Karanlık Evren: Karanlık Madde Parçacıkları Nedir?

Siz bu tümceyi okuyana dek 1 milyar karanlık madde parçacığı bedeninizin içinden hayalet gibi geçip gidecek. Yaşadığımız, bildiğimiz ve sevdiğimiz evrenin oluşumunu bir anlamda ona paralel uzanan karanlık evrene borçluyuz. Karanlık evren karanlık madde parçacıklarından oluşuyor ki normal maddeden 6 kat fazla olan karanlık maddenin yerçekimi 13,7 milyar yıl önce galaksilerin oluşmasını sağladı. Bugün de yaşamın beşiği Dünya’nın barındığı Samanyolu galaksisini, yani galaksimizi oluşturan yıldızları ek yerçekimiyle bir arada tutuyor. Evrenin yüzde 20’si ve maddenin yüzde 80’i karanlık maddeden oluşuyor. Karanlık parçacıklar saniyede 54 metre hızla gidiyor. Peki karanlık madde parçacıkları nedir ve nasıl çalışır?

Neden karanlık evren diyoruz?

Karanlık madde atomları oluşturan fizik kuvvetlerinden etkilenmez ki karanlık maddeden oluşan canlılar olsaydı bunlar bizim için hayalet gibi görünmez olurdu. Oysa karanlık madde normal maddeyle yerçekimi dışında etkileşime girmediği ve etkilenmekten çok maddeyi etkilediğinden bizler de karanlık madde canlıları için hayalet gibi olurduk. Evrende her şey karşılıklıdır. 😉

Karanlık maddenin ne olduğunu bilmiyoruz ama bu yazıda farklı bir şey yapacağız: Önce karanlık evrenin normal evreni nasıl etkilediğine bakıp karanlık madde özelliklerini bildiğimiz kadarıyla sıralayacağız. Sonra da karanlık madde adayı olarak geliştirilen teorik karanlık madde parçacıklarını ele alıp karşılaştıracağız. Peki neden karanlık evren diyoruz derseniz çok basit bir nedeni var:

Madde yıldızlara dönüşerek ışık saçıyor. Karanlık madde ise görünmez olup hiç ışık saçmıyor. Yine de maddeden 6 kat fazla olduğu için (evreni genişleten karanlık enerjiyi saymazsak) uzayı en çok karanlık madde etkiliyor. Yıldızlar, galaksiler, gezegenler ve dolayısıyla yaşamı karanlık maddeye borçluyuz. Peki karanlık madde görünmez ise varlığını nasıl biliyoruz? Kendini dolaylı yollarla gösteriyor da ondan! Bir kere galaksideki yıldızları bir arada tutan ek yerçekimini sağlıyor. Dahası yerçekimi merceği yaratıyor:

Galaksilerin ışığı onlarla aramıza giren ve binlerce galaksi içeren süper kümeler kadar büyük olan karanlık madde bulutlarının muazzam yerçekimiyle bükülüyor. Böylece galaksi ışığı balıkgözü etkisiyle çarpılıyor. Işığı aradaki başka galaksiler, yıldızlar ve kara delikler bükse bunları görürdük. Aramızda gaz ve toz bulutları olsa galaksiler bulanıklaşır veya toz bulutları gölge yaptığı için gözden kaybolurdu. Bütün bu etkenleri devreden çıkarınca geriye tek bir açıklama kalıyor: Karanlık madde. Peki nedir bu?

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

 

Karanlık evren parçacıkları

Karanlık madde evrenin yüzde 80’ini oluşturuyor; çünkü madde olmadan zaman akmaz ve uzayın bir anlamı yoktur. Enerji var derseniz kütle enerjiden türeyen bir özelliktir ve kütleli olup da belirli bir hacim kaplayan cisimlere madde deriz (demek ki kara delikler de maddedir ama merkezinde boyutsuz tekillikler varsa bunlar madde değildir). Öte yandan karanlık enerji evreni genişletmekten başka bir şey yapmaz ve yaşadığımız uzaya etkisi yoktur.

