Karanlık Maddenin Sırları 2 >> Kainatta sonsuz sayıda evren var ve her şeyin sonu “Büyük Yırtılma” ile gelecek

Avrupa Uzay Ajansı ESA’nın geliştirdiği “uzay gözlemevi” Planck, evrenin doğumundan kalan ışığa, evreni meydana getiren Büyük Patlamanın izlerine, aslında uzayın bebekliğine baktı ve karanlık maddeyle ilgili şaşırtıcı veriler sağladı:

Evrenimiz tahminlerden 80 milyon yıl yaşlı… Ve Karanlık Madde miktarının fazla, Karanlık Enerji oranının ise biraz düşük çıkması nedeniyle uzay boşluğu daha yavaş genişliyor.

Karanlık maddenin sırlarına ayrılan ilk yazımda, NASA’nın Uluslararası Uzay İstasyonu’na yerleştirdiği AMS detektörünün, uzayda karanlık maddeyi nasıl tespit ettiğini anlatmıştım. Bu yazıda ise öncelikle “karanlık madde” ile “karanlık enerjinin” ne olduğunu açıklıyor, ardından karanlık maddenin evrenin doğumu ve ölümü hakkında bize neler söylediğine bakıyoruz.

 

 

 

Evrenin dikiş ipliği

Evrenimiz sandığımızdan biraz daha yaşlı, ayrıca kıvamı ve malzemesi de az buçuk farklı, üstüne üstlük kainatta sonsuz sayıda evren var… Bu keşif furyası nereden geliyor, kainatın bütün sırları Mart ayında mı çözülüyor? Neler oluyor derseniz; Avrupa Uzay Ajansı’nın kozmik mikrodalga arka plan ışınımını inceleyen Planck uzay gözlemevinin bilimsel buluşları arka arkaya yağıyor derim…

 

 

Princeton Üniversitesi araştırmacıları 21 Mart 2013’te evrenin doğum anını gösteren en detaylı “eski çağ” haritasını yayınladılar. Bu harita hem evrenin kökenine hem de geleceğine ışık tuttu. Böylece 40 yıllık araştırmaların ürünü olan el emeği, göz nuru kozmoloji modelimiz de zorlu bir testi daha atlatarak rüştünü ispat etmiş oldu. Gerçi teori 40 yıllık olabilir ama en merak uyandıran, en sorunlu kısmı, karanlık madde dolayısıyla bizi ilgilendiren asıl kısmı 20 yıl önce ortaya çıktı.

90’ların başlarında evrenin genişlemesini inceleyen bilim adamları bir konuda hemfikirdi: Evrende yeterli madde varsa bir gün genişleme duracak ve son sayımlara göre 176 milyar galaksi ve trilyonlarca yıldız barındıran evren tekrar küçülmeye başlayacaktı.

 

Bu durumda maddeyi birbirine çeken, örneğin Dünyamız kendi etrafında dönerken merkezkaç etkisiyle uzaya savrulmamızı önleyen kütleçekim kuvveti, evrenin milyarlarca yıl sonra bir nohut tanesi kadar küçülerek yok olmasına sebep olacaktı. Ancak, uzayda yeterli madde yoksa evren sonsuza dek genişleyecek ve galaksiler sonsuz uzayda yolculuk eden yalnız yıldız adalara dönüşecekti.

Ardından, 1998 yılında, Hubble Uzay Teleskopu’nun gözlem sonuçları geldi: Dünyamızdan çok uzaklarda patlayan süpernovaların ışığı, evrenin eskiden daha yavaş genişlediğini gösteriyordu. Evrenin genişlemesi günümüzden 7,5 milyar yıl önce tekrar hızlanmıştı ve evren içindeki maddenin uyguladığı kütleçekime rağmen gittikçe daha hızlı genişliyordu. Bu sorunu çözmek isteyen bilim adamları çeşitli teoriler geliştirmeye başladılar. Belki de evrenin genişlemesinin sırrı, Einstein’ın uzun zaman önce rafa kaldırdığı bir fikirle ilgiliydi.

