Karanlık Toz ve Yeni Değişken Yerçekimi Teorisi

Galaksilerin oluşumunu karanlık madde yerine Karanlık Toz ile açıklayan yeni değişken yerçekimi teorisi RelMOND nasıl işliyor? Bunu görmek için evrenin başlangıcına ve galaksilerin nasıl oluştuğuna geri dönelim. Karanlık maddeyi 13,4 milyar yıl önce ilk galaksilerin oluşumunu ve bugün de galaksilerdeki yıldızları bir arada tutan ek yerçekimini açıklamakta kullanıyoruz ama görünmez karanlık maddeyi bir türlü bulamadık. Büyük patlamadan kalan ışıkla uyumlu olan yeni Karanlık Toz RelMOND teorisi ise evrenin oluşumunu karanlık madde olmadan açıklıyor. Peki nasıl çalışıyor?

Karanlık madde yerine karanlık toz

20 yıldır arıyor olmamıza rağmen karanlık maddeyi bulamamış olmamızdan yola çıkan bir grup fizikçi karanlık madde diye bir şey olmadığını düşünmeye başladı. Başta Hollandalı fizikçi Erik Verlinde olmak üzere karanlık maddenin bir yanılsama olduğuna inanan yeni ekol fizikçiler, Einstein’ın görelilik teorisiyle tanımlanan yerçekimini değiştirmeye karar verdi. Karanlık maddeyi yerçekiminin davranışını değiştirerek açıklamaya çalışan teorilere Modifiye Newton Dinamiği kuramları diyoruz (kısaca MOND).

Oysa yerçekiminin galaksiler arasında biraz zayıf ama galaksilerin içinde biraz güçlü olduğunu savunan Mond teorileri, yerçekimi şiddetinin tüm mesafelerde aynı olduğunu söyleyen görelilik teorisine aykırıdır. Üstelik MOND teorileri de bugüne dek bebek evrende galaksilerin nasıl oluştuğunu açıklayamadı. Böylece fizik yeniden krize girdi: Bir yandan karanlık maddeyi bulamıyoruz ve diğer yandan ona karşı çıkan MOND teorilerini kanıtlayamıyoruz. Peki ne yapacağız?

Bu sorunun çözümünü MOND teorilerini sert eleştiren iki fizikçi bulmuş olabilir: Orta Avrupa Kozmoloji ve Temel Fizik Enstitüsü’nden Profesör Tom Złosnik ve Constantinos Skordis, MOND’un devamı olarak Karanlık Toz takma adlı yeni değişken (ayarlanmış) yerçekimi teorisini RelMOND’u geliştirdiler. Karanlık Toz hem bugünkü galaksilerin içyapısını hem de 13,4 milyar yıl önce nasıl oluştuklarını açıklıyor. Üstelik bunu büyük patlamadan kalan ilk ışıkla uyumlu olarak yapıyor. Biz de önce karanlık tozu görelim ve sonra evrenin oluşumunu açıklamak için karanlık madde ile karanlık toz yerine bambaşka bir teori geliştirmek gerekip gerekmediğine bakalım.

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

 

Karanlık toz nedir?

Bunun için büyük patlamadan kalan ses dalgalarını hatırlayalım: Büyük patlamadan hemen sonra evren milyonlarca derece sıcaklıktayken madde o kadar yoğundu ki X-ışınları bile mekanik ses dalgaları olarak yayılıyordu. Doğrusu nükleer enerjiyi araştırmaya başladığım günden beri bu özelliğe hayranım ama kozmik ses dalgalarını önce karanlık maddeyle açıklayalım: 😊

Evrenin ilk dakikasında etkili olan ses dalgalarının bugünkü galaksiler ve galaksi kümelerini oluşturacak kadar güçlü olmasını karanlık maddeye borçluyuz. Karanlık madde bizi oluşturan normal maddeden neredeyse beş kat fazla olup güçlü yerçekimine sahiptir. Öyle ki büyük patlamada oluşan kuantum salınımları evrende plazma halinde bulunan maddeyi kaynar su gibi kabarcıklar halinde çalkalarken en büyük kabarcıkların şeklini korumasını karanlık madde sağladı. Bu ne demek derseniz:

Büyük patlamadan kalan ses dalgalarından etkilenen kabarcıklar bugün 500 milyon ışık yılı çapındaki bir bölgede 100 bin galaksi içeren süper galaksi kümelerine dönüştü. Karanlık madde olmasaydı madde evrene o kadar eşit dağılacaktı ki yıldızlar ve galaksiler oluşturacak şekilde topaklanamayacaktı. Uzayı saran moleküler hidrojen ve helyum bulutları o denli seyrek olacaktı ki asla kendi ağırlığıyla içe çökerek yıldızları oluşturmayacaktı. Pratikte dev birer yıldız ada olan galaksiler de ortaya çıkmayacaktı.

