Kuantum Gizemleri: Karanlık Madde

Peki kozmosta gördüğümüz kütleçekimsel düzensizliklerin kara deliklerden kaynaklanmadığını nereden biliyoruz? Onlar da görülmesi neredeyse olanaksız ve varlığını uzay-zamanı bükmeleriyle dolaylı olarak belli eden gök cisimleri değil mi?

Karanlık madde ve karanlık enerji…İkisinin, adları önünde aynı sıfat olsa da birbiriyle ortak hiçbir yönü yok aslında. Karanlıklar, çünkü haklarında pek az şey biliyoruz. Bildiğimiz tek şey birinin madde diğerinin enerji olduğu, aslında ondan bile çok emin değiliz.

Önce karanlık madde…

Değeri pek az bilinmiş İsviçreli gök bilimci Fritz Zwicky, Coma kümesini gözlemlerken galaksi içindeki gök cisimlerinin olması gerekenden çok daha hızlı döndüklerini fark ettiğinde 1933 yılıdır. Zwicky, görülemeyen ama etkisini kütle çekim kuvveti olarak sergileyen bu maddeye Dunkle Materie⁽¹⁾ adını verir.

1970’lerde Vera Rubin ve Kent Ford’un çalışmaları, gözledikleri tüm galaksilerin sınır bölgesindeki gök cisimlerinin olması gerekenden hızlı hareket ettiğini daha hassas ölçümlerle kanıtladığında karanlık maddenin varlığını destekleyen işaretlere biri daha eklenmiş olur.

Newton fiziğine göre bir kütle merkezi çevresinde dönen cisimlerin hızı, merkezden uzaklaştıkça azalmalıdır. Örneğin bir yıldız etrafında dönen ve benzer kütlelere sahip gezegenlerin en hızlı döneni en içteki, en yavaş döneni en dıştaki olmalıdır. Oysaki Rubin ve Ford’un gözlemleri bunun tam tersidir ve bu durum ancak görünenden çok daha fazla kütleye sahip başka ağırlık merkezlerinin varlığıyla açıklanabilmektedir.

Kütleçekimsel Merceklenme

Daha kesin bir gözlem 1990’larda kütleçekimsel merceklenmeden gelir. Biliyorsunuz Newton’un Evrensel Kütleçekimi Yasası’na göre, kütlesi olmadığı ışık, çekim kuvvetinden etkilenmemelidir. Ancak Einstein’la birlikte anladık ki, kütleçekimi ışığın rotasını da büker. Geçen yüzyılın başından beri bilinen bu durum, 2000’lerin başında WMAP ve Planck uydularının yaptığı hassas ölçümlerle kuşkuya yer bırakmayacak şekilde kanıtlanmıştır. Bu sayede ışığın, yakınından geçerken ne kadar büküldüğüne bakarak bir gök cisminin kütlesini tahmin edebiliyoruz.

Ayrıca, ışığın kaynağı yıldızların ya da yansıtan gezegenlerin kütlesini de bu ışığın renk tayfından anlayabiliyoruz. Işığın renk tayfı, kaynağı olan gök cisminin hangi maddeleri içerdiğini bir ölçüye kadar söyleyebiliyor. Bu şekilde bunların ağırlıklı olarak demir ya da nikel gibi ağır metallerden mi ya da helyum ya da metan gibi gazlardan mı oluştuğuna bağlı olarak bu gök cisimlerinin kütlesi belli bir hata payı içinde tahmin edilebilmekte.

Tüm bunları göz önüne aldığımızda, evreni oluşturan toplam madde ve enerji içinde %27’lik bir bölümün karanlık maddeden, %5’lik bir bölümün de yıldızlar, gezegenler, gaz ve toz bulutları gibi gözlemlenebilir maddeden oluştuğu hesaplanıyor (geri kalan %68’lik bölümse karanlık enerji).

