Gravitonlar Karanlık Maddeyi Açıklayabilir mi?

Karanlık madde galaksileri bir arada tutan ek yerçekimini sağlıyor ama karanlık maddenin ne olduğunu bilmiyoruz. Yine de karanlık madde olmasaydı galaksiler ve yıldızlar, dolayısıyla da yaşam oluşmazdı. Öte yandan Einstein’ın genel görelilik teorisi yerçekimini bir alan olarak tanımlıyor. Görelilikte yerçekimi elektromanyetik kuvvet gibi bir kuantum kuvveti değildir. Elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısı fotonlar gibi yerçekimini ileten bir parçacık yoktur. Peki ya gravitonlar?

Ne de olsa fizikçiler yerçekimini kuantum fiziğiyle birleştirerek kuantum kütleçekim kuramı geliştirmek istiyor. Bu teorilerde yerçekimini teorik graviton parçacığının ilettiğini düşünüyoruz. Hatta kütleli graviton teorileri var. Normalde fizik kuvvetlerini taşıyan foton ve gluon gibi parçacıkların kütlesi yoktur. Klasik kuantum kütleçekim teorilerinde de graviton kütlesizdir. Peki ya gravitonun kütlesi varsa? Karanlık madde parçacıkları da kütleli olduğuna göre graviton karanlık maddeyi açıklar mı?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Gravitonlar ve karanlık madde

İlk bakışta gravitonlarla ile karanlık maddenin pek ortak noktası yok gibi… Gravitonlar teorik parçacıklar. Karanlık maddenin ise var olduğunu biliyoruz. Sadece ne olduğunu bilmiyoruz. Karanlık maddenin kütlesi var ama graviton parçacıkların kütlesi yok. Sadece bazı teorilerde gravitonların kütlesi olduğu düşünülüyor. Buna karşın karanlık madde yerçekimi dışındaki kuvvetlerle etkileşime girmiyor.

Elbette elektrozayıf kuvvetle etkileşime giren elektrikli karanlık madde gibi istisnai teoriler var ama bu yazıda tutucu davranacağız. Örneğin karanlık maddenin sadece yerçekimiyle etkileşmesini açıklamanın tek yolu kuantum kütleçekim kuramı geliştirmek olabilir mi? Kuantum kütleçekim kuramında yerçekimini taşıyan gravitonlar bu bağlamda karanlık maddeyi açıklar mı?

Karanlık maddeyi nötrinolar gibi bilinen parçacıklar ve kara delikler gibi bilinen cisimlerle açıklayamadığımız için yeni yollar aramamız gerekiyor. Bu nedenle karanlık maddeyi gravitonlarla açıklamak gibi en sıra dışı seçenekleri bile değerlendiriyoruz; çünkü sıradan açıklamalar işe yaramadığında sıra dışı seçeneklerden biri gerçek olacaktır. Biz de gravitonlar için astrofizikte evren hakkında bildiklerimize bakalım:

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

 

