Karanlık Madde Kara Delik mi?
Karanlık Madde Evren’deki maddenin yüzde 83’ünü oluşturuyor ve ışıkta görünmüyor. Ancak, galaksideki yıldızları bir arada tutan karanlık maddeyi göremediğimiz için ne olduğunu da bir türlü bulamadık. Oysa yeni teoriye göre karanlık madde uzayda gizlenen mikro kara delikler olabilir. Bunlar büyük patlamadan sonra oluşan ilk kara delikler.
Evren’in tutkalı
Bugün galaksilerin komşu galaksileri yerçekimi ile nasıl kendine çektiğine ve içindeki yıldızları dağılmadan nasıl bir arada tuttuğuna baktığımız zaman, normal maddenin kütlesinin bu güçlü çekim alanını yaratmaya yeterli olmadığını görüyoruz.
Kısacası Evren’deki yıldızları saydığımız ve uzaktan görünmeyen standart kara deliklerle nötron yıldızları gibi soluk cisimleri hesaba kattığımız zaman, bunların sayısı (toplam kütlesi) galaksilerdeki yıldızları ve galaksi gruplarını bir arada tutmaya yetmiyor.
Evren’i saran yerçekimi alanı
Bilim insanları bu ek kütleyi ve yerçekimi alanını karanlık maddenin oluşturduğunu düşünüyorlar. Karanlık demelerinin sebebi ise gizemli maddenin gün ışığında bile görünmez olması.
Fizikçiler son 20 yılda karanlık maddenin ne olduğunu anlamak için birçok teori geliştirdiler ve karanlık madde dedektörleri inşa ettiler. Oysa bu dedektörler bilim insanlarının karanlık madde olduğunu düşündüğü parçacıkların hiçbirini bulamadı ve geriye bir tek WIMP’ler kaldı.
Fizikçiler arasındaki popüler teoriye göre, Zayıf Etkileşimli Masif Parçacıklar denilen WIMP’ler ışığı oluşturan elektromanyetik kuvvetten etkilenmediği için göze görünmüyordu. Dolayısıyla güçlü bir yerçekimi yaratarak maddeyi kendine çekmenin dışında insan vücudunu etkilemiyor ve biz hiç fark etmeden içimizden geçip gidiyordu.
Kara delik problemi
Ancak bir sorun vardı: Karanlık madde, normal maddenin çok küçük bir noktada birikmesiyle oluşan ve ışığın bile içinden kaçamadığı güçlü bir yerçekimi alanı üreten kara delikler gibi olsaydı bugün Evren’de çok sayıda kara delik bulunması gerekirdi (karanlık madde kara delikleri).
Oysa Evren’e baktığımızda galaksilerin yıldızlarla ışıl ışıl olduğunu görüyoruz. Sorun bu zaten: Karanlık madde hem galaksilerdeki yıldızları bir arada tutan güçlü bir yerçekimi alanı üretiyor hem de yıldızları yutup kara deliklere dönüştürmüyor. Nasıl olur?
WIMP’lerin fizikte en popüler karanlık madde adayı olmasının sebebi de buydu. Bunlar sıra dışı özelliklere (garip güçlere) sahip olan egzotik parçacıklar.
Garip güçler
Bir kere normal parçacıklardan çok daha büyük bir kütleleri var (Protonun 100 katı) ve Evren’deki bazı bölgelerde (uzay boşluğunda) gaz ve toz bulutları gibi toplanmış bulunuyorlar. Ancak bunlar mikroskobik parçacıklar ve uzayda bir araya geldikleri yerlerde bile çok seyrekler.
Öyle seyrekler ki uzayda bir santimetre küpte bulunan WIMP karanlık madde miktarı şu anda Dünya ile Güneş arasındaki uzay boşluğunda (vakum) yer alan atom sayısından daha az.
Buna rağmen WIMP’ler küçük ama masif parçacıklar ve büyük kütleye sahip oldukları için güçlü yerçekimi yaratıp uzak mesafelerdeki yıldızlarla galaksileri kara deliğe dönüşmeden bir arada tutabiliyorlar.