 

Karanlık enerji evrenin genişlemesinden sorumlu

Einstein evrenin genişlediğine inanmıyordu ve görelilik teorisine rağmen evrenin genişlemediğini göstermek için Kozmolojik Sabit denilen bir fikir ortaya atmıştı. Einstein evrenin genişlediğine, galaksilerin birbirinden gittikçe artan hızlarda uzaklaştığına işaret eden “Kırmızıya Kayma” etkisinin sonuçlarını öğrendikten sonra Kozmolojik Sabit fikrinden vazgeçti. Hatta bu fikri hayatındaki en büyük yanılgı olarak adlandırdı.

Gökbilimciler evrenin genişlemesinin neden tekrar hızlandığını açıklamakta çaresiz kalınca, Einstein’ın Kozmolojik Sabit fikrine geri döndüler ve bu kez Kozmolojik Sabiti evrenin genişlemesini göstermek için kullanmaya başladılar. Belki uzayı bir tür enerji dolduruyor ve bu enerji evrenin genişlemesine neden oluyordu. Belki Kozmolojik Sabit evrendeki enerji yoğunluğunun ölçüsüydü…

Bilim adamları söz konusu enerjinin detaylarını bugün de bilmiyorlar ama buna “karanlık enerji” diyorlar. Karanlık olmasının nedeni enerjinin görünmez olmasıdır… Karanlık enerji yıldızlar gibi ışık saçmıyor ama kara deliklerin yaptığı gibi uzaydaki etkisini dolaylı olarak gösteriyor. Karanlık enerjinin var olduğunu evrenin genişlemesinde görebiliyor ve şiddetini ölçebiliyoruz, çünkü karanlık enerjinin şiddeti evrenin ne kadar hızlı genişlediğini belirliyor. Evrenin yaklaşık olarak yüzde 70’i karanlık enerjiden meydana geliyor.

 

Karanlık enerjinin kaynağı nedir?

Albert Einstein boş uzayın gerçekte tümüyle boş olmadığını anlamıştı. Sözde boş uzayın bile olağanüstü özellikleri vardı. Bunların büyük kısmını daha yeni öğrenmeye başladık.

Uzayı evrenin dokusu, örneğin bir balonun yüzeyi olarak düşünürsek; uzayın şişmesi de evrenin tıpkı şişen bir balon gibi genişlemesi anlamına gelir. Büyük Patlamadan sonra evrenin süper hızlı bir şekilde genleşmesini açıklayan Enflasyon Teorisi işte bu fikirden türetilmişti. Evrenin doğumundaki “şişme evresi” kısa sürede sona erdi ve uzayın genişlemesi milyarlarca yıl içinde yavaşladı ama 7,5 milyar yıl önce genişlemenin yeniden hızlanmaya başladığını görüyoruz.

Karanlık enerji, maddenin kütleçekim kuvvetiyle evrenin genişlemesini durdurmasına, örneğin büyük kütleli galaksilerin diğer galaksileri kendine doğru çekmesine engel oluyor. Karanlık enerjinin maddeyle ilgili olmadığını düşündüğümüz zaman; uzaydaki bütün maddeyi çıkarıp başka bir yere taşısak bile, uzay boşluğunun kendi enerjisiyle dolu olduğunu kabul etmemiz gerekiyor. Karanlık enerji uzaydaki maddenin enerjisi değildir, uzayın kendi enerjisidir.

 

Uzay neden genişliyor?

