Karanlık Madde: Nedir? Var Olduğunu Nereden Biliyoruz ve Bulabilecek Miyiz?

Fotoğraf: Karanlık maddenin evrendeki dağılımı

Etrafımızda göremediğimiz, tespit edemediğimiz şeylerin bulunduğunu düşünmek kulağa bilim kurgu gibi geliyor. Üstelik karanlık madde gibi bir isim verilmesi de buna yardımcı oluyor. Ancak karanlık maddenin gerçek olduğuna dair pek çok kanıt bulunuyor. O zaman karanlık madde nedir? Var olduğunu nereden biliyoruz? Ve bilim insanları onu bulmak için neler yapıyorlar?

Etrafımızda gördüğümüz her şey maddeden oluşuyor. Ancak bunlar evrendeki maddenin ancak %15’ini oluşturuyor. Geri kalan %85’lik kısım ise karanlık madde olarak değerlendiriliyor.

Bu isim durumun ne kadar garip olduğunu açıklamaya yetmiyor. Karanlık madde ışığı emmediği, yansıtmadığı ve iletmediği için görülemiyor. Ayrıca evrendeki en iyi teori olarak kabul ettiğimiz standart model parçacık fiziği onu açıklamaya imkan vermiyor.

Dünya çapında yapılan yoğun çalışmalar ile karanlık maddenin ne olduğu açıklanmaya çalışılıyor ancak hala akıllarda aynı sorular mevcut: eğer karanlık maddeyi göremiyor, duyamıyor, koklayamıyor veya tadamıyorsak, var olduğunu nereden biliyoruz?

Cevap ise yerçekimi.

Karanlık Maddenin Orada Olduğunu Nereden Biliyoruz?

Fotoğraf: Karanlık maddenin orada olduğunu nereden biliyoruz?

Kütlesi olan herşey yerçekimine bağlı bir kuvvet oluşturuyor. Kütle arttıkça bu kuvvet de ona bağlı olarak artıyor. Uzay bilimciler galaksiler gibi çok büyük objelerin kütlelerinin göründüklerinden çok daha fazla olduğunu tespit ediyorlar.

İsviçre’li astrofizikçi Fritz Zwicky 1933 yılında karanlık madde fikrini ortaya ilk atan insan oldu. Zwicky galaksilerin o hızda hareket edebilmeleri için gereken kütlenin etrafta bulunmadığını tespit etti.

Melbourne Üniversitesi’nden Teorik Parçacık Fiziği Profesoru Raymond Volkas; “kümelerdeki toplam kütle incelendiğinde galaksilerin kümeyi terk etmeden birarada dönmeye dvam edebilmesi için gereken kuvveti sağlayacak kadar büyük bir kütle tespit edilemedi” diye aktarıyor.

“Kümeleri birarada tutan neydi? Bu soruya bir cevap ararken bize görünmez olan ancak yerçekimi etkisine maruz kalacak şekilde kütlesi bulunan bir komponent olması gerektiği ortaya atıldı ve buna karanlık madde ismi verildi.”

Zwicky’nin keşfi’ni 1970lerin sonuna doğru Vera Rubin ve Kenr Ford tarafından yapılan çalışmalar izledi. Bu çalışmalarda komşu galaksimiz Andromeda’da yapılan gözlemler değerlendirildi ve beklenenin aksine merkeze doğru hareket hızının artmadığı, görülebilen kütle ve onun momenti ile açıklanamayan bir hız dengesi olduğu yayınlandı.

Bir diğer güçlü kanıt ise yerçekimsel gözlemleme. Işık demetleri yerçekiminden etkilendiği için devasa kütleler ışığı farklı biçimlerde bükerek kozmik büyüteçler gibi davranabiliyor. Ancak bu gözlemleme; beklenenin aksine; büyük obje merkezde olacak şekilde görüntüleme yapıldığında büyük objenin tek başına görüntülendiği halinden çok daha yoğun olacak şekilde tespit edilebiliyor.

