Türkler Karanlık Maddenin Peşine Düştü >> Gama ve X-ışınları Evren’deki gizemli karanlık maddeyi gösteriyor

Fizikçiler bugünlerde çifte bayram yapıyor: Önce Fermi Gama Işını Uzay Teleskopu, galaksimizin merkezinden gelen gama ışınlarında karanlık madde izleri buldu. Egzotik karanlık maddeyi oluşturan parçacıklar (WIMP’ler) uzayda birbiriyle çarpışarak yok oluyor ve bu süreçte gama ışınları açığa çıkıyor.

İkinci sevindirici haber ise Amerika’da araştırmalarını sürdüren Dr. Esra Bülbül’den geldi: 73 uzak galaksiden elde edilen X-ışını verilerini inceleyen Bülbül, diğer bir egzotik karanlık madde çeşidi olan “steril nötrino” parçacığına ait izler buldu. Peki, egzotik karanlık madde nedir ve gama ışınları ile X-ışınları neden bu kadar önemli?

Karanlık madde Evren’deki maddenin yüzde 84’ünü oluşturuyor ve kendi etrafında dönen galaksileri bir arada tutarak yıldızların uzaya savrulmasını önlüyor. Uzayda karanlık madde olmasaydı, galaksilerle yıldız kümeleri asla oluşmayacak ve Dünya’da hayat ortaya çıkmayacaktı.

 

 

Hayatın kaynağı

Uzayda binlerce galaksiden oluşan dev gökada kümeleri bulunuyor. Bu kümelerin varlığını, karanlık maddenin sadece galaksiler arası uzun mesafelerde etkisini gösteren zayıf kütleçekim kuvvetine borçluyuz.

Karanlık madde uzayda galaksi kümeleri gibi büyük ölçekli yapıların ortaya çıkmasına izin verdi. Galaksiler olmasaydı, Evren’deki yıldızlarla bu yıldızların çevresinde dönen gezegenlerin kimyasal yapısı farklı olacaktı. Bu durumda hayatın beşiği olan Dünya gibi kayalık gezegenler hiç oluşmayacaktı.

 

 

Öte yandan, karanlık maddenin kütleçekim kuvveti kısa mesafelerde etki edecek kadar güçlü olsaydı, bütün yıldızlar çökerek kara deliğe dönüşecek ve Evren hayata elverişli olmayan kapkaranlık bir boşluk haline gelecekti

Ancak uzayda karanlık madde bulmak zor, çünkü adından da anlaşıldığı üzere karanlık madde yıldızlar gibi gece göğünde ışık saçmıyor. Karanlık madde ışığı oluşturan elektromanyetik kuvvetten etkilenmiyor ve bu açıdan biraz da kara deliklere benziyor.  Biz de Evren’deki karanlık maddenin haritasını çıkarmak için adli tıp dedektifleri gibi durmadan çalışıyor ve kozmik ipuçlarını araştırıyoruz.

 

 

 

Uzay dedektifleri

Güçlü kütleçekim kuvveti ile ışığı yutan kara delikleri teleskoplarla doğrudan göremiyoruz. Ancak kara deliklerin yerini uzaydaki dolaylı etkilerine bakarak tespit edebiliyoruz. Örneğin, kara delikler çevredeki ışığı balıkgözü kamera merceği gibi büküyor.

Karanlık madde de milyarlarca ışık yılı uzaktaki galaksilerin ışığını böyle halka şeklinde büküp çarpıtıyor. Astronomlar teleskoplarla uzayı tarayarak bu tür ışık oyunlarını gözlemliyor ve karanlık maddenin izini sürüyor.

 

 

Ayrıca uzaydaki gaz ve toz bulutlarını yutan kara delikler, içine düşen maddenin aşırı hızlanmasına ve hızlanırken de sıcaklığının milyonlarca dereceye ulaşmasına yol açıyor. Sarmallar çizerek kara deliğe düşmekte olan gaz diskleri, X-ışınları ve bazı durumlarda da güçlü gama ışınları yayıyor.