Uzayın genişlemesini kuantum fiziğinden yararlanarak açıklayabiliriz. Kuantum fiziğindeki Heisenberg’in Belirsizlik İlkesine göre bir parçacığın hızını VE konumunu aynı anda yüzde 100 kesinlikle bilemeyiz ama bu belirsizliğin “sanal parçacıklara” yol açtığını söyleyebiliriz. Sanal parçacıklar, vakum olarak tabir ettiğimiz uzay boşluğunda sürekli oluşup yok oluyor fakat biz daha onları gözlemleyemeden yok oldukları için, bu parçacıkları “sanal parçacık” olarak adlandırıyoruz. Uzay boşluğuna enerjisini veren şey sanal parçacıklardır, fakat bu noktada önemli bir sorunumuz var…

 

Uzay boşluğunun genişleme enerjisini sanal parçacıklar ile açıklamaya çalıştığımız zaman çok büyük bir enerji açığa çıkıyor. Gökbilimciler evrenin ne kadar hızlı genişlediğini yıllar önce ölçtüler. Sanal parçacıklara göre hesaplanan karanlık enerjinin değeri, şu anda ölçtüğümüz enerjiden 10¹²⁰ kat büyük çıkıyor. Karanlık enerji hesaplamaların gösterdiği kadar güçlü olsaydı, bütün evrenin saniyenin küçük bir kesrinde yok olması gerekirdi!

Bu yüzden evrenin genişlemesini sadece sanal parçacıklarla açıklamak yeterli olmuyor. Belki kuantum fiziğini Einstein’ın Görelilik Teorisiyle birleştiren kuantum kütleçekim kuramlarından biri bu sorunu çözebilir.

 

Gelelim Karanlık Maddeye

Öncelikle iki tür Karanlık Madde olduğunu söylememiz gerekiyor: Bunlardan birine aşinayız… Gezegenler, asteroitler, kuyrukluyıldızlar, uzaydaki soğuk gaz ve toz bulutları ışık saçmıyor. En azından uzaktan bakınca görülmüyor. Örneğin, Neptün’ün yörüngesinin ötesindeki Kuiper Kuşağı cisimlerini veya Güneş Sisteminin merkezinden çok daha uzakta bulunan Oort Bulutu’ndaki kuyrukluyıldızları göremiyoruz.

Üstelik Kuiper Kuşağı ve Oort Bulutu güneş sisteminin içinde yer alıyor. En yakın yıldız ise bizden yaklaşık 4 ışık yılı uzaktaki Alpha Centauri sisteminde bulunuyor… Şimdi uzayda bize yüzlerce, binlerce, milyarlarca ışık yılı uzaktaki soğuk gökcisimlerini düşünelim. Bunların hiçbirini yakına gitmeden tespit edemeyiz ve yakındaki yıldızlar ya da bulutsularla etkileşime girmeyen “kara delikleri” de doğrudan göremeyiz.

 

Oysa içinde yaşadığımız Samanyolu Galaksisinin kütlesinin büyük kısmının galaksimizin diskindeki parlak yıldızlar ve gezegenlerden oluşmadığını biliyoruz. Galaksimizin disk düzleminden binlerce ışık yılı yükselen bir halesi var. Samanyolu Galaksisinin sarmal diski, eski yıldızlar ve yıldız kalıntılarından oluşan bu görünmez sıcak gaz küresinin içinde yüzüyor. Ayrıca, galaksinin diskinde yıldızların arasına serpiştirilmiş başka karanlık gökcisimleri bulunuyor… Bunların hepsi birinci tür karanlık maddeyi oluşturuyor: ışık saçmayan normal karanlık madde.

 

Sıradan karanlık madde galaksilerin oluşması için yeterli değil

Normal maddenin ışığın bile kaçamayacağı güçlü bir çekim kuvveti oluşturacak şekilde toplandığı kara deliklerin uzaydaki toplam kütlesi de yetersiz kaldığından, karanlık maddenin öncelikle egzotik parçacıklardan oluştuğu sonucuna varıyoruz. Öte yandan egzotik karanlık maddenin “anti maddeden” oluşmadığını da biliyoruz… Anti madde ve madde birleştiği zaman birbirini tümüyle yok eder.

