstermiştir.

 

Bu yüzden basit bir soru sordular:

Madem yıldızların kütlesi galaksileri oluşturmaya yetmiyor, öyleyse evrende göremediğimiz başka bir madde olmalı. Galaksileri de normal maddeden çok daha bol miktarda bulunan bu gizli maddenin yol açtığı muazzam kütleçekim gücü meydana getiriyor olmalı. Kara deliklere ışık saçmadığı için “kara” delik diyorsak, bu maddeyi de görünmez olduğu için Karanlık Madde olarak adlandıralım. Peki, karanlık madde nedir?

 

Evet, karanlık madde nedir?

Basit soru ama cevabını bulmak çok zor: Bunun nedeni Karanlık Maddenin değişik bir takım fiziksel özelliklere sahip olmasıdır. Bu alışılmadık fiziksel özellikler yüzünden Karanlık Madde görünmezdir. Uzaydaki soğuk bir gaz bulutunu ısıtırsak, gaz ışık saçmaya başlar. Karanlık Maddeyi ise ışık tutsak bile göremeyiz.

 

Bu size neyi hatırlatıyor? Mesela kara delikleri?

Karanlık maddeyi göremesek de yol açtığı kütleçekim kuvvetinin galaksiler ve yıldızlar üzerindeki etkisini görebiliriz. Kütleçekim etkisi. galaksilerin ve yıldızların uzaydaki hareketlerini, rotasını değiştirecektir. Karanlık Maddenin yerini bulmanın başka dolaylı yolları da var.

Örneğin kara delikleri, diğer yıldızların önünden geçerek ışığı kesen siyah bir daire oluşturduğu için görebiliyoruz. Kara delik çok uzaktaysa ama içine başka bir yıldızdan gaz çekiyorsa, kara deliğe düşen gazların ısınarak yaydığı X ışınlarını özel teleskoplarla görebiliyoruz.

Kara deliğin kütleçekim etkisinin, arka plandaki yıldızların ışığını halka şeklinde bükmesiyle oluşan mercek etkisini görebiliyoruz. Kara delikler çarpıştığı zaman ortaya çıkan şiddetli gama ışınlarını görebiliyoruz. Hatta, özel teknikler ile, yıldızların önünden geçen küçük gezegenleri bile artık seçebiliyoruz ve bu sayede yüzlerce yeni gezegen keşfetmiş bulunuyoruz (Çift güneşli Tatooine gezegeni Kepler 47 gibi). Bu tekniklerden en az biri Karanlık Maddeyi bulmamıza yardım ediyor. Buna geri döneceğim.

Elimizde Karanlık Maddenin ne olduğunu açıklayan bir sürü bilimsel kuram var ama bunlar adı üstünde, kuram… Hiçbiri kanıtlanmış değil. İnsanoğlunun hayal gücü geniştir ve bugüne kadar birçok karanlık madde kuramı geliştirdik ama hangisinin doğru olduğunu bilmiyoruz.

 

CERN parçacık hızlandırıcısı deneyleri

İsviçre’deki CERN parçacık hızlandırıcısı tesislerindeki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, bu yaz Higgs parçacığını tespit etti. Higgs parçacığı nükleer fiziği ve atomaltı parçacıkları açıklayan Standart Modelin öngörülerine uyuyordu. Bu keşif bizi şaşırtmadı, Higgs parçacığı beklenen enerji değerlerinde gözlendi ve beklenen özellikleri gösterdi…

…Ve işte bu sebeple, karanlık maddeyle ilgili bazı kuramların çöpe gitmesini sağladı: Ancak Higgs parçacağına izin veren Karanlık Madde kuramları geçerli olabilirdi.

Liste daralınca karanlık madde araştırmaları hızlandı ve Karanlık Maddeyi birkaç yıl içinde keşfedeceğimize inanıyoruz. Şimdi, şu küçülen karanlık madde listesine göz atalım:

Geçen hafta, CERN’de çalışan bilim adamları süpersimetri teorisiyle ters düşen bazı bulgular elde ettiler. Süpersimetri teorisi, proton ve nötron gibi atomaltı parçacıkların nasıl medyana geldiğini ve fiziksel özelliklerini açıklıyor. Süpersimetri teorisi, aslında kendini kanıtlamış Standart Modelden daha kapsamlı bir teori ama henüz ispat edilmedi.