Ancak anlaşılan sadece bir senaryo; çünkü bugüne kadar yapılan WIMP karanlık madde araştırmaları hiçbir sonuç vermedi: NASA, Uluslararası Uzay İstasyonu’na karanlık maddeyi arayan bir dedektör koydu, ama yeterli kanıt bulamadı.
Amerika’daki gururumuz astrofizikçi Esra Bülbül ve ekibi galaksideki X-ışını kaynaklarına bakarak karanlık madde aradı ama bu da kesin sonuç vermedi. Fizikçiler son çare olarak WIMP karanlık madde dedektörlerine baktılar.
Bunlar yeraltında bulunan dev su tanklarıydı ve nötrinolar gibi normal maddeyle pek az etkileşime giren karanlık maddeyi 15-20 yıl boyunca gözlemledikleri zaman tespit edeceklerine inanılıyordu. Ancak hiçbir şey bulamadılar. İngiltere’deki Büyük Yeraltı Zenon dedektörü LUX da WIMP bulamayınca1 geriye bir tek seçenek kaldı:
Kara delikler
Yalnız daha birkaç paragraf önce karanlık maddenin kara delik olamayacağını söyledik! Öyle olsaydı Evren’deki kayıp kütleyi telafi etmek için bugün hesapladığımızdan daha fazla sayıda kara delik olması gerekirdi.
Bu kadar çok kara delik gökleri karartır, ölümcül gama radyasyonu yayar ve çevremizdeki yıldızlarla gezegenleri yutardı.
Öyleyse nasıl çözeceğiz?
Yeni bir kara delik türü icat ederek: Bugüne kadarki yazılarda size 2 tür kara delikten söz ettim. 1) Süpernova (patlayan yıldız) artığı olan yıldız kütleli kara delikler ve 2) Galaksilerin merkezinde yer alan ve galaksilerdeki yıldızları bir arada tutan ikinci güç olan süper kütleli kara delikler.
Evren’de kaç yıldız kütleli kara delik olduğunu biliyoruz; çünkü bu kara delikler patlayan yıldızların kalıntısı olarak oluşuyor ve biz de galaksilere bakarak Evren’deki ortalama yıldız sayısını hesaplıyoruz. Süper kütleli kara delikler de irili ufaklı hemen bütün galaksilerin merkezinde yer alıyor. Evren’deki ortalama galaksi sayısını bildiğimiz için bunların sayısını da hesaplıyoruz.
Her iki kara delik türünün toplam kütlesini hesapladığımız zaman Evren’de gözlemlenen kütlenin yüzde 8’i çıkıyor. Normal madde toplam kütlenin sadece yüzde 17’si olduğu için geri kalan yüzde 9 da yıldızlar, gezegenler, gaz ve toz bulutları gibi gökcisimlerine ait bulunuyor.
Hesap tutmuyor
Zaten karanlık madde teorileri de bu eksik kütleyi, yüzde 83’ü açıklamak için geliştirildi! Ancak Evren’de üçüncü tür bir kara delik var. Hem de en az 40 yıldır bildiğimiz bir kara delik türü: Evren’in başlangıcında oluşmuş mikro kara delikler.
Bunlar atom kadar küçük kara delikler, ama Evren’de en az Dünya’daki mikroplar kadar yaygın olmaları gerek. Karanlık maddenin en güçlü adayı olan WIMP parçacıklarını keşfedemediğimize göre, karanlık madde aslında bu mikro kara deliklerden oluşuyor olabilir.
Madem öyle
Neden bu zamana kadar kimse karanlık madde mikro kara deliklerden oluşuyor demedi? Peki demediklerini nereden biliyorsunuz? Aşağıda anlatacağım gibi astrofizikçiler uzayı teleskoplarla taradılar ve kara deliklerin güçlü çekim etkisinin yıldız ışığını nasıl büktüğüne baktılar.