Fotonlar gibi kütlesiz parçacıklar da hacimsiz olduğu için madde sayılmaz. Gerçi fotonlardan madde üretmenin yolunu yazmıştım. Bugün karanlık madde parçacıklarına odaklanalım: Karanlık maddenin parçacık olması şart değildir, daha doğrusu karanlık madde sadece parçacıklardan oluşmuyor olabilir. Hatta protonlar ve nötronlar gibi farklı madde parçacıkları olduğu gibi birden fazla karanlık madde parçacığı da olabilir. Her durumda karanlık maddenin bir kısmı ilkin kara delikler, mikro kara delikler, bozon yıldızları ve kara delik alternatif iri cüsseli tıkız cisimlerle açıklanabilir.

Hatta karanlık maddenin bir illüzyon olduğunu öne sürerek Einstein’ın yerçekimini tanımlayan genel görelilik teorisini değiştirmeye çalışanlar (MOND teorileri) ve süper sıvı karanlık madde teorilerini geliştirenler de var. Oysa MOND teorileri test edebildiğimiz kadarıyla yanlış çıktı ve çarpışan galaksilerdeki gaz ve toz bulutlarının davranışını da açıklayamıyor. Kara delikler veya kara delik alternatiflerinin sayısı da karanlık maddenin tamamını açıklamaya yetmiyor. Belli ki evren bizi karanlık madde parçacıklarına zorluyor. Bunlar nasıl parçacıklar olabilir?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Karanlık evren hakkında ne biliyoruz?

Normal madde atom çekirdeklerini oluşturan güçlü nükleer kuvvet, radyoaktif bozunumdan sorumlu zayıf nükleer kuvvet; elektrik, manyetizma ve ışık üreten elektromanyetik kuvvet ve elbette yerçekiminden etkilenir. Öyle ki fizik kuvvetlerini parçacıkların birbiriyle iletişim kurduğu yabancı diller olarak düşünebiliriz. Parçacıklar bu dilleri kullanarak iletişim (etkileşim) kurar ama bütün parçacıklar aynı dili konuşmaz veya bazı dilleri daha iyi konuşur. Örneğin elektronlar:

Elektronlar aralarında foton alışverişi yaparak elektromanyetizma yoluyla iletişim kurar. Bu bağlamda hem elektrik hem manyetik alan hem fotonlar hem de yerçekiminden etkilenir. Oysa elektrik yükü nötr olan nötrino fotonlardan etkilenmez ve onlarla konuşamaz. Işıktan etkilenmediği için de içimizden karanlık madde gibi, yani hayalet gibi geçip gider. Nötrinoları doğrudan göremeyiz.

Bunu kuantum alanları olarak da düşünebiliriz: Her parçacık kendi kuantum alanında titreşir. Ayrıca kendisi etkileyen kuvvetin kuantum alanından da etkilenir. Bu bağlamda elektronlar elektrik alanı, manyetik alan, foton alanı ve yerçekimi alanından etkilenir. Elektromanyetik kuvvet yüksek sıcaklıklarda zayıf kuvvetle birleştiğinden elektronlar foton ve nötrinolara da bozunabilir. Buna karşın elektron güçlü kuvvet dilinden konuşmaz ve atom çekirdeklerinde bulunmaz. Doğada elektronik atomlar yoktur. 😉 Gelelim yerçekimine:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Karanlık evren ve yerçekimi

Şimdi diyeceksiniz ki yerçekimi İngilizce gibi hocam. Bütün kütleli parçacıklar yerçekimi dilini konuşuyor. Evet ama yerçekimi uzayın bükülmesi olarak tanımlanıyor. Graviton denilen bir yerçekimi parçacığı olduğundan ve yerçekiminin bir kuantum alanı olduğundan bile emin değiliz. Bu bağlamda karanlık madde elektromanyetik kuvvetle konuşmaz. Elektrik, manyetik alanlar, ışık ve ısıdan etkilenmez. Güçlü kuvvetten etkilenmediği için karanlık atomlar da oluşturmaz. Nereden biliyoruz derseniz galaksilere bakın:

Evrende görünmez karanlık madde galaksileri olsaydı normal galaksilerin uzaydaki dağılımını karanlık galaksiler olmadan açıklayamazdık. Dahası karanlık madde, tıpkı normal madde gibi galaksilerin merkezi ve diskine çöker, böylece maddenin yıldız oluşturmaktan çok artan yerçekimi yüzünden kara delik oluşturmasına neden olurdu. Kısacası 13,4 milyar yıl önce oluşan ilk galaksiler çoktan süper kütleli kara deliklere dönüşerek yok olurdu. Tabii karanlık parçacıkların kütlesi olduğunu biliyoruz; çünkü galaksileri bir arada tutan ek yerçekimini sağlıyorlar.

