Yeni Karanlık Güç ve Öz Etkileşimli Karanlık Madde
Neden küçük galaksileri saran karanlık madde kozalarında hemen hiç karanlık madde yok? Astrofizikçiler bunu açıklamak için KARANLIK GÜÇ teorisini geliştirdiler. Buna göre görünmez karanlık madde parçacıkları normal maddeyle olmasa da kendi arasında karanlık güç denilen yeni bir fizik kuvvetiyle etkileşim kuruyor. 😮
Karanlık güç ve mini aylalar
Öte yandan diğer fizikçiler uzayda başıboş gezen ve galaksi kümeleri büyüklüğünde değil de gezegenle güneş sistemi büyüklüğünde olan mini karanlık madde kozaları (aylaları) öngörüyor. Bunlar da küçük galaksileri saran karanlık maddenin neden beklenenden az olduğunu açıklayabilir. Peki karanlık madde gerçekten o kadar karanlık mı? Yoksa karanlık güç teorisi uyarınca karanlık madde aslında aydınlık madde mi? Çarpışan galaksilerin birbirinden çaldığı karanlık maddenin izini sürelim.
İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler
Karanlık güç ve sarmal galaksiler
Evrende bir sorunumuz var: Sarmal galaksi kollarındaki yıldızlar galaktik merkezlerdeki süper kütleli kara deliklerin çevresinde frizbi gibi ama beklenenden çok hızlı dönüyor. Normalde merkezkaç kuvveti gereği merkezden uzak yıldızlar daha yavaş ve yakın yıldızlar daha hızlı döner. Oysa Samanyolu gibi çubuklu sarmal ve diğer sarmal galaksilerde uzak yıldızlar neredeyse yakın yıldızlar kadar hızlı dönüyor.
Üstelik galakside görünen yıldız ve gezegenler gibi normal maddenin kütlesi (yerçekimi) bu hızı sağlamaya yeterli değil. Bu nedenle galaksiyi saran görünmez karanlık madde var diyoruz. Karanlık madde görünmez; çünkü karanlık madde parçacıkları ısı ve ışık üretilmesini sağlayan elektromanyetik kuvvetle etkileşime girmiyor. Oysa yıldızların dönme hızının dağılımına bakınca karanlık maddenin galaksileri onlardan 3-4 kat büyük ve çok daha ağır bir koza halinde sardığını görüyoruz.
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Karanlık güç ve çarpışan galaksiler
Dahası çarpışan galaksilerin içerdiği dev hidrojen bulutsularının galaksileri saran görünmez karanlık madde duvarına çarparak galaksilerin gerisinde kaldığını görüyoruz. Sonuçta çarpışan galaksiler tek tek yıldızlar ve gaz bulutlarından meydana gelen boşluklu yapılar olduğu için birbirinin içinden geçiyor, iç içe geçiyor ama hidrojen gazı karanlık maddeye çarparak geride kalıyor.
Karanlık madde sadece yerçekiminden ve belki de zayıf kuvvetten etkilendiği için (Zayıf Etkileşimli Cüsseli Parçacıklar WIMP) normal maddeden yapılan gazlar gibi geride kalmıyor. Bu yüzden karanlık maddenin galaksi katili olduğunu söylüyoruz; çünkü çarpışma sırasında galakside yeni yıldızlar doğuracak olan gazı çekip alıyor. Bu galaksiler zamanla yıldız oluşumunu durdurup ölüyor.
“Karanlık madde yoktur, bunun yerine yerçekimini açıklayan görelilik teorisini değiştirmeliyiz” diyen değiştirilmiş yerçekimi teorileri (MOND) galaksi çarpışmalarında hidrojen gazının neden geride kaldığını açıklayamıyor. Bunun için evrende elektromanyetik kuvvetten etkilenmeyen egzotik görünmez karanlık madde parçacıkları olduğunu düşünüyoruz. Peki nerede bu karanlık madde?
Galaksi diskindeki yıldızların dönme hızı ve galaksilerin çarpışmasında geride kalan gaz miktarı evrendeki karanlık madde miktarını ölçmemizi sağlıyor. Süper galaksi kümelerinin büyüklüğü ile içerdiği galaksi sayısına bakarak karanlık maddenin evrenin yüzde 27’sini oluşturduğunu ve normal maddeden 5 kat fazla olduğunu görüyoruz.