Böylece Evren’deki yıldız kütleli kara delikleri ve süper kütleli kara delikleri buldular; ama uzayda gizlenen mikro kara delik bulutlarının ışığı büktüğüne dair bir iz bulamadılar. Gördükleri olayları mikro kara delik olmadan da açıklayabildikleri için çaresiz kalmışlardı. Bu yüzden mikro kara delik teorisini terk edip WIMP’leri icat ettiler.
WIMP’leri bulamayan ve mikro kara delik senaryosuna da inanmayan bilim insanları nötrinoların garip özelliklerinden esinlenerek yeni bir karanlık madde parçacığı tasarladılar.
Bunlar nötrinolar gibi maddeyle çok az etkileşime giriyor, ama onlardan çok daha kütleliler: Atom çekirdeğindeki protonlardan 10 milyar milyar kat daha kütleliler (yani protondan çok daha küçük, ama 1 mikrogramlık insan hücresi kadar ağır olan parçacıklar!)
Ancak uçuk fikirler de gerçek olabilir ve PIDM denilen bu teorik parçacıklar da bir parçacığın kara deliğe dönüşmeden evvel sahip olabileceği maksimum kütleye sahip olduğu için, mikro kara deliklere geçmeden önce bunlara değinmemiz gerekiyor.
Güney Danimarka Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmalar yürüten McCullen Sandora, PIDM parçacıklarının aslında WIMP sınıfına girdiğini söylüyor. Ancak bunlar Evren’deki fizik yasalarının işlediği en küçük boyuttaki, Planck ölçeğindeki parçacıklar.
PIDM adı buradan geliyor ve Planck ölçeğinde etkileşime giren karanlık madde demek. PIDM’lerin süper ağır olduğunu söyledik değil mi? Einstein’ın görelilikle teorisine göre kütlenin enerjiye dönüşebildiğini de biliyoruz.
Bunlar çok ağır olduğu için PIDM’leri dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı olan CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) bile üretemeyiz. Bunun için bize 20 yıl sonra inşa edilecek yeni ve daha güçlü bir parçacık hızlandırıcı lazım. O da LHC’Den en az 40 kat güçlü olmalı.
PIDM’ler nasıl oluştu?
Karanlık maddenin Evren’e nasıl şekil verdiğine baktığımıza göre artık yeni karanlık madde adayı olan PIDM’lerin nasıl oluştuğuna geçebiliriz. Sandora, “Maddeyi Evren’e büyük ölçeklerde eşit miktarda dağıtan; yani bir anlamda Evren’in kumaşını ütüleyerek uzayı düzleştiren şişme sırasında, uzay boşluğu aniden soğudu” diyor.
Evren, sıcak yemek tabağını masada unutup beklettiğimiz için soğumadı tabii. Uzay aniden şişince madde ve enerji yoğunluğu azaldığı için soğudu. Ancak, Evren yeterince soğuyunca karanlık madde ve normal madde topakları oluştu. Bunlar kısa sürede uzayı aydınlatan ilk yıldızları ve ilk normal kara delikleri oluşturdular.
PDIM’ler daha önce ortaya çıktı
Sandora’ya göre PDIM’ler gerçekten varsa ilk kara deliklerden önce ortaya çıktılar ve bu durumda Evren’deki karanlık maddeye ait haritanın şekli değişik olmalı. Bunu da büyük patlamadan kalan ışığın kalıntısı olan kozmik mikro dalga arka plan ışımasına bakarak görebiliriz (PDIM karanlık madde teorisinde mikro kara deliklerin olmadığını hatırlayalım).
2013’te Planck uzay teleskopu en yeni haritayı çıkardı, ama fizikçiler henüz PDIM parçacıklarını tasarlamamıştı ve Planck gözlemevi Evren’in karanlık madde haritasında PDIM’lere bağlı küçük izleri görecek kadar hassas değildi. Yeni bir Planck’a ise 10 yıl var.