Son bulgular, süpersimetri teorisinde öngörülen karanlık madde türlerini daha da sınırlandırdı. Higgs ile uyumlu olan bazı Karanlık Madde parçacıklarının, süpersimetrideki yeni keşifler yüzünden, aslında evrende var olamayacağı ortaya çıktı.

Şansımıza bu araştırmalar süpersimetriyi tümüyle yalanlamadı. Dediğimiz gibi, Standart Modelin yetersiz kaldığı alanları süpersimetri teorisi dolduruyor.

Karanlık Maddeye geri dönecek olursak…

 

Kaçabilirsin ama saklanamazsın!

CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, karanlık maddeyi görmek için yeterli enerji düzeylerine erişmemizi sağladı. Eskiden labarotuvarlarda ürettiğimiz enerji, karanlık maddeyi oluşturan atomaltı parçacıkları gözlemlememize yetmiyordu. Bunu nasıl yapıyoruz?

CERN’de proton gibi bilinen parçacıkları neredeyse ışık hızında birbiriyle çarpıştırıyoruz.

Mikroskobik dünyada meydana gelen bu küçük enerji patlamaları, protonları parçalayarak, normalde göremeyeceğimiz bazı yeni parçacıkların meydana gelmesine yol açıyor. Evrende tek başına sadece çok kısa sürelerde var olan (saniyenin milyonda biri veya daha kısa sürelerde) ve daha sonra bilinen başka parçacıklara dönüşen bu nadir parçacıklar arasında, Karanlık Madde parçacıkları da olabilir.

Karanlık Maddenin onu görmemizi zorlaştıran, yani normal maddeyle çok az etkileşime girmesine neden olan egzotik özellikleri var dedik (elektromanyetik alanlardan etkilenmiyor mesela). Gerçekten de CERN’de üretilen veya üretilecek olan bu kısa ömürlü parçacıklar, soygazlar gibi nötr ve istikrarlı olmak zorunda…

 

Örneğin WIMP parçaçıkları

WIMP İngilizce bir kısaltma ve Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacık demek. WIMP’ler bilim adamlarının öngördüğü karanlık madde türlerinden birini oluşturuyor. Evrende bilinen birçok parçacıkdan daha büyük kütleli olan bu parçacıkların elektrik yükü, bilinen maddeyle aynı ama dönme yönleri farklı (spin durumu).

WIMP’lerin kütlesi o kadar büyük ki bunları şu anda CERN’de bile görmemiz imkansız. O kadar yüksek enerji düzeylerine erişemiyoruz (bunun için CERN’de, yılsonundan itibaren 20 aylık onarım ve tadilat yapılması planlanıyor). Ancak, WIMP’ler varsa, bunları dolaylı yoldan gözlemleyebiliriz.

Örneğin, ilginç elektriksel özelliklere sahip gümüş grisi renginde metalik görünüşlü bir element olan germanyum ile veya ksenon gazıyla deneyler yapabiliriz. Büyük miktarda germanyum veya ksenon gazı alırız. Bunları yerin yüzlerce metre altındaki depolara veya gaz tanklarına doldururuz.

Yeraltı deposunun üstündeki kalın kaya tabakası ve kalın kurşun veya beton zırh, kozmik ışınların ve normal parçacıkların germanyuma ya da ksenon gazına ulaşmasını engeller. Bunlarla sadece büyük kütleli WIMP’ler etkileşim kurabilir. Yalnızca Karanlık Maddeyi oluşturduğu düşünülen WIMP’ler, büyük kütleleri sayesinde, kalın kaya tabakasını aşarak depolara ulaşabilir.