Karanlık maddenin özellikleri

• Galaksilerin kendi çevresinde dağılmadan bu kadar hızlı dönmesini açıklamak için karanlık madde, maddeden 6 kat fazla olmalıdır. Ancak bu şekilde gerekli ek yerçekimini sağlar.
• Karanlık madde evreni örümcek ağı gibi sarmalıdır. Sonuçta galaksiler karanlık maddenin yerçekimine kapılmıştır ve evreni örümcek ağı gibi yayılmıştır.
• Karanlık madde kendisi ve maddeyle pek etkileşip kolay kolay çarpışamaz. Aksi takdirde normal maddeden altı kat fazla olduğu için maddenin 13 milyar yıl önce, daha galaksiler oluşmadan ve evren çok küçük olduğundan madde yoğunluğu yüksekken içe çöküp kara deliklere dönüşmesine yol açardı. Evrende galaksiler ve yıldızlar yerine sadece kara delikler olurdu.
• Karanlık madde parçacıklarının sayısı normal maddeden çok daha fazla olmalıdır. Karanlık maddenin 6 kat fazla olan kütlesine maddeyle aynı sayıda parçacık sahip olsa karanlık madde maddeyi kara deliğe dönüştürmeden önce kendisi çöküp kara delik olurdu. Hem evrende daha çok kara delik olması hem de galaksilerin daha oluşurken kara deliğe dönüşmesi gerekirdi.
• Bu nedenle karanlık madde elektrozayıf ve güçlü nükleer kuvvetten etkilenmez. Karanlık madde atomları oluşturmaz. Dolayısıyla karanlık madde ışıkla ısıdan etkilenmez, görünmez ve soğuktur. Karanlık madde kara deliklerini önlemenin tek yolu budur.
• Sonuç olarak standart modeldeki parçacıkların hiçbiri karanlık madde olamaz; çünkü bu özelliklere sahip değiller. Buna daha yakından bakalım:

İlgili yazı: Fermilab Muon Deneyi Yeni Parçacık Buldu mu?

 

Gravitonlar, karanlık madde ve standart model

Karanlık madde parçacıklarının kütlesi standart modelde bilinen ve elektrik yükü olan parçacıklardan fazladır. Buna karşın elektrik yüklü parçacıkların kütlesi ne kadar fazlaysa bu parçacıklar o kadar hızlı bozunur. Örneğin önceki yazıda gördüğümüz gibi muonlar ağır elektronlar olup elektrondan 200 kat kütlelidir. Bu yüzden kararsızdır ve 2,2 mikro saniyede başka parçacıklara bozunur. Karanlık maddenin kütlesi o kadar büyük değildir ama elektrik yüklü karanlık madde olsaydı milyarlarca yıl önce bozunarak yok olurdu. Bu yüzden bugün galaksileri bir arada tutan ek yerçekimini sağlayamazdı.

Bunun dışında elektrik yüklü parçacıklar sıcak olacak (ortalama olarak yüksek hızlara ulaşacak) karanlık madde ise soğuk olacaktır. Dahası elektron ve diğer yüklü parçacıklar ancak karanlık maddenin yüzde 1’ini oluşturabilir. Nötron gibi birleşik parçacıklar ise karanlık madde gibi seyrek bulutlar oluşturmak yerine tek noktada çökerek toplanır. Örneğin nötron yıldızları oluşturur ve çok yüksek açısal momentuma sahip olur ki nötron yıldızları da kendi çevresinde yüksek hızda döner.

Kuarkları birbirine bağlayarak nötron ve protonları oluşturan gluonlar da kuarklarla çok güçlü etkileşim kurar. Kısacası karanlık maddenin var olduğunu ama bilinen parçacıklardan oluşmadığını biliyoruz. Bu durumda bilinmeyen teorik parçacıklara bakmak gerekiyor. Karanlık madde için özel geliştirdiğimiz teorik parçacıkları da bulamadığımıza göre yine teorik kütleçekim kuvveti parçacığı graviton karanlık madde adayı oluyor. Peki graviton neden karanlık madde olsun? Sayalım:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Gravitonlar için birinci neden

Yerçekimi var ve büyük olasılıkla kuantum kütleçekimden oluşuyor. Yerçekiminin doğasının kuantum olmadığı teorileri de yazdım ama kuantum kütleçekim olması gerektiğini ayrıca belirttim. Kuantum kütleçekim varsa taşıyıcısı graviton parçacığı olacaktır. Elbette başka karanlık madde adayları da var:

• En hafif süpersimetrik parçacık süpersimetri olmasını gerektirir. Kanıtlar süpersimetri olmadığını gösteriyor.
• En hafif Kaluza-Klein parçacığı ek uzay boyutları gerektirir fakat buna dair hiçbir kanıt yok.
• Steril nötrino, nötrino sektöründe yeni fizik gerektirir ve kozmolojik gözlemler steril nötrino varlığına pek izin vermiyor.
• Axion parçacıkları ise karanlık madde için ayrı bir kuantum alanı gerektiriyor ama bunu standart modele ekleyemiyor ve parçacık etkileşimlerinde izini göremiyoruz. Oysa kuantum kütleçekim varsa graviton karanlık madde olabilir.