Dolayısı ile karanlık maddenin orada olduğunu söyleyebiliyoruz. Ancak evrenin karanlık madde olmaksızın var olamayacağını söylediğimizde işler garipleşiyor.

Evrenin Karanlık Tarihi

Fotoğraf: Karanlık madde bugün bildiğimiz evrenin temel yapıtaşı kabul ediliyor.

Heöen herşey gibi karanlık maddenin de Büyük Patlama ile var olduğu düşünülüyor. Başka bir düşünceye göre ise karanlık madde Büyük Patlama’dan bile önce kozmolojik enflasyon ile ortaya çıkmış olabilir. Her durumda, karanlık madde var olmasaydı bugün gördüğümüz yapıdan çok farklı bir kozmoz olacağını söylemek mümkün.

Evrenin ilk zamanlarında herşeyin ne kadar yumuşak ve akışkan olduğunu Büyük Patlama’dan 400000 yıl sona oluşmuş bugünün kozmik mikrodalga yapılarında gözlemlemek mümkün. Ne yöne bakarsak bakalım radyasyon tamamen aynı kalıyor.

Ancka bugünlerde evran yumuşak ve düzgün olmaktan çok çok uzak, oldukça engebeli. Günümüzde; galaksiler, kümeler, süperkümeler gibi pek çok düzgünsüzlük görüyoruz. Örneğin, Samanyolunun hemen yanında milyonlarca ışık yılı genişlikte hiçlik yer alıyor.

Pekiyi evren süper düzgünlükten bugünkü engebeli yapıya nasıl evrildi? Bu karanlık maddenin bir sonucu olarak görülüyor.

Evrenin başlangıç günlerinde bile bazı bölgelerin diğer bölgelerden daha yoğun karanlık madde içerdiği düşünülüyor. Bu ekstra kütle ekstra yerçekimi kuvveti yaratarak çok yoğun bölgelerde normal maddenin oluşumuna imkan sağlıyor. En sonunda da ısı ve basınç desteği ile madde paketleri ve sonucunda da yıldızlar glaksiler gibi sistemler ortaya çıkıyor.

Evrenin oluşumu bile başlı başına karanlık maddenin varlığını kanıtlıyor. Dolayısı ile orada olduğunu biliyoruz. Ancak gerçekten tam olarak nedir? Bilim insanları ne arıyorlar?

Karanlık Madde Avı

Fotoğraf: ABRACADABRA deneyi

Görünmeyen ve bildiğimiz madde ile etkileşmeyen birşeyi aramak hiç de kolay değil. Dolayısı ile bilim insanları karanlık maddenin ne olabileceği ile ilgili fikirler ortaya atmaya başladılar. Problem şu ki karanlık madde neredeyse herşey olabilir.

Karanlık madde parçacıkları evrendeki en hafif şeyler olabileceği gibi cüce bir gezegen ağırlığında da olabilir. Sıcak veya soğuk olabilir veya sıcaklık ile açıklanmayan bir özelliği de bulunabilir. Uyarılmış halde bulunabileceği gibi düşük enerji seviyesinde de yer alabilir.

Volkas, “ karanlık maddeye dair bir sürü acınası varsayım bulunuyor” diyor. “Kütleleri ve diğer özellikleri ile ilgili söylenebilecek en net şet ise şu: Bilmiyoruz.”

“Teorisyenler karanlık madde ile ilgili çeşitli spekülasyonları değerlendiriyorlar ki bazıları oldukça hassas. Prensipte hepsi doğru olma ihtimali taşıyor ancak hepsi birlikte doğru olamaz. Bu nedenle astronomik gözlemler ve deneyler gerçekleştirmemiz ve gerçeği yakalamak için seçenekleri azaltmamız gerekiyor.”

CERN Karanlık Madde Yaratablir mi?