Bu karanlık maddenin birinci katkısı

Ancak, ikinci katkısı da çok kritik: Sarmal gökadalardaki galaksi disklerini oluşturan yıldızlara baktığımız zaman (galaksi, gökada ve yıldız ada eş anlamlıdır) bunların galaktik merkezdeki süper kütleli kara deliklerin çevresinde çok hızlı döndüğünü görüyoruz. Oysa süper kütleli kara deliklerin yerçekimi bile yıldızları tutmaya yeterli değil; ama yıldızlar uzaya savrulmuyor ve galaksiler dağılmıyor. Klasik teorilerde galaksileri bir arada tutan ek yerçekimini görünmez karanlık madde sağlıyor. Bunlara Lambda Soğuk Karanlık Madde (LCDM) teorileri diyoruz. Peki neden soğuk VE görünmez karanlık madde? Yeni karanlık tozu anlamak için bunu da görelim:

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Neden karanlık madde?

Karanlık maddenin normal maddeden 5 kat fazla olduğunu söyledik ama normal madde gibi yerçekimi yaratıyor olamaz. Yoksa o kadar güçlü yerçekimi alanları oluştururdu ki madde galaksiler oluşturmak yerine kara delik halinde çökerdi. Bizzat karanlık madde büyük patlamadan sonra süper kütleli kara deliklere dönüşürdü ki evrende 6 kat fazla kara delik olması gerekirdi. Oysa kara delikler ancak maddeden oluşacakları kadar az sayıda ve şey… galaksiler var, biz de Samanyolu’nda yaşıyoruz.

Bu durumda karanlık madde kısa mesafelerde galaksileri bir arada tutacak kadar zayıf ama onları kara deliğe dönüştürmeyecek kadar güçlü yerçekimine sahip olmalı. Üstelik galaksi kümelerini bir arada tutacak kadar güçlü yerçekimi yaymalı. İkincisini açıklamak kolay: Uzayda maddeden 5 kat fazla karanlık madde var ve seyrek karanlık madde bulutlarının içinde de galaksi kümeleri oluştu dersiniz.

Gelgelelim birincisini açıklamak zor; yani karanlık maddenin karanlık madde galaksileri oluşturmamış veya kara deliğe dönüşmemiş olmasını… Bilim insanları bu yüzden karanlık maddenin elektromanyetik kuvvetten ve dolayısıyla da bu kuvvetin taşıyıcısı olan fotonlardan (ışıktan) etkilenmediğini düşündüler. Işıktan etkilenmeyen karanlık madde normal madde gibi topaklanıp kara deliğe dönüşmezdi. Bunun diğer sonucu ise karanlık maddenin görünmez olmasıydı. 😮

Fizikçiler uzaydaki karanlık madde dağılımını galaksilerin sayısı ve dağılımıyla bağdaştırmak için çok sayıda karanlık madde türü geliştirdiler. Steril nötrino, karanlık madde kara delikleri, WIMP parçacıkları ve aksiyonlar (axion). Tabii bunların hiçbirini bulamadık. Sadece karanlık maddenin soğuk olması gerektiğini söyleyen LCDM modelinde anlaşabildik. Bu da bizi yeni karanlık toz teorisine getiriyor:

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Karanlık toz ve değişken yerçekimi

Değişken yerçekimi teorileri (MOND’lar) yerçekiminin şiddetinin uzaklığa bağlı olarak değiştiğini öne sürer. Buna göre galaksiler gibi birkaç yüz bin ışık yıllık kısa mesafelerde (!) yerçekimi görelilik teorisinde öngörülenden daha güçlüdür. Galaksiler arası uzayda ise daha zayıftır. Böylece sorunu çözer ve MOND teorilerden birini seçip karanlık madde yerine kullanırsınız değil mi? O kadar kolay değil:

Evrensel yerçekimi sabitini gözlemlemenin (G), yani yerçekiminin şiddetini ölçmenin yolları var: Çarpışan nötron yıldızlarının dansına ve yaydığı kütleçekim dalgalarına bakarsınız… Nötron yıldızlarının çevresinde dönen beyaz cücelerin kütleçekim dalgası yayıp enerji kaybederek nötron yıldızıyla nasıl çarpıştığına bakarsınız (bunun sonu kara deliğe dönüşmektir). 5 yıl öncesine dek bunu yapamıyorduk ama bilim insanları kütleçekim dalgaları gözlemevi LIGO aygıtlarını yenilediler.