Gravitonlar için ikinci neden

Gravitonların kütlesiz olması şart değildir. Teorik olarak en basit gravitonun kütlesiz bir spin 2 parçacığı olmasını bekleriz. Bunun dışında kütleçekim dalgalarını gözlemliyoruz ve kuantum kütleçekim varsa bunlar da gravitonlardan oluşmalı. Kısacası kütleçekim dalgalarının ölçebildiğimiz kadarıyla ışık hızında yayılması graviton kütlesini sınırlıyor. Graviton kütlesi 10^-55 gramdan az olmalı. Bu kadar hafif gravitonlar kütlesiz graviton teorilerine uyar. Yerçekimi her yerde olduğundan gravitonlar sayı üstünlüğüyle karanlık madde kütlesine denk gelip karanlık madde olabilir.

Üçüncü neden

Bir parçacığın hiçbir parçacıkla etkileşime girmemesinin tek yolu kesitinin 0 olmasıdır. Gravitonun kesiti sıfır değil ama çok düşüktür. Bu yüzden 100 yıl sonraki hiper parçacık hızlandırıcılarında bile gravitonu görmemiz çok zor olacaktır. 2006’da yapılan bir araştırmaya göre Dünya’dan 317 kat kütleli ve 1321 kat büyük olan Jüpiter bile on yılda ancak 1 gravitonla etkileşime girebilir. 😮 Bu da madde ve birbiriyle hemen hiç etkileşmeyen karanlık madde olabileceğini gösterir.

Dördüncü neden

Gravitonlar kendisiyle bile pek etkileşime girmez. Örneğin kütleçekim dalgalarında sörf yapmak olanaksızdır ama iki kütleçekim dalgası denizdeki iki dalga gibi birbiriyle çarpışabilir. Buna rağmen iki gravitonun çarpışma olasılığı çok ama düşüktür. Gravitonlar çarpışsa bile bu etkileşim detektörlerimizin görebileceğinden 10^-20 kat zayıf olacaktır. Pekala. Buraya dek gravitonun neden karanlık madde olabileceğini gördük. Biraz da neden karanlık madde olamayacağını görelim. 😊

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Gravitonlar neden karanlık madde olamaz?

Birinci neden: Gravitonları soğutmak çok zordur. Evrendeki bütün parçacıkların kinetik enerjisi vardır ve bu da evrende ne kadar hızlı gittiklerini belirler. Evren genişler ve parçacıklar uzayda giderken iki şeyden biri olur: 1) Uzay genişledikçe kütlesiz parçacıkların dalga boyu uzar ve ışığı kırmızıya kayar. Genişleyen evrende parçacıklar enerji kaybeder. 2) Uzay genişlediği için kütleli parçacıkların belirli bir sürede alacağı uzaklık kısalır ve bunlar enerji kaybeder.

Zaman geçtikçe kütleli bütün parçacıklar ışıktan çok daha yavaş gitmeye başlar ve soğur. Gravitonların kütlesi varsa bile çok hafif olacağını ve bu yüzden pratikte kütlesiz parçacık gibi davranacağını söylemiştik. Dolayısıyla gravitonlar genişleyen bir evrende hemen hiç yavaşlamayacaktır. Özellikle de 13,77 milyar yıllık evrenimizin yaşı gravitonların ışıktan çok yavaş gitmesine yeterli değildir. Bu yüzden gravitonlar varsa sıcaktır.