Üstelik yerçekimi karanlık maddenin nasıl davrandığını da gösteriyor. Yerçekimi yoğunlukları ve yerçekimi merceklerine bakarak karanlık maddenin uzayda nasıl dağıldığını görüyoruz. Bunu evren simülasyonlarına eklediğimizde bildiğimiz evrenin ortaya çıktığını da görüyoruz. Karanlık madde büyük patlamadan sonra uzaya görünmez bir örümcek ağı gibi yayılmış ve galaksiler bu ağa inci taneleri gibi dizilerek oluşmuştur. Zaten karanlık atomlar olamayacağını da karanlık yerçekimi gösteriyor:

İlgili yazı: 18 Ayda Nasıl 24 Kilo Verdim?

 

Karanlık yerçekimi nedir?

Yerçekimi karanlık maddeye de aynı şekilde davranır ama karanlık evren parçacıkları buna farklı bir tepki gösterir. Bunu biliyoruz; çünkü galaksileri kara delik haline dönüştürmemesinin yanı sıra karanlık parçacıklar birbiriyle de pek etkileşime girmiyor. Zaten elektromanyetik ve güçlü kuvvetten etkilenmediği için atomlar, moleküller oluşturup tıkız gaz bulutları yaratmaları imkansızdır. Karanlık maddenin görünmez olduğuna bizi ikna eden bir kanıt da budur.

Işığı oluşturup elektromanyetizmanın taşıyıcısı olan fotonlardan etkilenmeyen karanlık maddenin atomlar oluşturmadan ve birbiriyle pek etkileşime girmeden uzayda dev seyrek bulutlar meydana getirmesini beklersiniz. Galaksiler de bunların içinde oluşur ki her galaksiyi bir karanlık madde kozası sarar. Karanlık maddenin bulutlar halinde yoğuşmaması karanlık parçacıkların toplanarak yerçekimini artırmasını da önler. Bu da bize karanlık maddenin sıcaklığını verir!

İlgili yazı: Elementler ve Atomlar Evrende Nasıl Oluştu?

 

Soğuk karanlık evren modeli

Karanlık parçacıkların ısıdan etkilenmediğini söylemiştim ama bu tam olarak doğru değil. Termal radyasyondan etkilenmediklerini söylemek daha doğru olur. Karanlık madde büyük patlamadan sonra süper sıcak evrende ısıdan hemen hiç etkilenmedi ama nadiren de olsa karanlık parçacıklar kendi arasında çarpıştı. Ayrıca milyarlarca yıllık sürede bazı madde parçacıklarıyla zayıf kuvvet ve yerçekimi yoluyla, yani çarpışarak da etkileşime girdi. Bu yüzden karanlık madde mutlak sıfır kadar soğuk değil, az sıcaktır. Yine de buna soğuk karanlık madde modeli deriz.

Nitekim galaksilerin karanlık madde düğümlerinde kalabalık küresel süper kümeler oluşturduğunu ve karanlık madde iplikleri üzerine boncuk gibi dizildiğini görüyoruz. Bu da soğuk karanlık madde modelini destekliyor. Öyleyse karanlık madde hakkında şunları biliyoruz: 1) Elektrik yükü nötrdür, 2) elektromanyetik ve zayıf kuvvetle etkileşmez, 3) kendisiyle bile pek etkileşime girmez, 4) kütlesi var ve yerçekiminden etkilenir. Nötrinolar bu özelliklerin neredeyse tamamına sahiptir. Sadece ihmal edilecek kadar zayıf olsa da elektromanyetik kuvvetten etkilenir. Nötrinolar karanlık madde olabilir mi?