Oysa bir sorun var
Küçük galaksileri saran karanlık madde kozası çok seyrektir. Biz de bu galaksilerde neden daha az karanlık madde olduğunu standart karanlık madde teorisiyle açıklayamıyoruz. Astrofizikçiler bunu açıklamak için yeni karanlık güç teorisini geliştirdiler:
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Karanlık madde fakiri 2 galaksi
Karanlık maddeyi açıklamak için yukarı sözünü ettiğim WIMP’ler gibi pek çok teorik parçacık geliştirdik ama karanlık madde parçacıklarını 30 yıldır bulamadık. Bu yüzden karanlık madde teorisi zaten krize girdi. Oysa şimdi 65 milyon ışık yılı uzaktaki iki galaksi beklenenden çok az miktarda karanlık madde içerdiği ortaya çıktı.
İtalya’daki Gran Sasso Ulusal Laboratuarları’nda bulunan DAMA/Nal gözlem aygıtı galaksileri saran görünmez karanlık madde kozasını ölçtü ve iki galakside hemen hiç karanlık madde olmadığını ortaya çıkardı. Bunu çözmek için geliştirilen yeni karanlık güç teorisini açıklamak için önce standart karanlık madde teorisini özetleyelim:
Soğuk Karanlık Madde (CDM) teorisine göre karanlık madde parçacıkları yalnızca yerçekimiyle etkileşime girdiği için birbiriyle hemen hiç çarpışmaz ve ışıktan etkilenmediği için haliyle ısınmaz. Bunlar evrende 500 milyon ışık yılı çapında düğümler meydana getiren ve bütün evreni saran görünmez bir balık ağı oluşturur. Galaksiler bu ağın iplikleri üzerine gerdanlıktaki inci taneleri gibi dizilir veya düğüm noktalarında toplanarak süper kümeler oluşturur. Bazen bu galaksiler birbiriyle çarpışır:
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Karanlık güç ve galaksilerin valsı
Galaksiler her zaman kafa kafaya çarpışmaz. Bazen sadece birbirinin yakınından geçer. Hatta galaksiler gerçekten çarpışmadan önce defalarca birbirinin yanından geçerek bir tür uzay valsı yapar. Örneğin Andromeda 3,5 milyar yıl sonra Samanyolu’yla çarpışmaya başlayacak ve çarpışmanın tamamlanması 4 milyar yıl sürecek.
Bu süreçte galaksilerden biri daha ağırsa tıpkı resimde olduğu gibi hafif galaksinin yanından geçerken ondan bir gaz ve yıldız şeridi çekip alır. Karanlık madde bütün galaksileri sardığı için galaksi çarpışmalarında ağır galaksinin hafif galaksiden karanlık madde çekmesini de bekleriz. Oysa 65 milyon ışık yılı uzakta bulunan ve büyük olasılıkla NGC 1052 galaksisinin uydu galaksileri olan NGC 1052-DF2 ve NGC 1052-DF4 galaksilerinde hemen hiç karanlık madde yok! 😮
Bunu galaksilerin kütlesinin görünen madde kütlesiyle neredeyse eşit olmasından anlıyoruz. Bunu da galaksilerin birbirini ne kadar güçlü çektiğine bakarak öğreniyoruz. Galaksilerde bu kadar az karanlık madde olmasını standart CDM ve galaktik çarpışma modelleriyle açıklayamayacağımız için yeni bir karanlık madde teorisi geliştiriyoruz. Bunun adı karanlık güç teorisi olup SIDM modelini kullanıyor. (Kendisiyle Etkileşime Giren Karanlık Madde). Peki SIDM nasıl davranıyor?
İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?
Karanlık madde ve SIDM
Öncelikle SIDM parçacıklarının birbiriyle yerçekimi dışında bilinen hiçbir kuvvetle etkileşime girmediğini biliyoruz. Aksi takdirde karanlık madde normal maddeyle de etkileşime girer ve görünmez olmazdı. Bu durumda yalnızca karanlık madde parçacıkları arasında etkiyen yeni bir güç olmalı. Bu güç normal maddeyi etkilemiyor; çünkü etkilese yıldızlara bakarak bunu bilirdik.