Gravitonların kinetik enerjisinin karanlık madde kadar düşük olması, yani başka parçacıklarla çarpışma olasılığının yeterince düşük olması için bunların baştan soğuk oluşması gerekir. Kısacası baştan yavaş gidiyor olmaları şarttır. Gravitonların kütlesi varsa ve evreni oluşturan büyük patlama sırasında 10 saniyeden kısa sürede yaratıldıysa bunlar bugün de yaklaşık ışık hızında gidiyor olacaktır. Parçacıkların saniyenin milyarda birinden kısa sürelerde oluştuğunu düşünürsek soğuk graviton pek düşük olasılıktır. Dolayısıyla gravitonların karanlık maddeye özel teorik axion parçacıkları kadar düşük enerjiyle yaratılması için bize yeni bir fizik gerekiyor.

İkinci neden

Gravitonlar, foton ve gluonlar gibi büyük olasılıkla kütlesizdir. Belirsizlik ilkesi yüzünden yüzde 100 kesin ölçümler yapamayız ama fotonlarla gluonların kütlesiz olmasını bekleriz. Oysa gravitonların hızı fotonların hızına bağlıdır. Şöyle ki graviton veya fotonların çok az da olsa kütlesi varsa elektromanyetik kuvvetle ışığın menzili uzun ama sonlu olacaktır. Kütleçekim dalgaları da ışık hızına yakın hızda ama daha yavaş yayılacaktır.

Gravitonlar için zorlamayalım

O zaman da yerçekimini tanımlayan genel görelilik teorisini değiştirmek zorunda kalırsınız. Kütleli graviton ve fotonlar dünyasında uzay gözlemlediğimiz gibi düz değil, ancak açık olabilir (hiperbolik vb.). Açık evrende ışık ışınları birbirine paralel başlar ama birbirinden eğriler çizerek uzaklaşır ki bunu görmüyoruz. Demek istiyorum ki gravitonu kütleli ve karanlık madde adayı yapmak doğruluğundan ölçebildiğimiz kadar emin olduğumuz tüm fiziği değiştirmeyi gerektirir. Pire için yorganı yakmaktır.

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Gravitonlar ve karanlık madde için sonsöz

Eskiden karanlık maddenin ne olduğunu bilmiyor ve ne olduğu hakkında fikir bile yürütemiyorduk. Artık karanlık maddenin ne tür özelliklere sahip olması gerektiğini biliyoruz. 40 yılda büyük ilerleme kaydettik. Şimdi diyeceksiniz ki “Madem graviton büyük olasılıkla karanlık madde değil, bunu neden araştırıyoruz?”

Karanlık maddeyi bulmak için elimizdeki bütün olasılıkları değerlendirmeliyiz. Örneğin artık fizikçilerin büyük kısmının neden karanlık maddeyi graviton yerine kendine özgü bir parçacıkla açıklamaya çalıştığını biliyoruz. Madde evrenin sadece yüzde 4,5’uğunu, karanlık madde yüzde 27’sini, karanlık enerji ise yaklaşık yüzde 68’ni oluşturuyor. Kısacası evrenin yüzde 96’sından fazlasının ne olduğunu bilmiyoruz. Evrendeki 200 milyar galaksi yüzde 4,5’uğu zor dolduruyor.

Evreni anlamak için karanlık maddeyi anlamak zorundayız. Öyleyse karanlık evren ve karanlık madde parçacıkları nedir? Onu da şimdi okuyabilir ve karanlık madde yoksunu galaksiler nasıl parçalanıyor diye sorabilirsiniz. Yeni karanlık güç ile öz etkileşimli karanlık madde ve karanlık toz nedir diye merak ederek karanlık maddeyle karanlık enerji aynı şey mi sorusunu araştırabilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın. 😊

Gravitonlar nedir ve nasıl çalışır?

¹Massive graviton dark matter with environment dependent mass: A natural explanation of the dark matter-baryon ratio
²Graviballs and Dark Matter
³Kaluza-Klein FIMP Dark Matter in Warped Extra-Dimensions
⁴Interplay between neutrino and gravity portals for FIMP dark matter