Maalesef hayır. Bunlar o kadar hafif ki fotonlardan sonra evrendeki en yaygın ikinci parçacık türü olmasına karşın karanlık madde kadar yerçekimi üretemez. Ayrıca nötrinolar karanlık maddenin tersine çok hızlı hareket eder. Büyük patlamadan beri yer değiştirmeyen karanlık parçacıklar gibi olduğu yerde kalmazlar (Bkz. Büyük patlamadan kalan ses dalgaları). Güneşimiz de nötrino yayar ve bunlar Dünya’nın içinden geçip gider. Böylece standart modeldeki parçacıkların karanlık madde olamayacağını gördük. Peki ya standart modele eklemeyi düşündüğümüz teorik parçacıklar?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Steril nötrino ve aksiyonlar

Bilim insanları zayıf nükleer kuvvetten bile etkilenmeyen steril nötrinoları tasarladı. Bunlar normal nötrinoların yanında çok ağır kalıyor ve uygun bir karanlık madde adayı gibi duruyor ama yaptığımız deneylerde yavaş giden soğuk steril nötrinoları göremedik. İkinci olarak Dünya’nın en ünlü bilim insanlarından biri olan Steven Weinberg’in arkadaşlarıyla ortaya attığı axion parçacıkları var. Bunları da fizikteki yük-parite simetrisi ihlali denilen sorunu çözmeye çalışırlarken geliştirdiler.

Axionları da bugüne dek göremedik. Üstelik axionlar nötrinolar kadar hafif ve karanlık madde yerçekimini açıklamak için evrende nötrino kadar bol olmaları gerekiyor. Axion severler öyle olduğunu düşünüyor ama henüz bilimsel kanıt bulunmuyor. Bu açıdan sicim teorisyenlerinin bayıldığı süpersimetri teorileri de karanlık madde adayları gösteriyor. Baştan söyleyelim, en basit ve açıklayıcı süpersimetri teorileri CERN parçacık hızlandırıcısında görülmedi. Neyse ki fizikte çareler tükenmez:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Karanlık evren ve süpersimetri

İkinci olarak birçok süpersimetri teorisi var ki buna süper yerçekimi dahildir. Bunlardan birine göre her madde parçacığının süpersimetrik bir kuvvet taşıyıcı eşi, yani süper bozon eşi vardır. Keza foton gibi bozonların da madde parçacığı olan süpersimetrik eşleri vardır. Üstelik bunlar karanlık maddeden bile daha kütleli parçacıklardır ki belki de büyük kütleli oldukları için CERN LHC çarpıştırıcısının enerji seviyesi bile bunları üretmeye yeterli olmadı. Öte yandan büyük patlamanın ürettiği aşırı yüksek enerji bu süpersimetrik parçacıkları oluşturmuş olabilir.

Oysa öğrendik ki karanlık maddeyi açıklamak için kütle yetmez. Bize elektromanyetik kuvvet, elektrik ve ışıktan etkilenmeyen, elektrik yükü nötr olan ve yavaş giden parçacıklar lazım. Bunlar gerçekten de hayal gücümüzün sınırlarını zorlayan uçuk parçacıklar olacaktır. Örneğin nötrinonun süpersimetrik eşi nötralino… Bu parçacık zayıf kuvvet taşıyıcılarından biri olan z bozonu, belki nötrinolar dahil bütün parçacıkların kütle edinmesini sağlayan Higgs alanına ait Higgs parçacığı ve fotonun süpersimetrik eşi fotinonun en yararlı özelliklerini üçü bir arada kahve gibi barındıran çok özel bir parçacıktır. 😊

Nötralino ve CERN

Hatta nötralino CERN LHC’nin yerini alması beklenen Büyük Dairesel Çarpıştırıcının (FCC) üretebileceği kadar hafif, nispeten hafif olabilir. Normalde en hafif nötralino bile büyük patlamadan bu yana çoktan bozunup daha hafif parçacıklara dönüşmesini bekleyeceğimiz kadar ağırdır ama nötralino standart modeldeki radyoaktif bozunum süreçlerinden farklı şekilde bozunuyorsa süper kararlı olabilir! O zaman evren büyük patlamadan kalan nötralinonalarla doludur ve bunlar da görünmez karanlık maddedir.

