Görünür evren dâhil, toprak, Güneş, diğer yıldız ve galaksiler, proton, nötron ve elektronlardan oluşmuş atomlardan meydana gelir. Astrofiziksel olarak karanlık madde, varlığını, tespit edilemeyen madde, parçacıklar ve galaksilerin ve yıldızların beklenmedik kütleçekimi/yerçekimi etkileri ile açıklayan, evrensel fenomendir. Karanlık maddenin ne olmadığına ilişkin kesin bilgimiz ne olduğuna ilişkin bilgimizden daha fazladır. İlk olarak bu yapının karanlık olması, onun görünen yıldız ve gezegenlerle aynı yapıda olmadığı anlamında kullanılmaktadır. Karanlık madde için çeşitli varsayımlar yapılmıştır:
- Moleküler gaz,
- Ölü yıldızlar,
- Kahverengi cüce yıldızlar,
- Karadelikler vs.
Yapılan gözlemler, karanlık madde hakkında henüz hiçbir şey bilmediğimizi gösterir. Ancak bildiğimiz şey karanlık madde ve karanlık enerjinin birbirinden farklı şeyler olduğudur. Evrenin teorik oluşum modelini, bir dizi kozmolojik gözleme uygun halde bir araya getiren bilim adamları, bu oluşumun yüzde 70’inin karanlık enerji, yüzde 25’inin karanlık madde, yüzde 5’inin ise normal bilinen madde olduğu sonucuna ulaştılar.
Karanlık madde, evrensel çekim, galaksi kümeleri, parlak ve yüksek kütleli galaksiler arasında gözlenen uyumsuzluk sonucu ortaya çıkmıştır. Bir cismin yerçekimsel kütlesi, onun hızı ve uydu yörüngesindeki davranışı ölçülerek belirlenebilir. Güneş’in kütlesi de hız ve gezegenlerin radyal mesafeleri kullanılarak hesaplanabilir. Bir ışık kütlesinin ya da yıldızların nasıl parladığı yine bu yöntemin farklı dönüşümleri ile belirlenebilir. Bu kütle ve ışık oranı karşılaştırıldığında aydınlık maddenin enerjisi, evrenin toplam enerjisinin yalnızca yüzde 1’ine denk gelir.
Karanlık Madde Hakkında İlk Bulgular
1900’lü yılların teknolojik gelişmeleri ışığında, bilim adamları galaksimizin bütün evreni oluşturduğu düşüncesindeydiler. Yaklaşık 300 yıl boyunca astronominin temellerini, Newton’un kütle çekim teorisi oluşturuldu. Ancak kozmologlar çok geçmeden evrenin statik (durağan) olmadığının farkına vardılar. 1933 yılında İsviçreli astronom Fritz Zwicky Saç Kümesi adı verilen ve yedi galaksiden oluşan bir gökada üzerinde çalışmaya karar verdi. Amacı bu yedi galaksiyi inceleyerek bu kümenin toplam kütlesini hesaplamaktı. Newton Yasaları’nı kullanarak, o küme tarafından yayılan ışık miktarıyla, kütlesini, dinamik kütlesi ile karşılaştırdı. Dağılım hızı doğrudan kümenin kütlesiyle ilişkilidir. Eğer gaz kümeleri sıcak ve açık ise, parçacıkların dağılım hızı yüksek olur. Yeterli hıza sahip olan parçacıklar ise bu uç durumda gazı terk ederler. Gaz soğuk ve ağır ise, dispersiyon hızı da zayıf olur. Zwicky gökadanın hızının hesaplandığından çok daha yüksek olduğunu fark etti. Dinamik kütle, ışık kütlesinden 400 kat daha yüksek çıktı. Yöntem ve ölçümlerinin hassasiyeti ihmal edilemeyecek kadar büyüktü. Ayrıca kahverengi cüce, beyaz cüce, nötron yıldızları, karadelikler ve diğer nesnelerin genel olarak olduğundan daha küçük hacimli olduğu ortaya çıktı. Zwicky gözlemlerini insanlarla paylaştı ancak kimse ilgilenmedi. Bunun belirsizlik ve hata hesaplarından kaynaklandığı öne sürüldü. Aynı olay 1936 yılında Başak Kümesi toplam dinamik kütlesi hesaplanmasında Sinclair Smith’in de başına geldi. Bu kez birçok gökbilimci tarafından karanlık madde gibi bir olayın varlığı kabul edildi. Bu açıklama hızla yayıldı ve kabul edilmeye başlandı. Astronomlar bunu anlamak için aydınlık ve dinamik kütleyi karşılaştırmaya devam etti.