Nitekim uzayın derinliklerine baktığımızda anti madde patlamalarının yol açacağı şiddetli radyasyonu göremiyoruz. Bu da işi bir şey, canlılar için zararlı olan anti madde radyasyonu Dünyada hayatın oluşmasına izin vermezdi.

 

Bütün bu sonuçları bir arada değerlendirdiğimizde karanlık maddenin, normal maddeyi oluşturan “baryon parçacıklarından”, örneğin protonlar ve nötronlardan meydana gelmediğini anlıyoruz. Uluslararası Uzay İstasyonu AMS’in NASA tarafından Mart başında açıklanan deneylerinden sonra, evrende karanlık madde olduğunu gösteren daha fazla kanıt sahibi olduk. Bu karanlık madde WIMP parçacıklarından oluşuyordu.

Fizikçiler arasındaki en popüler karanlık madde adaylarından WIMP’lerin ışık saçmamasının nedeni, bunların elektromanyetik kuvvete ve güçlü çekirdek kuvvetine tepki vermemesidir. Karanlık madde normal maddeyle kütleçekim dışında pek etkileşime geçmediği için, bu egzotik maddeyi oluşturan parçacıklara Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacıklar diyoruz (kısaca WIMP’ler).

 

Karanlık madde uzayın hamurunu şekillendiriyor

Karanlık madde evrene vücudumuzdaki kılcal damarlar veya bir ağacın dalları gibi yayılmıştır. Evrene 5 milyar ışık yılı veya daha uzaktan baktığımızda, uzaydaki galaksilerin örümcek ağı gibi ipliksi yapılar oluşturduğunu görüyoruz. Her iplik içinde yüzlerce süper galaksi kümesini barındıran en az 600 milyon ışık yılı uzunluğundaki sicimlerden meydana geliyor. Aslında galaksiler, uzaydaki görünmez karanlık madde ağlarına kolyedeki inciler gibi diziliyor.

 

Bu görüntüyü kafanızda canlandırmak için yazının altındaki YouTube videosunu izleyebilirsiniz. 2011 yapımı Thor filminin kapanış sahnesinde 10 milyar ışık yılı ölçeğindeki derin uzayın yapısını görüyorsunuz… Thor’un sanat yönetmeni, derin uzayın ipliksi yapısını İskandinav efsanelerinde evreni saran kutsal Yggdrasil ağacının dallarına benzeterek müthiş bir çalışmaya imza atmış. Ancak bence en şaşırtıcı olanı, 1000 yıllık İskandinav efsanelerinin modern bilimin ışığında doğru çıkması!

 

Planck’tan önce, Planck’tan sonra

Planck, gök kubbeyi defalarca tarayarak evrenin doğum anındaki Büyük Patlamadan kalan mikrodalga ışınımını gözlemledi. Mutlak sıfırın sadece 3 Kelvin derece üstündeki bu “arka plan radyasyonu” -270 santigrat dereceye karşılık geliyor. Bu haliyle uzayın çok soğuk olduğunu düşünebilirsiniz ve haklısınız ama Büyük Patlamanın ne kadar şiddetli olduğunu da düşünmeniz gerekiyor.

Bugün evreni saran “arka plan ışınımına” baktığımızda, aslında evrenin bebekliğinden kalan ışığı görüyoruz. Yaklaşık 13 milyar yıl önce ortaya çıkan ışık, çok soluk olmakla birlikte bütün evreni aydınlatmaya devam ediyor. Bu açıdan bakıldığında, arka plan ışınımı bizim için zamanda yolculuk etmek, evrenin geçmişine bir pencere açmaktır… Bu pencere bize evrenin bebekliğinde nasıl bir şekle sahip olduğunu gösteriyor.

 

Arka plan radyasyonundaki ışığın bir kısmı yıldızlardan, soğuk bulutsulardan, süpernovalardan ve galaksilerden geliyor ama bir kısmı bize çok daha uzaklardan ulaşıyor… Aslında milyarlarca yıl öncesinden, ışığın oluştuğu zamanlardan, evrenin doğum anından ve dolayısıyla görebildiğimiz kadarıyla evrenin sınırlarından geliyor.