Karanlık maddenin varlığı konusunda diğer bir ipucu Kozmik Mikrodalga Arka Planı’ndan (CMB-Cosmic Microwave Background) gelir. CMB, evrenin genişleme sonucu istikrarlı bir sıcaklığa düştüğü erken dönemlerinden⁽²⁾ kalan bir radyasyon kalıntısıdır ve 2.725 K sıcaklığa karşılık gelir. Bilimciler tüm evreni kaplayan bu radyasyon verilerini genç evrende maddenin nasıl kümelendiğini saptamak için kullanırlar. CMB’nin sıcaklık ve kutuplanma desenlerindeki dalgalanmalar, görünür maddenin kütleçekimsel etkisinin bugünkü evreni oluşturmak için yeterli olmadığını ve karanlık maddenin gerekli olduğunu göstermektedir.

Daha açık bir kanıtsa iki galaksinin çarpışması sonucu oluşum süreci devam eden Mermi Kümesi’dir. Dünya'dan yaklaşık 3.8 milyar ışık yılı uzaklıktaki bu küme, çarpışma sırasında görünür madde ve karanlık maddenin farklı davranışlarını gözlemleme fırsatı sunar. Genellikle gaz formunda bulunan görünür madde çarpışma sırasında yavaşlayarak ısınır. Ancak karanlık madde elektromanyetik kuvvetlerle etkileşime girmediği için bu çarpışmadan neredeyse hiç etkilenmez. Mermi Kümesi üstünde yıllardır süren gözlemler, kümede görünür maddeden çok daha fazla karanlık madde olduğu yönünde.

CERN - LHC

Karanlık maddenin kütleçekim etkisinin olması, onun bir parçacık olduğu konusunda kuşkuya yer bırakmıyor ama bugüne dek en yüksek enerjili hızlandırıcılarda bile bu gizemli parçacığa ait bir ipucu elde edilmiş değil. Belli ki karanlık madde yalnızca elektromanyetik alan değil, diğer parçacık türleriyle de etkileşime girmiyor. Bu, karanlık maddenin oldukça ağır bir parçacık olduğuna işaret edebilir.

Kuantum mekaniğinin bir ilginçliği, küçük parçacıkları keşfetmenin büyüklerden daha kolay olmasıdır. Elektron, proton gibi temel parçacıkları en gelişmiş mikroskoplarla bile gözleyebilmek olanaksız. Bu yalnızca bunların küçüklüğünden değil, “görmenin” bir fotonun bu parçacıklardan yansımasıyla olanaklı olması, yani parçacığı değiştirmesinden kaynaklanır; ayrıca bu parçacıkların boyutları görebildiğimiz ışığın dalga boyuna göre bile çok küçüktür. O yüzden bunları ancak dolaylı olarak gözlemleyebiliyoruz. Bunun için en çok kullanılan yöntem iki parçacığın çarpıştırılması yoluyla ortaya çıkan daha küçük parçacıkların izlerini gözlemlemek ve ölçümlemektir. O yüzden hızlandırıcının enerjisi ne kadar yüksekse kinetik enerjisi de o oranda yükselen parçacıkların çarpışmasında büyük kütleli yeni parçacıkların gözlenme olasılığı o kadar yüksektir⁽³⁾. Örneğin Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) tarafından İsviçre-Fransa sınırında işletilen Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın (LHC) parçacık başına erişebileceği en yüksek enerji düzeyi şu an için 6.5 TeV’dir⁽⁴⁾. Bunun anlamı, hızlandırıcıda ışık hızına yakın hızlara çıkarılan ters yönlerdeki 2 proton çarpıştığında, toplamda 2x6.5=13 TeV’lik bir enerji+madde açığa çıkabileceğidir. Yani eğer karanlık maddenin kütlesi 13 TeV’den küçükse LHC’deki çarpışmalarda karanlık maddenin oluşması olasılığı vardır ama kütlesi daha büyükse elimizdeki hızlandırıcıların gücüyle bu şimdilik olanaklı değildir.

[Aslında hızlandırıcı çarpışmalarında iki parçacığın çarpışarak daha büyük tek bir parçacık oluşturduğu hiç görülmez. Bunun yerine çarpışmalarda “jet” adı verilen bir parçacık yağmuru oluşur. Çarpışan iki parçacık, çok sayıda pion, kaon, fotino ve leptonların parçacık-anti parçacık çiftleri şeklinde saçılır. Hızlandırıcılardaki gelişmiş detektörlerin bu saçılım üstünde yaptığı ölçümler sonucunda oluşan veri kümesi (bu çarpışmaların milyarlarcası kaydedilir) incelenir, hangi parçacığın ne olduğu ve özellikleri saptanmaya çalışılır.]