Oysa yeni gücün ne olduğunu da bilmiyoruz ve karanlık güç adını buradan alıyor. Peki SIDM bazı galaksilerin karanlık maddeden yoksun olmasını galaksi çarpışmalarıyla nasıl açıklıyor?
Karanlık maddenin kendisiyle etkileşime girmesi daha çok normal madde gibi davranması demek, yani normal madde gibi yoğun bulutlar da oluşturabilmeli. Tabii elektromanyetik kuvvetten etkilenmediği için karanlık madde değişik bulutlar oluşturacak. Bilgisayar simülasyonları SIDM parçacıklarının galaksiyi saran iç karanlık madde kozasında çok fazla çarpışacağını öngörüyor. Bu durumda iç koza dış kozadan daha yoğun bir karanlık madde bulutu içermeli.
Biz de NGC 1052-DF2 ve NGC 1052-DF4 uydu galaksilerinde normalin 300’de biri kadar karanlık madde olduğunu biliyoruz. Öyle ki ağır olan galaksi yakın galaksi geçişleri sırasında ve yerçekimi gelgit etkisiyle hafif olan galaksiyi saran iç kozadaki karanlık maddeyi büyük ölçüde çekip almış olmalı. Bu durum gözlemlerle uyuşuyor. Uydu galaksilerinin iç kozası ve yıldız dağılımı pek seyrek. Oysa CDM modelinde iç karanlık madde kozası pek esnemiyor ve iç kozadan karanlık madde kaybı yaşanmıyor.
İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem
Karanlık güç ve mini kozalar
Öyleyse karanlık güç teorisi karanlık madde sorununu çözüyor mu? Yoksa küçük galaksilerdeki karanlık madde azlığını açıklamanın başka bir yolu daha var mı? Özellikle de galaksilerdeki karanlık maddenin dağılımını yalnızca büyük karanlık madde kozalarıyla açıklayamadığımız için bu soru önemli. Aslında sorun basit ama yanıtı zor. Evrendeki karanlık madde dağılımını süper galaksi ve galaksi kümeleri ölçeğinde biliyoruz ama daha küçük karanlık madde kozaları da olmalı.
Sonuçta galaksilerin 1 milyar ışık yılı uzunluğundaki iplikler üzerinde nasıl dizildiği, nasıl kümelendiği ve özellikle de Samanyolu’nun içinde yer aldığı 10 milyon ışık yılı çapındaki en küçük galaksi gruplarının nasıl oluştuğunu büyük kozalarla açıklayamıyoruz. Bunun için bize küçük ölçekli karanlık madde kozaları gerekiyor (resimdeki bilgisayar simülasyonu karesi 2 milyar ışık yılı genişliğinde olup resim içi resimlerde bir bölgenin 700 bin ışık yılı ve 600 ışık yılı genişlikte zum yapılmış hali görülüyor). Küçük karanlık madde kozaları bu ipliksi yapıyı açıklamamızı kolaylaştıracak.
Bu nedenle Çinli ve Avrupalı araştırmacılar gözlemlenebilir evrenin ayrıntılı bilgisayar simülasyonunu yaptılar ve Dünya’dan bakınca Ay’daki bir sineği seçecek kadar yüksek çözünürlüklere eriştiler. Böylece ilk kez olarak varlığından kuşkulandığımız ama göremediğimiz küçük karanlık madde kozalarının dağılımını ortaya çıkardılar. Karanlık madde görünmezdir ama galaksilerin dağılımı onları etkileyen küçük kozaların dağılımını çıkarsamaya izin verir.
Bir simülasyonun anlattıkları
Elbette bu bir bilgisayar simülasyonu ama evrendeki olası küçük kozaların yüzlercesini görmemize izin verdi. Sonuçta galaksiler normal maddeden 5 kat fazla olan görünmez karanlık maddenin yarattığı yerçekimi kuyularında oluşuyor, karanlık madde iplikleri üzerinde dizilip karanlık madde düğümlerinde kümeleniyor. Oysa bu simülasyonun önemli olmasının daha önemli bir nedeni var. Gezegen boyunda mini karanlık madde kozaları:
İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?