 

Ancak Planck gözlemevinin bize hazırladığı sürprizler bununla sınırlı değil…

 

Kozmoloji tarihinde bir milat olarak kabul edebileceğimiz Planck verilerini değerlendiren bazı bilim adamları alışılmadık sonuçlara vardılar. Hatta evrenin biraz yan yatmış olduğunu ve uzaydaki madde ile enerjinin evrenin bir tarafında toplanma eğilimi gösterdiğini düşünmeye başladılar! Acaba bize komşu olan bir evren, bizim evrenimizdeki maddeyi kendine doğru mu çekiyordu? Aşağıda kozmik şişme modelini ve gözlemlenebilir evrenin sınırlarını anlatırken buna değineceğim.

 

Kuantum salınımları ve evrendeki imalat hataları

Arka plan ışınımındaki nispeten sıcak ve soğuk bölgeleri incelediğimiz zaman, bugünkü galaksilerin oluşmasını tetikleyen “küçük düzensizlikleri”, galaksilerin 13 milyar yıl önceki nüvelerini görebiliyoruz (evrenin bebekliğinde daha küçük olduğunu hatırlayalım).

Arka plan ışığı evren sadece 380 bin yıl yaşındayken yayınlandı… Ancak, milyarlarca ışık yılı boyunca yolculuk ettikten sonra solarak kırmızıya kaydı. Ayrıca bu süre zarfında genişlemeye devam eden evren, Büyük Patlamadan kalan ışığın kat ettiği mesafenin de uzamasına neden oldu. Öyle ki bu ışık artık bize mikrodalga boyunda ulaşabiliyor. Planck, kozmik mikrodalga arka plan ışınımının şiddetini 15 ay boyunca ölçtü ve bugüne kadar yapılmış en detaylı radyasyon haritasını çıkardı.

 

Günümüzde evren her yanını detaylarıyla göremeyeceğimiz kadar büyüktür, ama kozmik mikrodalga arka plan ışınımı, bize evrendeki bütün maddenin birbirine çok daha yakın olduğu bebeklik anını gösteriyor. O zamandan bu yana evren genişledi fakat evrendeki maddenin dağılımı değişmedi; sadece evren genişledikçe içindeki maddenin yoğunluğu azaldı.

Bunu şöyle hayal edebiliriz… Elinizde şişmemiş bir balon var. Bu balonun üstünde çiçek desenleri bulunuyor ama balonu şişirmediğiniz için bunları göremiyorsunuz. Ancak, balonu şişirdiğinizde bütün desenler genişleyecek ve bunların balonun bütün yüzeyini kapladığı görülecektir. Evren de doğum anında şişerek bu tür bir genişleme evresinden geçmiştir.

Peki, Büyük Patlama maddeyi evrenin dört bir yanına eşit olarak saçtıysa, neden evrende bugün galaksiler ve yıldızlar gibi düzensizlikler görüyoruz? Neden karanlık madde uzaya eşit ölçüde yayılmamıştır?

 

Planck’ın gözlem sonuçları

Kozmik arka plan ışınımını gösteren haritada kontrastı artırırsanız, evrenin doğumundan gelen ışığın kusursuz olmadığını fark eder ve elinizdeki resimde ton farkıyla benekler olduğunu görürsünüz. Bu küçük benekler evrenin doğuşundaki kuantum salınımlarına karşılık geliyor. Evrenin doğum anında görülen bu salınımlar, atomaltı parçacıklardan bile daha küçük enerji titreşimleriydi.

Buna rağmen kuantum salınımları evrene bugünkü şeklini verdi… Evren “saniyenin trilyonda birinin trilyonda biri yaşındayken”, evet bu inanılmaz ölçüde kısa zaman aralığında, söz konusu kuantum salınımları evrene damgasını vurdu… Ve o günün mikroskobik kuantum salınımları, evrenin genişlemesiyle birlikte bugünün galaksileri oldu!