Karanlık madde sadece uzak galaksilerdeki cisimlerin davranışlarını incelemek için değil, galaksimizde de bol miktarda bulunduğundan merak konusu olmuştur. Bunun bizim Güneş sistemimizde metreküp başına yaklaşık 10 bin gibi yüksek bir yoğunlukta olduğu ve karanlık madde parçacıklarının ince bir deniz gibi geçmekte olduğu tahmin edilmektedir. Standart fiziğe göre yıldızların, spiral galaksinin kenarlarında, yoğunlaşmış olan orta noktaya göre daha hızlı hareket etmesi gerekir. Ancak gözlemler galaktik diskin neresinde olursa olsun yıldızların aynı hızda hareket ettiğini göstermektedir. Bu etki ise galaksi etrafında şaşırtıcı ve mantıklı bir şekilde, çekim etkisi nedeniyle karanlık maddenin varlığını işaret etmektedir. Astronomlar karanlık madde ile aynı zamanda derin evrende görülen bazı optik yanılsamaları da açıklayabilirler. Daha uzak galaksilerden gelen ışığın kütleçekimsel merceklenme denilen etkisiyle, garip halkalar ve bozulmuş ışık yayları şeklinde görülmesi de karanlık maddenin etkilerinden bazılarıdır.
Elbette bizim galaksimizde ya da diğer galaksilerde göremediğimiz maddeler vardır. Bizim bildiğimiz normal madde miktarı da karanlık maddenin varlığının bir diğer kanıtıdır. Normal madde atomlardan oluşmuş şey anlamına gelir. Geçtiğimiz günlerde NASA’nın WMAP (Wilkinson Microwave Anisotrophy Probe) uydusu kozmik mikrodalga arka plan ses dalgalarıyla hassas ölçümler yapmış ve Büyük Patlama’dan yaklaşık 400 bin yıl sonraki ortamı yaratmayı başarmıştır. Ses dalgalarının yayılımı ortamın özelliklerine bağlı olduğundan, WMAP tarafından görüntülenen bu dalgalar ile evren haritasında hidrojen ve helyum gibi gazların bolluğu dikkate çarpmaktadır. Bunlar ve diğer sonuçlar, evrenin oluşumunun ilk üç dakikasındaki elementlerin bolluğu ve nükleer süreç, o andan yola çıkılması gerektiğini söyler. Bildiğimiz teorik fiziğe göre de Büyük Patlama bir nükleosentezin sonucudur. Sonuç olarak evrendeki kütle-enerjinin yüzde 5’i ve kütle yoğunluğunun yüzde 20’si atomlardan oluşmuştur ve geriye çok ciddi miktarda bir açık kalmaktadır.
Karanlık Enerji
Evrenin genişlemesi hakkında ilk gözleme dayalı bulgular, Amerikalı astronom Vesta Slipher’dan geldi. Kütle çekim kuvveti tüm maddeleri birbirine doğru çekmektedir. Yani teorik olarak evrenin yavaşlaması gerekiyordu. Evrenin genişlemesi herkesin düşündüğü şekilde kütle çekiminin etkisiyle yavaşlamıyor, aksine daha da hızlı genişliyor. Teorisyenler soruna kesin bir çözüm bulabilmiş değiller. Ancak bir isim vermiş durumdalar: Karanlık Enerji. Slipher, yıldızlardan gelen ışığın dalga boyundaki değişikliklerden yıldızların bizden uzaklaştığını tespit etti. Biz ise genişlemenin merkezindeymişiz gibi görünüyorduk. Evrenin hızlanarak genişlemeye devam etmesini açıklama noktasında, bilim insanlarının ilk hipotezi boş uzayla bağlantılı bir çeşit karanlık enerji kavramı oldu. Evrenin ivmelenerek genişlemesi, boş uzayın bütün kozmik yapılardaki enerjinin neredeyse üç katı kadar enerji gerektirir. Karanlık enerji bildiğimiz madde gibi belirli yerlerde odaklanmıyor. Nottingham Üniversitesi’nden Christopher J. Conselic’e göre karanlık enerji, odamızdan galaksiler arası boşluğa kadar her yeri doldurmuştur ve karanlık enerji tam olarak hesaplanamasa da, yıldız ve galaksilerin arası boşluğun tamamı göz önüne alındığında, karanlık enerji evrenin yaklaşık yüzde 75’ini doldurmuştur.
Galaksiler İçindeki Karanlık Madde
Yıldız ve galaksilerin devrim sayılarından, karanlık maddenin kütlesini ölçmek ve dağılımını anlamak mümkündür. Karanlık maddenin büyük bir miktarı galaksilerin içinde olmalıdır. Galaktik diskin belirli bölgelerinde bulunması sebebiyle gerçekten de galaktik diske bir yapılanma ve istikrar sağlar. Diğer taraftan yıldız hareketleri, konumu ve salınımı nedeniyle galaktik disk üzerinde karanlık maddeye rastlanmayacağı öne sürülmüştür.
Galaksiler Arasındaki Karanlık Madde
Gökadalar içindeki galaksilerin hareketleri, yıldızların rotasyonu astronomları benzer sorunlara yöneltti. Bu iki sorunun ilişkili olduğu ispatlanmamasına rağmen bu bize galaksiler arasındaki karanlık maddenin varlığını göstermektedir. 1996 yılında astrofizikçi Yannick Miller ve ekibi tüm evrende karanlık maddenin miktarını ölçmek için galaksi kümeleri arasında bir grafik oluşturmaya karar vermiştir. Kullanılan yöntemle bu kümeler arasındaki mevcut karanlık maddenin çekim etkileşmesi nedeniyle galaksilerin deformasyonu gibi sonuçlar ortaya çıktı. Ancak bu çok büyük ölçekte bir çalışma olduğundan yerel deformasyonların da ihmaline sebep oldu.