California Stanford Üniversitesi’nin yeraltı tünellerinde özel bir Dondurulmuş Karanlık Madde araştırması yapılıyor (CDMS deneyi). Yerin yüzlerce metre altında kalın zırhla yapılan bir deney olmadığı için, WIMP hassasiyetini korumak amacıyla, laboratuvarda süper soğuk yarı iletkenler kullanılıyor. Daha hassas bir kurulumla, ABD Minnesota Eyaleti Soudan Madeni’nde de bu tür bir Karanlık Madde deneyi yapılacak.

İtalyanlar da yarıştan geri kalmış değiller… Gran Sasso’daki bir yeraltı laboratuvarında, XENON100 projesini uygulamaya koydular. ABD’nin Güney Dakota eyaletindeki Homstake madeninde inşa edilen yeni laboratuvar ise, LUX deneyinde kullanılacak (Büyük Yeraltı Ksenon Deneyi). Her şey Karanlık Maddeyi keşfetmek için.

Çok sayıda rakip deneyin (kim önce bulacak?) iki avantajı var. Biri başarılı olamazsa, diğeri karanlık maddeyi görebilir. Karanlık maddenin birçok bağımsız araştırma tarafından tespit edilmesi, yanlış alarm riskini de önleyecektir.

 

Diğer Karanlık Madde adayları

Karanlık Maddenin tek adayı WIMP’ler değil. Belki de Karanlık Madde, “aksiyon” denilen teorik bir parçacıktan oluşuyordur. Bu parçacık da normal maddeyle zayıf etkileşim kuran, nötr bir parçacık; ancak WIMP’ler kadar büyük kütleli değil. Dolayısıyla, aksiyon parçacıklarının sayısı da WIMP’lerden fazla olmalı (evrende “hafif” cisimler daha boldur) ve bu nedenle aksiyonları gözlemlemek daha kolay olacaktır.

Washington Üniversitesi’ndeki Aksiyon Karanlık Madde Deneyinde (ADMX), bu parçacıkları aramak için büyük bir süperiletken mıknatıs kullanılıyor. Ancak, bu araştırmadan da şimdilik sonuç alınamadı, Karanlık Madde bulunamadı.

 

Peki ya evrende Karanlık Madde yoksa?

Evrende Karanlık Madde olmak zorunda. Yoksa, galaksilerin nasıl meydana geldiğini açıklamak için yeni bir fizik bilimi geliştirmemiz gerekecek. Bu da mevcut kanıtlanmış teorilere ters düşecek (yazının sonunda buna geri döneceğim).

Öyleyse karanlık madde nerede? Belki başka bir yerde duruyordur.

Bakın işte bu mümkün! Evrenin doğumunu ve atomaltı parçacıkları açıklayan bazı “sicim” ve “zar” teorilerine göre (hücre zarı, tavla zarı değil : ) ), elektromanyetik etkileşim, zayıf ve güçlü nükleer etkileşim evreni terk edemez.

Bu durumda ışık, radyo dalgaları, nükleer enerji, nükleer radyasyon, morötesi ışınlar, kızılötesi ışınlar (ısı), gamma ışınları, X ışınları ve mikrodalgalar evrenimizin dışına çıkamaz. Sadece kütleçekim, belki kara delikler aracılığıyla evrenimizin dışına çıkabilir.

Kütleçekim başka evrenler, hatta göremeyeceğimiz kadar küçük veya evrenimizin dışında olan başka boyutları ziyaret edebilir.

Karanlık Madde de galaksileri kütleçekimle etkilediğine göre, belki Karanlık Madde evrenimizde değil de “komşu boyutlarda” yer alıyordur ve bizi uzaktan etkiliyordur. Bu teori doğruysa, Karanlık Madde “Kaluza–Klein” parçacıklarından oluşuyor olmalı. Ancak, biz sıradan Karanlık Madde türlerini bulmakta zorlanıyoruz. Başka evrenler veya boyutlardaki Karanlık Maddeyi nasıl bulacağız? İşimiz zor.

 

Ne zaman?