Yeni hassas lazer girişimölçerleri nötron yıldızı ve beyaz cücelerin yaydığı kütleçekim dalgalarını tespit etti. Peki sonuç? Yerçekimi kısa mesafelerde Einstein’ın görelilik teorisinin öngördüğü gibi işliyordu. Bu durumda yerçekimi sizinle benim aramda normaldi. Yıldızlar arasında normalden güçlü ve galaksiler arasında biraz zayıftı. Ne kadar çok ince ayar var değil mi? Özetle LIGO gözlemleri birçok MOND teorisinin yanlış olduğunu gösterdi ve böylece sıra karanlık toza geldi.

Karanlık toz teorisine göre yerçekimi uzak mesafelerde kum tanelerinden oluşan dev bir toz bulutu gibi davranıyor. 😮 Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, yerçekimi madde değil ki! Nasıl kum tanesi olsun?” Haklısınız. Karanlık toz teorisi evrene yeni bir kuantum alanı ekliyor ve bu enerji (?) alanı yerçekiminin uzak mesafelerdeki davranışını değiştiriyor (kuantum alanlarının etkileşimi için Planck uzunluğu ve hiçliğin fiziği yazılarını okuyabilirsiniz).

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Karanlık toz ve çarpışan galaksiler

Karanlık toz RelMOND teorisinin en başarılı yanı ilk galaksilerin oluşumu ve bugünkü galaksilerin yapısını açıklaması değildir. Gerçi bunu LCDM kadar iyi yapıyor ki bu da büyük başarı. Oysa karanlık tozun gerçek başarısı bütün bunları büyük patlamadan gelen ilk ışığın kalıntısı olarak bugün bütün uzayı saran kozmik mikrodalga artalan ışıması (CMB) haritasıyla uyumlu olarak yapmasıdır. Açıkçası Profesör Złosnik ve Skordis’in karanlık tozu MOND’ların yeniden ciddiye alınmasını sağladı.

Oysa bu iş burada bitmedi. Bir teorinin bilimsel olması için bilimsel olarak test edilebilen öngörülerde bulunması gerekir. Karanlık toz da çarpışan galaksilerin yeni yıldızlar oluşturmasını sağlayacak gaz ve toz bulutlarını neden kaybettiğini açıklamak zorunda.

Kolay gelsin! Henüz bunu yapamıyor ki galaksilerin bu şekilde kilo kaybederek yeni yıldız doğurma yeteneğini kaybettiğini ve bir anlamda öldüğünü biliyoruz. Galaksiler çarpışırken içerdiği gazlar görünmez bir duvara çarpmış gibi galaksinin gerisinde kalıyor. Galaksiler bu sırada adeta soğan kabuğu gibi soyuluyor. Oysa yıldızlar bu görünmez duvarın içinden engellenmeden geçiyor ve galaksi çarpışmaları tamamlanıyor. Neler oluyor?

Karanlık madde teorisine göre galaksiler kendinden birkaç kat büyük görünmez karanlık madde kozalarına sarılıdır. Karanlık madde seyrek, yerçekimi zayıf ama etkilidir. Çarpışan galaksilerin gaz bulutları karanlık madde perdesine çarparak engellenir ama yıldızlar küçük ve yoğun cisimlerdir. Çarpıştıkları galaksinin karanlık madde kozasından engellemeden geçer. İşte karanlık tozun bunu açıklaması lazım. Şimdilik yapamıyor. Bu da bizi yazının başındaki son soruya getiriyor: Yoksa hem Mond hem de karanlık madde teorileri yanlış olabilir mi? Üçüncü çözüm mü lazım? Bunu da görelim:

İlgili yazı: Natron Gölü Kuşları Nasıl Taşa Çeviriyor?

 

Karanlık madde değişken yerçekimine karşı

Buraya dek karanlık madde teorisinin daha güçlü olduğu izlenimini edindik ama aslında hiçbir karanlık madde teorisi bugün görülen galaksilerin şeklini ve yıldız yörünge hızlarını tam olarak açıklayamıyor. Bunun sebebi Heisenberg’in belirsizlik ilkesi. Evrende düzen var ama çok sayıda istisna da var. Galaksiler de öyle: Kendine özgü bir şekilde dönen birçok çubuklu sarmal ve sarmal galaksi var. Oysa karanlık maddeye göre yıldızların dönüş hızları ortalama olarak aynı. Bu ne demek derseniz:

Galaksilerde karanlık madde olmasa merkeze uzak yıldızlar yavaş ve yakın yıldızlar daha hızlı dönerdi; ama görüyoruz ki uzak yıldızlar da neredeyse yakın yıldızlar kadar hızlı dönüyor. Ancak, galaksiden galaksiye yıldız hızlarının daha fazla değişmesi gerekir. Karanlık madde bilgisayar simülasyonlarında ise yıldız yörünge hızları hemen hemen aynıdır. Bu birinci sorun.