Evren’deki egzotik karanlık maddenin bir kısmını oluşturduğu düşünülen WIMP’ler de boşlukta birbiriyle çarpışarak yok oluyor ve bu enerjik patlamalar sırasında güçlü gama ışınları yayıyor. Bütün bunlar karanlık maddeyi doğrudan göremesek bile dolaylı yollardan yerini bulmamızı kolaylaştırıyor.

 

 

Gama ışını yağmurları

Astrofizikçiler 2008 yılında fırlatılan Fermi Gama Işını Uzay Teleskopu ile Evren’deki gama ışını patlamalarını incelediler ve beş yıllık süreyi kapsayan verileri analiz ettiklerinde, bazı gama ışını kaynaklarının WIMP’lere ait olduğu sonucuna vardılar.

WIMP’ler kütleçekim kuvveti dışındaki fizik kuvvetlerinden etkilenmediği için bunlara egzotik karanlık madde diyoruz. Fizik teorileri, Evren’deki karanlık maddenin büyük kısmının WIMP gibi “egzotik karanlık madde parçacıklarından” oluştuğunu gösteriyor.

 

 

 

Ancak uzayda başka gama ışını kaynakları da var: Süpernova halinde patlayan yıldızlar, çarpışan kara delikler ve nötron yıldızlarına ek olarak, galaksilerin merkezinde toz yutan süper kütleli kara delikler de gama ışınları yayıyor. Bunları WIMP’lerin yaydığı gama ışınlarından ayırmak gerekiyor.

Zaten Fermi uzay teleskopu sonuçlarının en heyecan verici yanı da bu. Yeni veriler, teleskopun gözlemlediği gama ışını parlamalarının gerçekten de karanlık maddeden, yani WIMP’lerden kaynaklandığı ihtimalini güçlendiriyor.

 

 

 

Çifte bayram

Sadece bu haber bile fizik camiasını ayağa kaldırmaya yeterdi, ama uzaydan gelen X-ışınları da karanlık maddeye ait izler taşıyor. Nasıl ki gama ışınları WIMP’lerin varlığına işaret ediyor, X-ışınları da diğer bir egzotik karanlık madde parçacığı olan “steril nötrino” izlerini taşıyor. Şimdi astrofizikçilerin bu enerjik ışınlara bakarak uzayda nasıl karanlık madde aradığını anlatalım. 🙂

Dan Hooper ve meslektaşları Fermi Gama Işını Uzay Teleskopu’nun son 5 yılda topladığı verileri karanlık madde açısından analiz ettiler ve 27 Şubat 2014’te bu sonuçları bilim camiasıyla paylaştılar.¹

Fermi teleskopu, Samanyolu Galaksisi’nin merkezinde ortaya çıkan ve 10 derecelik açıyla dört yönde 5000 ışık yılı mesafeye kadar yayılan güçlü gama ışınları gözlemledi. 10 derecelik açı ve ışınların her yöne dağılması çok önemliydi, çünkü bunlar gama ışınlarının karanlık maddeden kaynaklandığını gösteriyordu.

 

 

Şeytan ayrıntıda gizli

Irvine California Üniversitesi’nden fizik ve astronomi doçenti Kevork Abazajian keşfin önemini heyecanla açıklıyor: “Bunlar çok ilginç sonuçlar. Analizin en dikkat çekici yanı [gama ışını] sinyalinin 10 derecelik açıda gözlemlenen karanlık madde profiliyle uyuşması.”

Ancak bilim adamları tedbiri elden bırakmıyor ve Fermi teleskopunun karanlık maddenin varlığını kanıtlamadığını, ama bu ihtimali güçlendiren sonuçlar elde ettiğini özellikle belirtiyor. Peki Fermi teleskopunu nasıl test edebilir, gama ışınlarının gerçekten karanlık maddeden kaynaklandığını nasıl gösterebiliriz? Şansımıza bunun yanıtı basit.