Kara Delikler?

Peki kozmosta gördüğümüz kütleçekimsel düzensizliklerin kara deliklerden kaynaklanmadığını nereden biliyoruz? Onlar da görülmesi neredeyse olanaksız ve varlıklarını uzay-zamanı bükmeleriyle dolaylı olarak belli eden gök cisimleri değil mi?

Kara delikler, devasa bir kütlenin kendi içine çökerek çok küçük bir hacme sıkışması sonucu uzay-zamanın yapısını bozabilecek kadar yoğun bir kütleye sahip olan bir “deformasyon”. Evet onlar da etkisini kütleçekimi ile gösteriyor ama karanlık maddeden farklı olarak, kara delikler çevresindeki maddeyi kendine çekerek yutar ya da yörüngeye sokarak çevresinde dönmeye zorlar. Karanlık maddede ise bu türden bir yoğunlaşma yok; bu egzotik parçacık elektromanyetik kuvvetle etkileşime girmediği için gaz ve toz bulutları gibi topaklaşıp gitgide daha büyük gök cisimleri oluşturmuyor; o yüzden ağırlık merkezi daha dağınık bir yapıda⁽⁵⁾. Ayrıca, kara delikler de ışığı büker ama çok yakınından geçen ve olay ufku çizgisini⁽⁶⁾ aşan ışığı içine hapseder; yani bildiğimiz anlamda kara delikleri gözlemleyemeyiz, bir kara delikten gözümüze hiçbir foton ulaşamaz çünkü. Oysaki karanlık madde ışıkla etkileşime girmez; bir foton demeti kara madde yoğun bir bölgenin içinden etkilenmeksizin geçebilir (merceklenme etkisi hariç). O yüzden ışığı büken kara delik mi yoksa karanlık madde midir, anlaşılması mümkündür.

Karanlık maddeyle ilgili kimi parçacık adayları da yok değil ancak bunların tümü varsayımsal, hiçbiri bugüne kadar gözlenebilmiş değil. Bunlar arasında büyük kütleli ama elektromanyetik etkileşimde bulunmayan Zayıf Etkileşen Kütleli Parçacıklar (WIMP-Weakly Interacting Massive Particle), çok düşük kütle ve enerjiye sahip Aksiyonlar ve yalnızca kütleçekimle etkileşen Steril Nötrinolar yer alır. Bunları saptayabilmek için dünyanın pek çok yerindeki hızlandırıcılarda çalışmalar sürdürülüyor.

Haftaya hakkında neredeyse hiçbir şey bilmediğimiz, hatta enerji olduğundan bile emin olmadığımız karanlık enerjiyle devam edelim.

Almanca “Karanlık Madde”.
Büyük Patlama’dan yaklaşık 380,000 yıl sonra.
Enerjinin maddeye dönüşümü. Ünlü E=mC² formülü sadece durağan kütleler için geçerlidir; eğer cisim hareket halinde ise o zaman formül E² = (pC)² + (mC²)² haline dönüşür, yani momentumu yüksek bir kütle her zaman durağan halinden daha fazla enerjiye dönüşür.

(E) toplam enerji,

(p) momentum (cisim hareket halindeyken sahip olduğu momentum),

(m) cismin durağan kütlesi,

(C) ışık hızı.

Tera elektron Volt. Elektron volt, bir elektronun 1 voltluk elektrik potansiyel farkı altında kazandığı veya kaybettiği enerjiyi ifade eder. Biliyorsunuz fizikte enerji ve kütle aynı şeydir, o yüzden tüm kütle ve enerji, gram ya da Joule cinsinden değil elektron volt (eV) olarak gösterilir; örneğin bir elektronun kütlesi 511 bin eV’dir.
Karanlık maddenin, galaksi içinde ve çevresinde gitgide büyüyen halkalar şeklinde olduğu düşünülüyor.
Olay ufku, kara deliklerin etrafında yer alan ve ışığın bile kaçamayacağı sınırı tanımlayan bölgedir. Bu sınırın ötesinde herhangi bir şeyin, hatta ışığın bile kaçma olasılığı yoktur; dolayısıyla, olay ufkunun içindeki herhangi bir bilgi veya madde dışarıdan gözlemlenemez.