Fotoğraf: Büyük Hidron Çarpıştırıcısı

Farklı deney sistemleri farklı teroik karanlık madde parçacıklarını prtaya çıkartabilmek için tercih ediliyor. Şüphesiz ki bu çalışmalardan en ünlüsü CERN tarafından yürütülen Büyük Hidron Çarpıştırıcısı (LHC). Bu çalışmada bilim insanları, karanlık maddeyi onu yaratmaya çalışarak arıyorlar.

LHCde, protonlar çok yüksek enerjilerde çarpıştırılarak parçacık yağmuru yaratılıyor. Bu parçacıklar bilim insanlarının genellikle ulaşamadığı egzotik zerrelerden oluşuyor ve karanlık maddenin de aralarında olması umuluyor.

Bu çarpışmalarda karanlık madde elde edilse bile onu teşhis etmek mümkün olmayabilir. Parçacık dedektörler ile etkileşime girmeden tünelden kayıp gidebilir. Ancal bu algılanamama tam olarak bilim insanlarının bekledikleri şey.

Enerji ve momentumun korunumu yasasına göre, izole bir sistemde, enerji veya momentum var olamaz ve yok olamaz. Ancak form değiştirebilir ve toplam enerji ve momentum her daim sabit kalır. Dolayısı ile bilim insanları çarpışma öncesi ve sonrası değerleri hesaplayarak kayıp bir miktar yakalayabilirler ise bunun karanlık maddeyle ilintisi olduğu söylenebilir.

Her ne kadar LHCde katrilyonlarca çarpışma olsa da henüz hiçbir karanlık madde sinyali raporlanmadı. Ancak bu çalışmalar geniş bir ihtimal havuzunun daraltılmasını sağlıyor. Bu sayede gelecek araştırmalar daha fazla odaklanabiliyor.

Beklenen cevap 2026 yılında tamamlanacak olacak LHC High Luminosity güncellemesi ile alınabilir.

Karanlık Maddenin Doğrudan Algılanması

Fotoğraf: XENON1T tesisi

LHC spektrumun bir bölümü üzerinde çalışırken diğer çeşitli deneyler de farklı algılama modellerini araştırıyor. Bu çalışmalar hep birlikte karanlık maddenin zaman zaman normal madde ile etkileşime girdiğini gösteriyor.

Volkas, “LHC sadece belli türlerdeki karanlık maddeye karşı hassas” diyor. “Çeşitli karanlık madde türleri için LHC yanlış bir deney tipi. Bu nedenle arka plan gürültüsünden ve etkisinden etkilenmemesi için tamamen sessiz ortamlarda konumlandırılmış büyük dedektörler ile doğrudan algılama deneyleri oluşturulması gerekiyor. Bu durumda bazı atomların nükleusun sebepsizce hareket etmesi ile karanlık maddenin teşhis edilmesi bekleniyor.

Bu çalışmalarda temel fikir; karanlık maddenin gelip normal maddenin nükleusuna çarpması ile normal parçacıkların zıplamasına neden olması. Bu basit konsept dünya çapında pek çok deneyde test ediliyor. Bu çalışmalardaki dedektörler yeraltı gömülü laboratuvarlarında yer alıyor ve kozmik radyasyon ve elektromanyetik dalgalar gibi gürültülerden uzak tutuluyor. Bu çalışmaların tümü farklı malzemeleri dedektör olarak kullanarak aynı amaca ulaşmaya çalışıyor.

LUX ve XENON1T gibi deneylerde devasa Xenon tankları kullanılarak zayıf etkileşimli parçacıklar yakalanmaya çalışılıyor. Bu çalışmaların arkasında yatan düşünce ise karanlık maddenin normal parçacıklar ile etkileşime geçmesi ile oluşacak parçacıkların Xenon tanklara ulaşması ile mevcut algılayıcıların yakalayabileceği bir parlama görebilmek.

