Bilim insanları evrende bol miktarda bulunan bileşenlerden biri olan karanlık madde ile inatçı bir oyun oynuyor.
Bilim insanları karanlık maddeyi ne kadar aramaya çalıştılarsa, karanlık madde de bir o kadar gizlenmeye devam etti. Kimse maddenin bu görünmeyen biçiminin içeriği hakkında net bir fikre sahip değil. Ancak en olası adayın WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) adı verilen zayıf etkileşimli ağır parçacıklar olabileceği düşünülüyor. WIMP parçacıkları oldukça ilgi çekici parçacıklardır. Çünkü hiçbir şekilde elektromanyetik ışıma yaymayıp, diğer parçacıkların bunu yapmasını sağlarlar.
WIMP parçacıkları aynı zamanda kendi anti parçacıkları da olabilirler. Yani kendi anti madde çiftini yine kendileri oluştururlar. Eğer durum buysa iki WIMP parçacığı çarpıştığı zaman tıpkı madde ve anti madde çifti temasında birinin diğerini yok etmesi gibi, WIMP parçacıklarının da birbirlerini yok etmesi gerektiği düşünülür. Böyle yok etme durumlarında ışığın yüksek enerjili bir formu olan gama ışınları şeklinde ortama yayılması kaçınılmaz olacaktır. Bilim insanları bu gama ışınlarını gözlemlerken, aynı zamanda dolaylı bir şekilde karanlık maddeyi ve oluşumunu da gözlemlemiş olurlar.
2008 yılında Dünya yörüngesine fırlatılan NASA’nın Fermi Gama Işını Uzay Teleskobu’nun kayda değer sonuçlar elde edileceği düşünülüyor. Scientific American Dergisi’nin Fermi Projesi üyelerinden ve aynı zamanda California’daki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda astrofizikçi olan Stefan Funk ile yaptığı görüşmede, karanlık maddeyi arama çalışmaları ve yakın zamanda bulma umutları hakkında konuşuldu.
WIMP Parçacıklarının Yok Etme Durumuna Dair Bir Belirtiye Rastlanıldı Mı?
Her ne kadar elde ettiğimiz veriler ufacık bir toz zerresi kadar da olsa, gerçekten karanlık maddenin yok etme durumlarında ortama yayılan gama ışınları gibi bir belirtimiz olduğunu söyleyebiliriz. Aslında uzayın belirli yerlerinden dedektörlerimize ulaşan gama ışınlarının kesin olarak karanlık maddeden kaynaklandığını da söyleyemeyiz. Gama ışınları başka bir reaksiyon sonucu da ortaya çıkmış olabilirler. Bu yüzden bu gama ışınları hakkında yorum yapmadan önce, bunun başka bir açıklaması da olabileceği için çok dikkatli konuşmak gerekir.
Şu sıralar Fermi Gama Işını Uzay Teleskobu uzay aracının üzerinde bulunan Büyük Fermi Alan Teleskobu’nun elde ettiği verilere göre iki farklı dikkat çeken sinyal bulunuyor. Her iki sinyalin de galaksimizin merkezini kuşatan bölgeden geldiği saptanmıştır. Bunlardan biri 130 GeV (giga elektronvolt) gibi karakteristik bir enerjiye sahip bir dizi gama ışını yaymaktadır. Bu ölçümlediğimiz galaksinin merkezinden gelen sinyal, değerlendirme açısından oldukça düşük bir sinyal olarak kabul edilir. Ayrıca ne yazık ki dedektöre ulaşan çok fazla veri, istatistiksel değişimlerin birleştirilmesi ve sistematik etkiler sonucunda da gözlemler kesinliğini kaybetmektedir. Eğer bu sinyal artmış olsaydı, daha kesin ve sağlam deliller oluşturacak ve belki de çok kesin bir sonuçla karanlık madde yok etme durumuna da açıklık kazandıracaktı.
Diğer bir sinyal olan galaksinin merkez bölgesinden gelen sinyal de oldukça heyecan verici. Elektromanyetik spektrumda düşük enerjiye sahip ışınlar, spektrumda daha geniş bir alana yayılmışlardır. Bu sinyal belirli enerji düzeylerine sahiptir. Ancak galaksimizin merkez bölgesinden gelen bu sinyali bildiğimiz geleneksel astrofiziksel terimlerle açıklamak pek de mümkün olmuyor.
Peki Sinyallerin Enerji Düzeyleri Şeklinde Olması Bir Problem mi?
Sinyaller, parçacıkların imha şekline, yani birbirini yok etme durumuna bağlı olarak tek enerjili ışınım ya da enerji düzeylerine sahip bir ışınım şeklinde meydana gelebilirler. Elbette bunu tek enerjili ışınım şeklinde görmek daha çok istenen bir sonuç olacaktır. Çünkü bunun astrofiziksel kanunlardan elde edilmesi daha kolay olacaktır. Ancak birçok konuda olduğu gibi bu konuda da doğa yeterince nazik davranmaz.
Parçacıkların imha durumlarından sonra enerji düzeyleri meydana getirmelerinin bir yolu var. Şimdi elbette bu ikinci sinyal hakkında heyecan oluşuyor ama aynı zamanda ihtiyatlı olmak da gerekir. Çünkü karanlık maddenin yok etme durumundan farklı bir kökene sahip olduğu düşünülmektedir.
Karanlık Maddenin İmhası Sonucu Oluşan Sinyaller Galaktik Merkezin Yanı Sıra Başka Nerelerde Aranabilir?