Karanlık güç nasıl topaklanıyor?
Büyük karanlık madde bulutlarının galaksi boyundaki topaklar ve onların da çok daha küçük karanlık madde topaklarından oluşması gerektiğini biliyoruz ama galaksi hareketine bakarak en küçük kozaların dağılımını göremeyiz; çünkü bunlar galaksilerden küçüktür. Dahası en küçük kozalar Dünya kütlesinde olabilir fakat galaksi nüveleri en az 1 milyon Dünya kütlesindeki kozaların içinde topaklanan normal maddeden oluşuyor.
Buna ek olarak standart CDM modeli de tıpkı değişken yerçekimi (MOND) modellerinde olduğu gibi yerel galaksi gruplarının oluşumunu açıklamakta yetersiz kalıyor. Galaksilerin dağılımı (daha büyük kümeler ve daha çok sayıda galaksi diyelim) sıcak karanlık madde yerine soğuk karanlık madde (CDM) modelini kayırıyor. Oysa CDM yerel grupların oluşumunu yüksek doğrulukla gösteremiyor. Karanlık güç teorisi veya küçük kozalar ya da ikisi birden bu açığı kapatabilir.
Zaten karanlık güç teorisi de karanlık maddenin kendisiyle etkileşime girmesini sıcak karanlık madde olmadan açıklamak için geliştirilmiş bulunuyor; ancak küçük karanlık madde kozalarını SIDM karanlık güç teorisiyle birleştirirsek karanlık madde ile galaksilerin oluşumu arasındaki ilişkiyi daha iyi açıklayabiliriz. Oysa yeni bilgisayar simülasyonunun bir yararı daha var. Karanlık madde avcılığı:
İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu
Karanlık güç simülasyonu
Karanlık güç olası karanlık madde çarpışmalarından kaynaklanan gama ışınlarını şiddeti ve dağılımını da hesaplamamızı sağlayabilir. Nitekim bazı karanlık madde teorilerinde bu parçacıkların birbiriyle çarpışıp gama ışını saçarak yok olması mümkündür. Biz de uzaydaki gama ışınlarına bakarak karanlık maddeyi arayabiliriz. Tabii nötron yıldızı çarpışmaları ve galaktik merkezlerdeki süper kütleli kara delikleri saran Fermi Köpükleri de gama ışını saçıyor.
Bu yüzden normal madde kaynaklı gama ışınlarıyla karanlık madde çarpışması kaynaklı gama ışınlarını ayırt edebilmek önemli. Neyse ki karanlık maddenin normal maddeden dağınık olduğunu biliyoruz. Dolayısıyla karanlık madde kaynaklı gama ışınları da gökte dağınık ve yaygın olmalı. Yalnız bugüne dek normal madde kaynaklı gama ışını parlamaları dışında bir şey bulamadık.
Buna karşın Dünya boyunda mini karanlık madde kozaları varsa bunlar eskiden karanlık maddeye atfedilmeyen birçok noktasal gama ışını kaynağının küçük karanlık madde kozalarından kaynaklandığını göstermemizi sağlayabilir. Bunun için de önce bilgisayar simülasyonları yaparak en küçük karanlık madde kozalarının boyunu ve dağılımını hesaplamamız gerekiyor.
Öyleyse karanlık madde simülasyonları karanlık maddenin birbiriyle çarpışabilen parçacıklardan oluşması durumunda onları gama ışınlarıyla bulmamızı sağlayacaktır. Özellikle de Abell 3827 galaksi kümesine baktığımız zaman kendisiyle çarpışabilen SIDM modeline ve/veya küçük karanlık madde kozalarına ihtiyacımız olduğunu görüyoruz. Neden derseniz:
İlgili yazı: Kuantum Fiziği Paralel Çoklu Dünyalar Oluşturuyor mu?
Karanlık güç ve güçlü karanlık madde
Abell 3827 galaksileri çarpışırken sadece normal madde değil, karanlık madde de geride kalıyor! 😮 Bu da kendisiyle etkileşime giren karanlık madde parçacıkları olabileceğini gösteriyor ki iki galaksinin karanlık madde bulutları çarpışınca duvardan seken top gibi geri sekebilsin… Bunu açıklamanın bir yolu da Kendisiyle Güçlü Etkileşime Giren Karanlık Madde teorileridir (SSIDM).