İşte bu yüzden Büyük Patlama madde ve enerjiyi evrene tümüyle eşit olarak dağıtamadı, çünkü evren daha büyük patlama anında “buruşmuştu”: Kuantum salınımları evren dediğimiz balonun yüzeyine kazınırken, evrenin boyutu atom çekirdeklerini oluşturan protonlardan daha küçüktü… Planck işte bu anın resmi çekti ve aşağıdaki sonuçlar ortaya çıktı:

 

1. Evren 13,82 milyar yıl yaşında, yani beklediğimizden 80 milyon yıl daha yaşlı.
2. Evren sandığımızdan biraz daha yavaş genişliyor ve bu yüzden ömrü uzun olacak.
3. Evrenin yüzde 4,9’u normal madde, yüzde 26,8’i karanlık madde ve yüzde 68,3’ü karanlık enerjiden oluşuyor

 

 

Evreni yırtmak

Evrende yeterli madde yoksa uzay boşluğu sonsuza dek genişleyecek ve evrendeki maddenin kütleçekim etkisi bunu bir dereceye kadar yavaşlatacak olsa bile, genişlemeyi asla durduramayacak. Evrenin genişlemesiyle birlikte gittikçe daha fazla galaksi Samanyolu’ndan gözlemlenebilen alanın dışında kalacak. 20 milyar yıl veya daha sonra galaksiler uzayda tek başına kalacak. Hiçbir galaksinin gözlemlenebilir evreni içinde kendisinden başka bir galaksi olmayacak. Uzayın genişlemesinin hızlanmasıyla birlikte galaksiler de dağılacak.

 

Evren sonsuza dek genişleyecekse galaksilerin, yıldızların ve gezegenlerin sonu belli… Evren 20 ila 32 milyar yıl sonra aşırı şişen bir balon gibi patlayarak yok olacak, maddeyi meydana getiren atomlar bile parçalarına ayrılacak: Çin Bilimler Akademisi’nin hesaplarına göre, nihai felaketten 33 milyon yıl önce galaksileri oluşturan yıldızlar uzaya savrulacak. Evrenin aşırı bir hızda genişlemesi yüzünden son iki ayda Dünya Güneş’ten kopacak, Güneş evrenin sonuna 28 dakika kala parçalanacak ve her şeyin sona ermesine 16 dakika kala Dünya da yok olacak.

Bilim adamları evrenin nihai akıbetini Büyük Yırtılma olarak adlandırıyor. Büyük Yırtılma, uzayın, kütleçekim kuvvetinin maddenin yapıtaşlarını bir arada tutamayacağı kadar hızla genişlemesidir. Planck’ın gözlemleri, Karanlık Enerjinin oranının beklenenden düşük çıkması nedeniyle “Büyük Yırtılma” anının 20 milyar yıldan daha sonra gerçekleşeceği ihtimalini güçlendirdi.

 

Karanlık Madde ile Karanlık Enerji, evrenin nasıl başladığını ve nasıl sona ereceğini, galaksilerin nasıl oluştuğunu anlamamız açısından büyük önem taşıyor. NASA’nın Uluslararası Uzay İstasyonu’na yerleştirdiği AMS detektörü, önümüzdeki yıllarda daha fazla veri toplayarak karanlık madde konusunu aydınlatacak. İsviçre’deki dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı CERN’ün 2015’te devam edecek olan deneylerinin de karanlık maddeyle ilgi ek ipuçları sağlaması bekleniyor.

 

 

 

 

Karanlık Maddenin Sırları 1 >> Uluslararası Uzay İstasyonu nihayet karanlık maddenin izlerini buldu

Karanlık Maddenin Sırları 3 >> Başka dünyalara açılan kapılar: Evrenin sınırları ve komşu evrenlere yolculuk 

 

 

Thor – Yggdrasil Ağacı