Etrafımızdaki yüksek karanlık madde yoğunluğuna sahip bölgelere bakarak, karanlık madde imhası sonucu oluşan sinyalleri gözlemleyebiliriz. Örneğin, yakın çevremizdeki galaksiler. Daha uzak bölgelerde şimdiye kadar gözlemleyebildiğimiz bir sinyal yok. Galaktik merkezimizdekine benzer enerji seviyelerine sahip olan düşük enerjili bir sinyal elde edilmiş, fakat sistematik belirsizlikler sonucu kesin bir bilgi niteliği taşımamıştır.
Peki, Büyük Fermi Teleskobu’nun Gözlemlediği Sinyallerin Karanlık Maddeden Geldiğine Emin Miyiz?
Elbette çok daha fazla veriye ihtiyacımız var. Dedektörlerimize ulaşan sinyallerin kesin ve anlaşılır olabilmesi için dedektörlerimizi yeniden inşa etmemiz de gerekebilir. Bu, komşu galaksilerden ve galaktik merkezimizden gelen sinyallerin anlaşılabilmesi için yardımcı olacaktır.
Galaktik merkezimizde bulunan çok sayıda gaz molekülü de gama ışınları oluşturmaktadır. Dolayısıyla bu da oldukça büyük bir problem teşkil etmektedir. Bu problemi çözebilmek için de anlayışımızı geliştirmeli ve galaktik merkez bölgesini daha fazla incelemeliyiz. Bu da elbette kolay olmayacaktır. Bu noktada daha fazla veri ve daha fazla araştırma bize yardımcı olacaktır.
Uluslararası Uzay İstasyonu’ndaki Alfa Manyetik Spektrometresi(AMS) Dışında Karanlık Madde Arayışları
Karanlık madde parçacıklarının birbirini yok etmesinin bir kaç yolu vardır. Bunlardan bir tanesi elektronun anti madde karşılığı olan pozitronun açığa çıktığı tepkimedir. Buna ek olarak gama ışını sinyalleri arayışının tek yolu karanlık madde imhasını incelemek olmamalıdır. Gama ışınları üretildikleri zaman, uzayda düz bir çizgi boyunca taşınırlar. Biz de böylelikle onların nerede üretildiğini, hangi yönden yayıldıklarını saptayabilir ve daha sağlıklı sonuçlar elde edebiliriz. Bu da tabi ki bizim için mutluluk verici bir sonuç olur. Alfa Manyetik Spektrometresi’nin gözlemlemeye çalıştığı yüklü parçacıkların yerini saptamak ise daha zordur. Çünkü parçacıklar yüklü oldukları için manyetik alanda sapmaya uğrarlar ve kaynağını bulmak zor bir hal alabilir. Bununla beraber AMS gibi yüklü parçacıkları inceleyen PAMELA (for Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-Nuclei Astrophysics) gibi dedektörlerle araştırma yapan bilim insanları da dünyaya ulaşan ışınlarda pozitron bolluğunun fazla olduğuna dikkat çekmişlerdir. Bu olay galaktik merkezden gelen ikinci gama ışını sinyali olayına benzerlik gösterse de, buradan pozitronun astrofiziksel kökenine ait bir temel oluşturmak çok zor olacaktır.
Bunun Karanlık Maddenin Gerçek Bir İşareti Olup Olmadığını Nasıl Söyleyebiliriz?
Alfa Manyetik Spektrometresi’nin doğru ölçümler yapabilmesi için pozitron parçacıklarını yüksek enerjili gama ışınlarından ayırmak gerekir. Bu bize konuyla ilgili bazı ipuçları verebileceği gibi aynı zamanda astrofiziksel modellerle karanlık madde modelleri arasındaki farkı ayırt etmemize yardımcı olur. Aynı zamanda CERN’de üretilen antidöteron (bir anti proton ve bir anti nötrondan oluşan anti döteryum parçacığı) denilen parçacık üzerinde de çalışan bilim insanları, tipik astrofiziksel oluşumlara izin vermeyip karanlık madde imhasını meydana getirmeye çalışmaktadırlar. Balonla yapılan deneylerde şimdiye kadar tespiti sağlanamamış olsa da çalışmalara ve araştırmalara devam edilmektedir.
Peki, Astrofiziksel Olarak Gerçekten Karanlık Maddeyi Tespit Etmeye Yakın Mıyız?
Karanlık madde bilindiği gibi WIMP parçacıklarından oluşuyorsa o zaman onu bulmaya oldukça yaklaşmışız demektir. Ya doğrudan gözlemlerle ya da dolaylı olarak Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın süpersimetri deneyleriyle gözlemlemeyi umut ediyoruz. Eğer karanlık madde WIMP parçacıklarından oluşmuyorsa da bu çok daha uzun zamana ihtiyacımız olduğu anlamına gelir. Buna bağlı olarak da ölçümleme ihtimalimiz ve değerlendirmemiz de oldukça zor olacaktır.
Fizik bu açıdan her zaman heyecan verici bir bilim dalı olmuştur. Heyecan verici olan bir diğer durumsa evren hakkında bildiklerimizdir. Karanlık ve maddenin ve karanlık enerjinin var olduğunu biliyoruz. Evrenin yaklaşık yüzde 75’inin karanlık enerji, yaklaşık yüzde 20’sinin de karanlık maddeden oluştuğunu biliyoruz ama aslında ne olduklarını bilmiyoruz. Aynı zamanda farklı topluluklardan bilim insanlarının, farklı çözüm yollarıyla aynı problemi çözmek için bir araya gelmesi de oldukça güzel ve mutluluk verici. Herkesin umudu, çok geç olmadan tüm bu çabaların meyvesini vermesi ve yeni çığır açacak gelişmeler için zemin oluşturması.
Tuğba Yaşar
Marmara Üniversitesi Fizik Bölümü
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Kaynaklar:
http://www.scientificamerican.com/article/when-will-we-find-dark-matter/
https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter
http://www.yourdictionary.com/antideuteron