Fermi’nin gözlemlediği gama ışınları kara delikler gibi genellikle galaksi disklerinde veya galaksilerin merkezinde yer alan gökcisimlerinden kaynaklanmıyorsa; yani bu ışınlar gerçekten karanlık maddeye aitse, Evren’de nereye bakarsak bakalım gama ışınları görmemiz gerekiyor. Örneğin Samanyolu Galaksisi’nin çevresinde dönen cüce galaksiler de uzaya zayıf gama ışınları yaymalı.

 

 

Neden cüce galaksiler?

Bütün galaksiler Samanyolu gibi 400 milyar yıldızdan oluşmuyor. Bazıları sadece birkaç yüz bin yıldızdan meydana geliyor. Bu küçük galaksilerin içinde az sayıda yıldız olması, aynı zamanda kara delikler ve hızlı dönen nötron yıldızları (atarcalar) gibi gama ışını kaynaklarının da az sayıda olması anlamına geliyor.

Kısacası, Samanyolu’nun uydu galaksilerinde gama ışınları görürsek, bunun karanlık maddeye ait olma ihtimali güçlenecek.

Fermi Ulusal Parçacık Hızlandırıcısı Laboratuarı ve Chicago Üniversitesi’nde araştırmaları sürdüren Dan Hooper konuyu şöyle açıklıyor: “Gözlemlediğimiz gama ışınları 10 – 15 yıldır hakkında makale yazdığımız klasik WIMP parçacıklarıyla ilgili öngörülerimizle gayet güzel uyuşuyor. Bahse varım ki bu ışınların kaynağı karanlık madde!”

 

 

Eteklerinde zil çalıyor

Hooper’ın 2009 yılında asistanı Lisa Goodenough’la birlikte galaksimizdeki gama ışını fazlalığını keşfettiğini ve bunu karanlık maddeyle ilişkilendirdiğini düşünürsek, profesörün sonuçlar için iddiaya girecek kadar kendine güvenmesi manidar.

Hooper bu konuda yalnız değil. New York Üniversitesi karanlık madde uzmanı Neal Weiner de “Kesinlikle heyecan verici bir buluş” diye ekliyor. “Ancak gerçekten heyecanlanmadan önce, cüce galaksilerde de gama ışınları görmek isteriz.” Nitekim önümüzdeki birkaç yıl içinde uzaya fırlatılacak olan yeni teleskoplar bu soruya cevap arayacak.

 

 

 

Neden egzotik karanlık madde?

Fizikçiler karanlık madde derken öncelikle egzotik karanlık maddeyi kast ediyor ve bu önemli bir ayrım. Çünkü uzayda ışık saçmayan soğuk ve karanlık gaz bulutsuları, kara delikler, küçük ve görünmez asteroitler de var. Teorik olarak bunlar da karanlık madde sınıfına girebilir.

Öte yandan bu yazının konusu olan egzotik karanlık madde, biz insanları ve dünyamızı oluşturan normal maddeden çok farklı özelliklere sahip bulunuyor. Ne gibi sıra dışı özellikler bunlar? Bir kere egzotik karanlık madde ışık yaymayan ve ışığı soğurmayan parçacıklardan meydana geliyor.

Bu parçacıklar, elektromanyetik kuvvet ve atom çekirdeklerini bir arada tutan güçlü nükleer kuvvetten etkilenmiyor. Ancak, karanlık madde parçacıkları uzun mesafelerde kütleçekim kuvveti uyguluyor ve böylece galaksilerin şekliyle Evren’deki dağılımını belirliyor.