On yıl… Karanlık Maddeyi on yıl içinde bulabiliriz. On yıl, Lady Gaga için uzun bir süre olabilir ama fizik bilimi için çok kısa bir süre. Düşünün, fizikteki son büyük keşif kuantum fiziğinin geliştirilmesiydi. Max Planck kuantum fiziğini 1910’da keşfetti. Einstein’ın Görelilik Teorisi de 1915’te tamamlandı. 100 yıl olmuş ve şansımız varsa 10 yıl içinde Karanlık Maddeyi keşfedeceğiz.

 

Bir dakika! Biz zaten Karanlık Maddeyi keşfettik!

Lütfen bana kızıp monitöre terlik atmadan önce dinleyin: Karanlık Maddeyi keşfetmeliyiz derken, Karanlık Maddenin ne olduğunu, yapısını keşfetmeliyiz demek istiyorum. Yoksa Karanlık Maddenin evrende var olduğunu biliyoruz. Bakın nasıl?

Eski Yunanlılar, gökyüzüne baktığımızda ince bir şerit halinde gözüken Samanyolu Galaksisine, Tanrıça Hera’nın geceye saçılmış ak sütü dermiş. Samanyolu Galaksisinin İngilizce adı Milky Way (Süt Yolu) buradan geliyor. Bilim adamları gökyüzünde süt bulamadılar ama uzayda galaksileri birbirine bağlayan dev bir “karanlık madde yolu buldular”.

 

Galaksileri birbirine bağlayan dev karanlık madde köprüsü

Evrende, iki büyük galaksi kümesini birbirine bağlayan dev bir görünmez karanlık madde şeridi keşfettik. Uzayda ipliksi bir şerit oluşturan görünmez Karanlık Maddenin güçlü kütleçekim kuvveti, birbirinden milyarlarca ışık yılı uzaktaki iki galaksi kümesini birbirine bağlıyor.

Bu galaksi kümelerinin adı Abell 222 ve Abell 223. Aralarındaki mesafe ise tam 2,7 milyar ışık yılı. Ne Karanlık Maddeymiş! Bütün evreni kuşatıyor ve bakın ne kadar uzakları birbirine bağlıyor!

Bilim adamları evrende böyle süper uzun Karanlık Madde şeritleri olduğunu düşünüyor. Karanlık Madde bantları, evreni karpuz çizgileri gibi boyuna şeritler halinde kuşatıyor. Karanlık Maddeyi evrende şeritler halinde uzatan şey, evreni doğuran Büyük Patlamanın ardından yaşanan kısa süreli Şişme Evresi olmalı.

Bu “Karanlık” madde şeritlerini göremiyoruz elbette, hele o kadar uzaktan hiç… Ancak, Karanlık Maddenin kütleçekim etkisini ölçebiliyoruz ve bunu galaksi kümelerinin hareketlerine bakarak anlıyoruz. Arada Karanlık Madde olmasaydı, birbirinden çok uzakta bulunan bu iki galaksi kümesinin bir arada hareket etmesi imkansızdı.

 

Karanlık Madde şeritleri, evrenin dikiş yerleri

Blim adamları, galaksi kümelerinin Karanlık Madde şeritlerinin kesişme noktasında bulunduğunu söyleyen teorilerden yola çıktılar ve galaksi kümelerini inceleyerek, uzun araştırmalardan sonra Karanlık Maddeyi buldular.

Bunun için, uzak galaksi kümeleri arasındaki diğer galaksilerin ışığına baktılar ve bunlardan gelen ışığın, göremedikleri bir maddenin kütleçekim etkisiyle çarpıldığını gördüler. Yakındaki galaksiler için bu lens etkisini görmek imkansızdı. Yakında iken bu etki fark edilemeyecek kadar küçüktü. Ancak, çok uzak galaksilerin ışığındaki bükülmeyi görmek kolaydı. Karanlık Maddenin varlığı böyle kanıtlandı.