Karanlık Madde Bileşimleri
Sıcak Karanlık Madde
Karanlık maddenin varsayımsal parçacıklarının rölativistik (ışık hızına yakın) hızlarda hareket eden yapısıdır. Bilinen üç tip nötrino ve bunların karşılığı olan antinötrinolar sıcak karanlık madde için örnektir.
Soğuk Karanlık Madde
Soğuk karanlık madde parçacıkları aynı zamanda zayıf etkileşimli kütlesel parçacıklar olarak bilinirler. Tipik olarak sıcak karanlık madde ile karşılaştırıldığında daha fazla madde miktarı içerir ve daha düşük hızlarda hareket ederler. Kilit farklar yapı oluşumu ile ilgilidir. Soğuk karanlık maddenin tam kütlesi parçacıkların diğer maddelerle etkileşim gücüne ve parçacıkların birbirlerinin çiftlerinden ayrıldıkları zamanki evrenin sıcaklık ve zamanına bağlıdır.
Baryonik Olmayan Madde
Baryon atomlardan küçük ağır tanecik anlamına gelmektedir. Büyük Patlama’da birincil çekirdek sentezi sırasında oluşan helyum4 ve hidrojen atomları ile baryonların sayısını hesaplamak mümkündür. Gökbilimciler bu miktarın kritik yoğunluğunun yaklaşık yüzde 4 olduğunu öne sürmektedirler. Evrenin geometrisini açıklamak için toplam maddenin yüzde 30, karanlık maddenin yüzde 70 oranında olması gerektiğini söyler. Yüzde 30’luk maddenin yüzde 26’sını ise baryonların teşkil ettiği öne sürülür.
Karanlık madde baryon adlı parçacıklardan meydana gelen karanlık bulut yapısındaki normal maddeden meydana gelmektedir. Bunu biliyoruz çünkü baryonik bulutları, içinden geçen radyasyonu emerek tutmalarından dolayı tespit edebiliyoruz.
Karanlık madde anti-madde değildir. Çünkü anti-maddenin madde ile yok edilmesi sırasında açığa çıkan benzersiz gamma ışınları görünmektedir. Baryonik madde kahverengi cücelerin veya ağır elementlerin küçük, yoğun yığınları içinde bağlı bulunduğu takdirde karanlık maddeyi oluşturabilir. Bu olasılıklar büyük kütleli yoğun halo cisimleri (MACHOs) olarak bilinmektedir. Ancak en yaygın görüş karanlık maddenin baryonik olmadığı, bunun yerine axion veya WIMP’ler (zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacıklar) gibi daha egzotik parçacıklardan meydana geldiği yönündedir.
Karanlık Madde Hakkında Görüşler
Karanlık madde için elbette birçok makul açıklama var. Birçok fizikçi ve astronom karanlık maddenin, parçacık hızlandırıcı deneylerinde ya da kozmik ışınların keşfi sırasında gizlenen yeni bir parçacık olduğu görüşündeler. Karanlık madde gibi davranan bu yeni parçacık ağır olmalı, basit şekilde ışık üreten reaksiyonlara yol açmamalı ve normal madde ile kolayca etkileşime girebilmelidir. Prototip karanlık madde parçacığının, bilinen tüm nötrino parçacığı türlerinin hafif ve nadir olmasına rağmen, bir nötrino gibi davranması gerekmektedir. Bir fikre göre karanlık enerji bir sıvı gibi evreni doldurur ve öz olarak adlandırılan bu temel güç, beşinci bilinmeyen türdür. Pek çok bilim adamı da karanlık enerjinin Albert Einstein’ın denklemleri kullanılarak statik bir evren kavramı ile uygun hale getirilmesi için gerekli bir kozmolojik sabit olduğuna dikkat çeker.
Karanlık madde problemi, tüm maddesel parçacık doğasının bir sorunu olarak görülebilir. Karanlık madde evrendeki galaksileri ve galaksi kümelerini de kapsayan en büyük yapıların temel yapı taşı olmalıdır. Karanlık madde olmadan, evrenin bildiğimiz teorilere göre çok farklı bir yer olması gerekirdi. Biz Dünya’nın hareketi ve evrendeki konumuna rağmen karanlık maddeyi tespit edebiliyoruz. Hatta karanlık madde ile mevsimleri algılamak ya da Samanyolu’nun merkezi etrafında dönen karanlık maddenin çıkışı, karanlık maddenin ilginç dünyasını algılamamıza yardımcı olacaktır.
Tuğba Yaşar / KBT Popüler Bilim Yayın Grubu
Marmara Üniversitesi Fizik Bölümü
Kaynaklar:
- http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/cosmology/darkmatter.html
- http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=what-are-dark-matter-and
- http://science.nationalgeographic.com/science/space/dark-matter/
- www.biltek.tubitak.gov.tr
- Popular Science Sayı-6