 

 

Kozmik heykeltıraş

Yaklaşık 93 milyar ışık yılı çapındaki Gözlemlenebilir Evren, dev bir görünmez karanlık madde ağıyla kaplı. Örümcek ağına benzeyen karanlık madde ağını gözümüzle göremiyoruz; ama bu ağın düğüm noktalarında, binlerce galaksiden oluşan milyonlarca ışık yılı çapındaki süper galaksi kümeleri bulunuyor. Ağın ipliklerinde ise, 100 milyonlarca ışık yılı mesafede ip gibi dizilmiş binlerce ve binlerce galaksi yer alıyor.

Galaksiler karanlık madde ağının kollarında toplanıyor. Ağın içindeki boşluklar ise gerçekten boş. Bunlar milyarlarca ışık yılı çapındaki bir alana yayılan ve neredeyse tümüyle boş olan bölgeler. İçlerinde ne kayda değer sayıda galaksi ne de bir yıldız var.

Egzotik karanlık madde birçok sıra dışı parçacıktan oluşuyor. Bu parçacıklardan biri de WIMP’ler. WIMP’ler kütleçekim kuvvetine ek olarak zayıf nükleer kuvvetten de etkileniyor ve adını bu özellikten alıyor (Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacıklar).

 

 

Gama ışını yağmurları

Karanlık madde teorilerine göre, WIMP’ler birbiriyle temas ettiği anda tıpkı madde ve anti madde gibi yok oluyor. Bu da Evren’de gama ışını yağmurları oluşturuyor. Bilim adamları ışınların şiddetine bakarak, bunların karanlık maddeden kaynaklanıp kaynaklanmadığını anlıyor.

Gama ışınlarının şiddeti aynı zamanda WIMP’lerin kütlesini gösteriyor. Böylece fizikçiler hangi karanlık madde teorisinin doğru olduğunu test etme olanağına kavuşuyor. Örneğin Fermi sonuçları, 35 ve 10 giga-elektronvolt (GeV) ölçüsündeki enerji değerlerini gösteriyor.

Teorilere göre, 35 GeV şiddetindeki gama ışınları, WIMP’ler parçalanıp kuarklara dönüştüğü zaman ortaya çıkıyor. 10 GeV şiddetindeki ışınlar ise, WIMP’ler parçalanıp tau parçacıklarına dönüştüğünde uzaya yayılıyor. Şu anda 35 GeV’lik enerji değeri, karanlık madde teorileriyle en uyumlu sonucu sağlıyor.

 

 

Türkler karanlık madde peşinde

Bilim adamları gama ışınlarından karanlık madde çıkarmaya uğraşırken sevindirici bir haber de X-ışınlarından geldi. Uzak galaksilerden yayılan 7 kilo-elektrovolt (KeV) gücündeki X-ışınları, egzotik karanlık maddeyi oluşturan başka bir parçacığın varlığına, yani normal nötrinolardan çok daha “ağır” olan steril nötrinolara işaret ediyordu.

Harvard-Smithsonian Astrofizik Araştırma Merkezi’nde görevli Dr. Esra Bülbül, NASA’dan aldıkları araştırma desteğiyle uzayda 73 galaksi kümesinin X-ışın tayflarını inceleyerek, karanlık maddeyle ilgili önemli bulgulara ulaştıklarını söylüyor.

Steril nötrinolar, Bülbül’ün incelediği X-ışınlarına yol açıyor ve Evren’deki maddeyi pek az etkileyen nötrinolardan bile daha az etkileşime giren bu parçacıkların oldukça ilginç bir öyküsü var:

 

 

 

Evrenin tutkalı

Dr. Bülbül’ün ifade ettiği gibi, karanlık maddenin öyküsü 1930’larda İsveçli astronom Fritz Zwicky ile başladı. Zwicky, galaksileri oluşturan maddenin yalnızca yüzde 15’nin normal maddeden meydana geldiğini göstermişti. Geri kalan madde görünmez olmalıydı, çünkü teleskoplar tarafından tespit edilemiyordu. Bilim adamları bunu karanlık madde olarak adlandırdı.