Başka bir çalışma ise supersıvı helyum kullanımını hedefliyor. Helyum Xenon’a göre bile oldukça hafif olduğu için karanlık maddeye karşı daha yüksek hassasiyet sergilemesi bekleniyor. Bu çalışmada diğer deneylere göre 10000 kat daha hafif parçacıkların bile yakalanabilmesi hedefleniyor.

Başka bir fikir ise “kartopu odaları” temasına dayanıyor. Bu fikirde -20 ° C mertebesine kadar soğutulmuş ortamda su moleküllerinin maruz kalacağu minik bir tepki karşısında flaş donma sergileyeceği varsayımı üzerine çalışmalar planlanıyor. Eğer dış müdahale olmaksızın aniden bir donma gerçekleşirse bu karanlık madde delili olarak yorumlanabilir. Bu yöntemin avantajı ise kullanılan malzeme olan suyun diğer alternatiflerden çok daha ucuz olması.

Diğer deneyler ise tamamen farklı bakış açıları içeriyor.

Aksiyonlar

Fotoğraf: Aksiyon radyo dalgalarının illüstrasyonu

Akademine en çok öne çıkan teorik karanlık maddelere aksiyon adı veriliyor. Karanlık madde var ise, elektriksel açıdan nötr, çok hafif ve dalgalar halinde ilerleyen yapılar olması bekleniyor. En önemlisi, aksiyonların etkileşimlerinin elektiksel ve manyetik olması nedeni ile daha kolay algılanabileceği belirtiliyor.

ABRACADABRA deneyi aksiyonların manyetik izlerini takip etmek için tasarlanmış. Bu deneyde, halka biçimindeki mıknatıs merkezinde bir manyetik alan bulunmaması bekleniyor. Bu nedenle merkezden gözlem yapıldığında anlık bir manyetik alan oluşumu gözlemlendiğinde bunun karanlık maddenin bir delili olması bekleniyor.

Stockholm Üniversitesi’nde başka bir çalışmada aksiyon radyosu olarak adlandırılan bir cihaz geliştirildi. Bu dedektör aynı zamanda güçlü bir mıknatıs olatak da kullanılabilen, ultraince kablolardan oluşturulmuş ve ortası soğuk plazma ile doldurulmuş mini odalardan başka bir şey değil. Aksiyonlar bu mini odalardan geçerken küçük bir elektrik alan yaratıyor ve bu elektrik alan sonucunda da plasmada salınımlar gözlemlenebiliyor.

nEDM deneyi ise aksiyonları başka bir şekilde aramakta. Bu deneyde yakalanan nötronlara elektrik verilerek elektronların yönelimleri takip ediliyor. Yüksek voltaj nötronların yönelim hızını değiştiriyor. Eğer frekans aşırı hızlı bir biçimde değişir ise bu aksiyon etkisi olarak değerlendirilebilir.

Geçersiz Sonuçlardan KaçılmıyorFotoğraf: Karanlık madde avı sürüyor

Ne yazık ki yukarıda açıklanan deneyler ya geçersiz sonuç vermiş ya da hala teoriden öteye gidememiş durumda. Ancak bir sinyal alamamış olmak deneyi tamamen bir kayıp haline getirmiyor. Geçersiz sonuçlar sonsuz ihtimaller denizinde bazı bölgeleri elemek için kullanılıyor.

Yapılan her test bizi gerçeklikten uzak alanlarda çalıştırarak zaman kaybettirecek geniş bir listeyi elimine ediliyor. Böylece gelecekte yapılacak olan pek çok çalışmayı daha hassas tasarlamaya imkan doğuyor.

Eş zamanlı olarak yeni fikirler de öneriliyor. Son yıllarda, karanlık maddenin gravitino, d-star hegzaquark hatta karanlık sıvı olabileceği değerlendiriliyor.

Tabii ki bunun sadece matematiksel yanılma veya baöbaşka bir bilinmeyen gücün sonucu olması da mümkün. Ancak her halükarda, karanlık madde avı hala bitmekten çok uzak.

Kaynak: newatlas.com