Aslında, bu ışık etksini görmek için elimizdekinden çok daha hassas teleskoplar yapmak gerekiyordu ve buna 20 yıl vardı ama bu iki galaksi kümesi, özel konumu nedeniyle işimizi kolaylaştırdı. Bunun için…

 

…Einstein’a teşekkürler

Genel Görelilik Teorisine göre, yıldızlar ve gezegenler gibi büyük kütleli cisimler, çevrelerindeki uzay−zamanı büker (parmağınızla yastığa bastırın ve oluşan çukuru düşünün, ona benziyor). Bükülen uzayda yol alan ışığın rotası da değişir.

Evrende yıldızlar ve diğer gökcisimleri olmasaydı, ışık uzayda düz bir yol izleyecekti. Ancak, büyük kütleli Karanlık Madde çevresindeki uzayı da büyük ölçüde büktüğü için, bilim adamlarının gökyüzünde baktığı bölgeden gelen ışık ışınları eğimli bir yol izliyor ve gökte bir tür yay çiziyor. Işığın bükülmesi ve lens etkisi dediğimiz şey bu.

Uzayın böyle bükülmüş bir bölgesine bakarsanız, galaksilerin de bükülüp çarpıldığını, incelip uzadığını görürsünüz. Tabii koca galaksilerin büküleceği yok ama bize gelen ışık bükülüyor. Bu da Karanlık Maddeyi ele veriyor.

Abell 222 ve Abell 223 galaksi kümeleri gökyüzünde birbirine çok yakın görünüyor ama biri Dünya’ya daha yakın, diğeri daha uzak… Bu da lens etkisini artırarak Karanlık Maddenin keşfini kolaylaştırdı.

Aslında gökyüzündeki takımyıldızlar da böyle. Karşıdan bakınca yan yana duruyorlar ama uzayda yandan bakarsanız, birbirlerinden çok uzak olduklarını ve gerçek bir takımyıldız oluşturmadıklarını göreceksiniz.

Buna rağmen, lens etkisini gözle görmek imkansızdı. Astronomlar Japonya’nın, Hawaii’deki Mauna Kea yanardağının tepesine kurduğu Subaru teleskopunun 2001 yılı görüntü arşivini incelediler. Gözlemciler bu fotoğrafları çekmiş ama bir kenarda unutmuşlardı.

Sonuçta, bilim adamları, iki galaksi kümesinin arasından gözüken daha uzaktaki veya Dünyamız ile galaksi kümeleri arasındaki 40 binden fazla galaksinin resmini incelediler ve sonunda, ışığı büken lens etkisini tespit ettiler.

Araştırmacıları bu bölgeyi incelemeye teşvik eden, dikkatleri özellikle bu iki galaksiye çeken bir sebep de astronomların 2008 yılında yaptığı gözlemlerdi. O zaman, galaksi kümelerinin yakınında sıcak gaz bulmuşlardı. Uzayın derin soğuğunda nispeten sıcak gaz…

İki galaksi kümesini birleştiren sıcak gazı belki Karanlık Madde ısıtmıştı. Belki de Karanlık Maddenin kütleçekim etkisi, iki galaksi kümesinden sifon gibi gaz çekmiş ve galaksileri birbirine bağlayan bir gaz kuşağı oluşturmuştu.

Her durumda, bilim adamları bu gazın Karanlık Maddenin varlığına işaret edebileceğini düşündüler ve haklı çıktılar.

 

Sıcağı var, soğuğu var

Galaksileri birbirine bağlayan ve çok uzun mesafelerde etkili olan karanlık maddenin “Sıcak Karanlık Madde” olduğu düşünülüyor (ör. nötrino parçacıkları). Galaksileri oluşturan daha lokal etkili “Soğuk Karanlık Maddenin” ise WIMP’lerden oluştuğu düşünülüyor.

Şimdilik uzayda başka Karanlık Madde izleri bulamadık. Belki de Karanlık Maddenin ne olduğunu, yeni Karanlık Madde bölgeleri bulmadan önce keşfederiz!

 

Bilim adamları, uzak galaksilerin arasında teleskopla yolculuk ederek Karanlık Madde arıyor.