Esra Bülbül bu buluşun önemini şöyle açıklıyor: “Geriye kalan yüzde 85 oranındaki kütleyi karanlık madde olarak adlandırıyoruz. Karanlık madde doğrudan gözlemlenemeyen, fakat dolaylı yollardan var olduğunu bildiğimiz bir şey ve son zamanlarda astrofizikçilerle evrenbilimcilerin üzerinde çalıştığı en heyecan verici konulardan biri.”

Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi’nden Dr. Bülbül’le ekibi, Chandra ve XMM-Newton uzay teleskoplarından gelen verileri inceledi ve araştırma sonuçlarını 10 Şubat 2014’te yayınladı.² Bir hafta sonra da Hollanda Leiden Üniversitesi’nden Alexey Boyarsky ve ekibi, Andromeda Galaksisi’nde karanlık maddenin varlığına işaret eden X-ışını gözlem sonuçlarını açıkladı.

 

 

Cüce galaksi bilmecesi

X-ışınları steril nötrinolardan kaynaklanıyorsa, bu buluş fizik biliminde büyük bir gizemi de çözecek: Cüce galaksilerin nasıl meydana geldiği konusu.

Evren’deki bütün büyük galaksiler, örneğin içinde yaşadığımız Samanyolu Galaksisi ile yaklaşık 3 milyar sonra çarpışacağımız dev Andromeda Galaksisi hep cüce galaksileri yutarak büyüdü ve bugünkü boyutlarına ulaştı.

Galaksiler milyarlarca yıllık süre içinde bunu yaptılar, çünkü cüce galaksileri yutacak kadar büyük bir kütleye sahiptiler. Peki cüce galaksiler nasıl oluştu? Büyük gökadaların cüce galaksilerin birleşmesiyle meydana geldiğini biliyoruz, ama cüce galaksilerin diğer gökadalarla birleşecek kadar güçlü bir kütleçekim alanı oluşturmadığını da biliyoruz.

 

 

Büyük balık küçük balığı yutar

Cüce galaksilerin içinde az sayıda yıldız var ve yıldızların sayısı, bu galaksilerin neden boyundan büyük bir kütleye sahip olduğunu açıklamaya yeterli değil. İşte aradaki bu boşluğu karanlık madde dolduruyor. Karanlık madde, cüce galaksilerdeki “eksik kütleyi” tamamlayarak evdeki hesabı çarşıya uyduruyor. Karanlık madde olmasaydı, Evren’de daha büyük galaksiler oluşmayacaktı. Bu çok önemli bir nokta.

Öyle ki büyük galaksiler olmasaydı, Güneşimiz gibi metal bakımından zengin ikinci kuşak yıldızlar da oluşmayacaktı. Aslında bugün Evren’de çok az sayıda yıldız ve gezegen oluşacaktı. Çünkü uzayda yeni yıldız oluşumunu tetikleyen büyük galaksi çarpışmaları yaşanmayacaktı. Evren’de doğan ilk kuşak yıldızların çoğunun 5 milyar yıl önce öldüğünü düşünecek olursak bunu daha iyi anlıyoruz.

Sonuçta genç yıldızlar, yeni güneş sistemleri ve yeni dünyalar demek. Yeni dünyalar da hayatın ortaya çıkması için yeni fırsatlar demek. Ancak bazı teorilere göre, karanlık madde Evren için hayatın ortaya çıkmasından çok daha büyük bir önem taşıyor. Öyle ki karanlık madde olmasaydı, Evren doğar doğmaz yok olacaktı! Bunu açıklamak için Esra Bülbül’ün araştırdığı steril nötrinolara geri dönelim.

 

 

Anti madde muamması

Steril nötrinolar, normal nötrinoların neden bu kadar küçük bir kütleye sahip olduğunu açıklayabilir. Aslında bu sayede, Evren’in neden anti maddeden değil de bildiğimiz maddeden oluştuğu sorusunu da yanıtlayabilir. Çünkü madde ve anti madde temas edince birbirini anında yok ediyor.