SSDIM gerektiren iki sebep daha var: Ultra yüksek enerjili kozmik ışınlar ve galaksi kümeleri arasındaki sıcak gazlar. Bunları özetlersek 1) Evrende 1018 yani 1 kentilyon elektronvolt şiddetinde kozmik ışınlar var. Bunlar yüksek hızlı demir atomu çekirdekleri, nötron yıldızları ışınımı ve kuasarlardan (hiperaktif kara delikler ve kara delik grupları) kaynaklanıyor olabilir. Oysa hiçbiri de ultra enerjik kozmik ışınların yaygınlığıyla dağılımını açıklamaya yeterli değil.
2) Galaksi kümeleri arasındaki gazların galaksilerin merkeziyle temas ederken yerçekimiyle yavaşlayıp soğuması gerekiyor ama soğumuyor. İşte bu iki problemi SSIDM ile çözebiliriz. Birinci durumda kendisiyle şiddetle çarpışan karanlık madde ultra enerjik kozmik ışınlar üretebilir veya mevcut ışınları turboşarj edebilir. Ayrıca SSDIM parçacıkları kara deliklerin içine daha çabuk düşer ve düşmeyenler de daha sık olarak Penrose süreci ile (kara delik bombası) uzaya savrulur.
SSIDM galaksilerdeki normal maddeyle yerçekimiyle daha çok etkileşime giriyor veya birbiriyle daha sık çarpışıyorsa galaksiler arası gazın galaksilerin merkezindeki güçlü yerçekiminde bile sıcak kalmasını sağlayabilir. Gazın bir şekilde sıcak olduğunu biliyoruz. Aksi takdirde galaksiler uzaydaki serbest gazı sürekli kendine çekerek yıldız oluşumu hızını görülenden kat be kat artırırdı. Oysa SSIDM başka bir açıdan gözlemlerle uyuşmadığı için sorunlu: Dış gezegen atmosferlerinin sıcaklığı.
İlgili yazı: Zamanda Yolculuk İçin Büyükbaba Paradoksu Çözüldü
Karanlık güç ve en sıcak karanlık madde
Karanlık güç (SIDM) ile SSIDM arasındaki en büyük fark ikincisinin yüksek ısı üretecek olmasıdır. Oysa Güneş’e uzaklığı nedeniyle soğuk uzayda özgül ısısını daha kesin ölçtüğümüz Uranüs’e bakınca 150 megaelektronvolt (MeV) ila 10 teraelektronvolt (TeV) arasındaki enerjiler ve sıcaklık eşdeğerlerinin mümkün olmadığını görüyoruz.
Keza dış Dünya atmosferinin ısı akışı da uzayda SSIDM kaynaklı yaygın termal radyasyon olmadığını gösteriyor. Bu da bizi kendisiyle etkileşime giren soğuk karanlık madde (karanlık güç) teorisine geri getiriyor ki biz de en yeni karanlık madde teorisini birlikte gördük. Karanlık maddenin gama ışınları ve birbiriyle etkileşimi sayesinde sanıldığından aydınlık olabileceği ve daha kolay tespit edilebileceğini de fark ettik.
Peki ya soğuk karanlık madde CDM (aksiyon ve WIMP parçacık aileleri), karanlık güç SIDM, güçlü etkileşen karanlık madde (SSIDM) hep yanlışsa? O zaman ne olacak? Evreni karanlık madde olmadan nasıl açıklayacağız? Bu konuda karanlık enerjiden yardım alabiliriz! Siz de karanlık madde ile karanlık enerjinin aynı şey olup olmadığını hemen görebilir, karanlık madde süper sıvı mı diye sorabilir, karanlık toz ile değişken yerçekimi ilişkisine bakabilir ve karanlık akış ile çarpışan evrenlerin izini sürebilirsiniz. Uzayın karanlığında bilimin ışığı yolunuzu aydınlatsın. 😊
Karanlık madde nedir?
1Self-Interacting Dark Matter and the Origin of Ultradiffuse Galaxies NGC1052-DF2 and -DF4 (pdf)
2Universal structure of dark matter haloes over a mass range of 20 orders of magnitude