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Karanlık evren ve gravitino

Diğer bir süpersimetri teorisinde ise yerçekimi aslında kütleçekim kuvveti ve bir kuantum alanıdır. Bu alanın da kütleçekim kuvvetinin taşıyıcısı olup da graviton denilen bir parçacığı vardır. Bu süpersimetri teorisinde gravitonun süpersimetrik eşi gravitino nötralinonun başka bir versiyonuyla birlikte karanlık madde parçacığı olmaya adaydır. Süpersimetri henüz kanıtlanmamış olsa da bu modellerinin çok sayıda karanlık madde adayı üretmesi bunların doğru olduğunu gösteriyor olabilir.

Her halükarda bu tür nötralino ve gravitino sürümlerini WIMP parçacıkları adı altında toplarız. WIMP teorisine göre karanlık madde birden fazla parçacıktan oluşur. Nitekim WIMP zayıf etkileşen iri cüsseli parçacık demektir. Oysa WIMP’lerin süpersimetri teorilerinde patlamış mısır gibi ortaya çıkması ve karanlık maddeyi açıklamak için alternatif olmasının dışında bir avantajı yoktur. Dahası zayıf etkileşimli WIMP derken bu tür karanlık parçacıkların arasındaki zayıf etkileşimi de ince ayar yapmanız gerekir. Yoksa WIMP’ler galaksiler ve karanlık maddenin evrende görülen dağılımını açıklayamaz.

Öyle ki WIMP modeli nötralino gibi karanlık madde adayları tasarlanmadan önce bir şablon olarak ortaya atılmıştı. WIMP’lere ince ayar yaptığınız zaman onların uygun “soğuklukta” ve uygun yavaş hızda yol almasını sağlarsınız ama WIMP teorisi aslında çok daha dallı budaklı bir teoridir; çünkü teorik fizikçiler WIMP’lerle sadece karanlık evren değil antimaddeyi de açıklamaya çalışıyor! 😮

İlgili yazı: DNA Testi Yaparsanız Neler Öğrenirsiniz?

 

Antimadde

Karanlık maddenin birbiriyle pek etkileşime girmemesi demek büyük patlamadan hemen sonra madde-antimadde çiftleri birbirini yok ederken pek az karanlık maddenin yok olması demektir. Karanlık madde belki kendisinin antimaddesi olduğu veya anti karanlık maddeyle bile pek etkileşime girmediği için evren genişlerken büyük ölçüde varlığını korumuş olabilir. Belki de karanlık maddenin maddeden 6 kat fazla olmasının nedeni pek azının antimadde etkileşimleriyle yok olmuş olmasıdır.

Oysa bu da anti karanlık madde parçacıkları nerede sorusunu gündeme getirir. Belki bu parçacıklar da normal antimadde kadar nadir ve yenileri de çok nadir oluşuyor. Belki de karanlık antimadde yok oluşunun yayacağı gama radyasyonu göremeyeceğimiz kadar zayıf kalıyor. Özellikle de süpernovalar, nötron yıldızları ve kara deliklerin yanında. Gerçi antimaddenin nadir olmasını kararsız, yani kısa ömürlü olmasıyla açıklayan teoriler var. Bu durumda karanlık antimadde de aşırı nadir olacaktır.

Yine de karanlık madde maddeden 6 kat fazlaysa karanlık antimaddenin de normal antimaddeden 6 kat fazla olması gerekir. Bu durumda karanlık madde-karanlık antimadde yokoluşuna bağlı gama ışınlarını da uzayda görebilmemiz gerekir; ancak bütün bunlar karanlık evren modelini açıklamak için kullanacağınız karanlık parçacıklara aittir. Deney ve gözlemler ise karanlık maddenin süper sıvı gibi bambaşka bir şey olduğunu gösterebilir.

Siz de antimadde motorlu ISV Venture Star roketinin nasıl çalıştığını şimdi okuyabilir ve karanlık madde yoksunu galaksiler nasıl parçalanıyor diye sorabilirsiniz. Yeni karanlık güç ve özetkileşimli karanlık maddeye göz atıp karanlık toz ile değişken yerçekimi teorisini okuduktan sonra karanlık maddeyle karanlık enerji aynı şey olabilir mi diye merak edebilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın. 🙂

Hubble teleskopu karanlık maddeyi nasıl saptadı?

¹The Dark Sector Cosmology
²WIMP dark matter candidates and searches – current status and future prospects
³The landscape of QCD axion models