Büyük Patlama’nın ardından Evren’de eşit miktarda madde ve anti madde yaratılsaydı, bütün Evren dev bir gama ışını patlamasıyla yok olacaktı. Oysa Evren’de sıradan madde miktarı anti madde miktarından biraz daha fazlaydı ve eşit miktarda madde ile anti maddenin birbirini yok etmesinden sonra geriye kalan “az sayıda” parçacık, bugünkü Evren’i meydana getirdi.

 

 

Evren’in doğumundaki “anti madde savaşlarının” boyutunu hayal etmek istiyorsak, gözlemlenebilir evrenin bugün 93 milyar çapında olduğunu hatırlayalım. Oysa Evren oluştuğunda, içinde yaklaşık iki kat daha fazla madde ve buna eşit miktarda anti madde vardı.

Evren’deki yüz milyarlarca galaksiyi oluşturan madde ve karanlık madde, aslında Evren’in doğumundaki dev anti madde patlamasından geriye kalan küçük bir kırıntıdan ibaret ve bu da bize yaradı.

Evren’de anti madde olmasaydı bugün uzayda iki kat fazla yıldız, nötron yıldızı ve kara delik olacaktı. Bütün bunların yaydığı şiddetli radyasyon, Dünya’da hayatın ortaya çıkmasını engelleyecekti.

 

 

 

 

Yeni uzay teleskopları

2015’te fırlatılacak olan süper hassas Astro-H teleskopu, X-ışınlarındaki en ufak değişikliği bile ölçmek üzere tasarlandı. Bu hassas ölçümler, X-ışınlarının gerçekten karanlık maddeden kaynaklanıp kaynaklanmadığını anlamamızı sağlayacak.

Buradaki espri, karanlık madde parçacıklarının yok olma hızını (bozunma hızını) gözlemlenen X-ışını şiddetiyle bağdaştırmak. Veriler uyuşuyorsa, steril nötrinolardan oluşan karanlık maddenin varlığını ispat etmiş olacağız.

 

 

 

Parçacıkların bozunma hızı bize steril nötrinoların sayısını da veriyor: Parçacıkların yok olma hızına göre, steril nötrinolar karanlık maddenin yüzde 1 ila yüzde 100’ünü oluşturabilir. Tabii bu ikinci durumda WIMP’lerin var olmadığını, bütün karanlık maddenin steril nötrinolardan oluştuğunu kabul etmemiz gerekecek. Ancak, Abazajian’ın çok daha iddialı bir beklentisi var: Ya iki sinyal de doğruysa?

Bu durumda karanlık maddenin hem gama ışınlarına yol açan WIMP’lerden hem de X-ışınları yayan steril nötrinolardan oluştuğunu kabul etmek zorunda kalacağız ve elbette, WIMP’lerle steril nötrinoların birbirine oranını ölçmemiz gerekecek. Abazajian’ın dediği gibi, “Her iki sinyal de karanlık madde olabilir. Çılgınca bir fikir ama mümkün.”

Kısacası “Aman canım! Göremediğim karanlık maddeyi ben ne yapayım?” deyip geçmeyin. Hem Evren’in varlığını hem de Dünya’da hayatın ortaya çıkmasını, içimizden biz hiç fark etmeden geçip giden zayıf etkileşimli karanlık madde parçacıklarına borçluyuz. 🙂

 

 

Karanlık Madde ve Cüce Galaksiler

 

 

 

Karanlık Maddenin Sırları

 

 

 

¹http://arxiv-web3.library.cornell.edu/pdf/1402.6703.pdf

²Detection of An Unidentified Emission Line in the Stacked X-ray spectrum of Galaxy Clusters: Esra Bulbul, Maxim Markevitch, Adam Foster, Randall K. Smith, Michael Loewenstein, Scott W. Randall, arXiv:1402.2301v1 [astro-ph.CO].