İkinci sorun karanlık madde teorisine göre evrende daha çok cüce ve uydu galaksi olmalı. Nitekim son bilgisayar simülasyonlarında eski simülasyonlardan daha fazla küçük galaksi çıkıyor ama bu sayı şimdilik karanlık madde etkisini göstermeye yeterli değil. Galaksimizin içinde bulunduğu 10 ışık yılı çaplı yerel gruptaki cüce galaksi sayısı da beklenenin altında çıkıyor. Şimdi üçüncü soruna, yani çarpışan galaksilere geçelim:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Karanlık toz ve cüce galaksiler

Aşağıdaki resimde çarpışan galaksi kümelerindeki madde ve karanlık madde dağılımını görüyorsunuz. Yapay renklendirmeli resimde kırmızılar yıldız ışığı olup normal madde dağılımını gösteriyor (hidrojen bulutları ve yıldızlar). Mavi bölgeler ise görünmez karanlık maddenin yerçekimi merceği etkisiyle ışığı büktüğü ve varlığını dolaylı yoldan gösterdiği bölgelere karşılık geliyor.

Oysa karanlık madde ile gaz ve toz bulutunun dağılımı simetrik değil. Karanlık madde perdesinin engellediği gazların perdeyle aynı hizada olması gerekirken öyle olmadığını görüyoruz. Dolayısıyla çarpışan galaksi kümelerini karanlık madde lehine ve karanlık toz değişken yerçekimi teorileri aleyhine kullanamayız. Yoksa kullanabilir miyiz?

Değişken yerçekimi teorilerinin (MOND) evrene yeni bir kuantum alanı etkileyerek yerçekiminin görelilik teorisinde öngörülen davranışını değiştirdiğini söylemiştik ama bütün kuantum alanlarının kendi parçacığı vardır. Dolayısıyla MOND teorilerinin de evrene yeni parçacıklar eklemesi lazım. Değişken yerçekimi teorileri de kendine özgü karanlık maddesini yaratmalı. İşte bu nedenle galaksi çarpışmalarını da yeni değişken yerçekimi teorisi RelMOND karanlık toz lehine kullanabiliriz.

Yoksa kullanamaz mıyız? Ya hem karanlık madde hem de değişken yerçekimi kısmen doğruysa? Örneğin karanlık madde süper sıvı özellikleri gösteriyorsa? Biliyorsunuz su hava soğukken donarak katılaşır ve buza dönüşür. Normalde sıvıdır ve sıcakta kaynayarak buhar olur. Belki karanlık madde de böyledir: Galaksilerin sıcak diskinde faz değişikliği geçirip güçlü yerçekimi alanları yaratıyor ama galaksiler arasındaki uzayda soğuyup hiç direnç göstermeden akan süper sıvıya dönüşebilir.

İlgili yazı: İnsan ve Doğada Evrimi Gösteren 5 Kanıt

 

İyi de süper sıvı nedir?

Süper sıvıları mutlak sıfırda sıvı helyum ve karanlık madde süper sıvı mı yazılarında okuyabilirsiniz; ancak özetle karanlık madde süper sıvıya dönüşebiliyorsa hem LCDM karanlık madde teorisi hem de karanlık toz dahil bütün MOND teorileri yanlıştır. Bunun yerine ikisini birleştiren yeni bir süper sıvı karanlık madde teorisini kullanmak gerekir ama bu teori de henüz kanıtlanmadı.

Özellikle de uzay boşluğunda süper sıvıların nasıl oluştuğunu bilmediğimiz için zorlanıyoruz. Yine de bu yaklaşım karanlık madde paradoksunu çözmenin iyi bir yolu gibi görünüyor (gelecek yazılarda anlatacağım). Peki ya yerçekimini taşıyan graviton parçacığının kütlesi varsa? Yoksa cüsseli yerçekimi karanlık maddeyi açıklayabilir mi? Onu da şimdi görebilir ve sicim teorisinde yerçekimi şiddetini azaltan 7 ek uzay boyutuna hemen bakabilirsiniz. İyi bayramlar ve sağlıklı günlerde mutlu tatiller! 😊

Yeni yerçekimi teorisi

¹A new relativistic theory for Modified Newtonian Dynamics
²A general class of gravitational theories as alternatives to dark matter where the speed of gravity always equals the speed of light
³Strong lensing with superfluid dark matter
⁴The Redshift-Dependence of Radial Acceleration:Modified Gravity versus Particle Dark Matter (pdf)