Ama önce mikro kara delikler
Fizikçiler sabırlı insanlar. Evren’in sırlarını keşfetmek için yüzlerce yıl bekleyebilirler; ama bu boş oturacakları anlamına gelmiyor.
Mademki klasik WIMP karanlık madde parçacıklarını bulamadık ve mademki WIMP’lerin özel bir türü olan PDIM’leri bulmaya 20-30 yıl var, o sırada çok daha basit bir çözüme bakabiliriz. Karanlık maddeyi mikro kara deliklerle açıklayabiliriz. Şimdi buna bakalım:
NASA Goddard Uzay Uçuşları Merkezi’nden astrofizikçi Alexander Kashlinsky, önce çarpışan kara deliklere bağlı kütleçekim dalgalarını ilk kez gözlemleyen LIGO gözlemevi verilerine baktı. Bunlar çarpışan yıldız kütleli kara deliklerin beklenenden daha ağır olduğunu gösteriyordu.
Ardından, küçük kara deliklerin birleşmesiyle oluşan ve galaksilerin merkezinde yer alan süper kütleli kara deliklerin tahminlerden daha hızlı büyüdüğüne dair gözlemleri inceledi. Son olarak da bütün Evren’i kaplayan kozmik kızılötesi ve X-ışını arka plan ışımasının beklenenden daha parlak olduğuna dikkat etti.
Yeni karanlık madde
Bütün bunları bir araya getiren Kashlinsky, Evren’de sanılandan daha çok daha fazla kara delik olduğuna karar verdi. Ancak bunlar klasik kara delik olamazdı, çünkü bunların sayısını zaten biliyorduk; ama standart kara deliklerin beklenenden ağır olması ve daha hızlı büyümesini bir şekilde açıklamak gerekiyordu.
Böylece Kashlinsky Evren’de çok sayıda mikro kara delik olduğu sonucuna vardı.2 Bu teoriye göre yıldız kütleli kara delikler uzayda giderken mikro kara delikleri yutuyor ve hızla büyüyordu. Aynı sebeple yıldız kütleli kara deliklerin çarpışmasıyla oluşan süper kütleli kara delikler de daha hızlı büyüyordu.
Öyleyse Evren’deki karanlık maddenin asıl kaynağı WIMP ve DIMP gibi garip özelliklere sahip olan henüz gözlemlenmemiş egzotik parçacıklar değil de mikroskobik boyuttaki mikro kara delikler olabilirdi.
X-ışınlarının gücü adına
Nitekim Esra Bülbül ve ekibi Evren’i kaplayan X-ışını arka plan ışımasının beklenenden daha parlak olduğunu gösterdi ve bu da kara delik çarpışmalarının sanılandan daha sık gerçekleştiğine yönelik LIGO verileriyle uyuşuyor (çarpışan kara delikler X-ışınları üretiyor).
CERN’de kara delik korkusu
Nedenine gelince: Zar kozmolojisinin dediği gibi uzayda mikroskobik ekstra boyutlar varsa işin rengi değişiyor; çünkü kütleçekim kuvveti bu boyutlardan geçerken mikroskobik ölçekte zayıflıyor.
Bu da Planck ölçeğinden daha büyük olan ve parçacık hızlandırıcılarda daha düşük enerji düzeylerinde üretilebilecek mikro kara deliklerin oluşmasına izin veriyor. 2012 yılında, “Fizikçiler LHC’nin gücünü artırınca yanlışlıkla mikro kara delik oluşturacak bu da dünyayı yutacak!” diyen sahte haberlerin çıkmasının sebebi buydu.
Dünya’yı yutar mı?
İster atom boyunda olsun ister Planck ve isterse hücre boyunda, mikro kara delikler Dünya’yı yutmaz. Mikro kara delik yapıp Dünya’nın süper yoğun çekirdeğine koysanız bile yutmaz; çünkü yerçekimi iki cisim arasındaki uzaklığın karesi oranında azalıyor ve yerçekimi gücü de kara deliğin yüzey alanına bağlı.
Kısacası mikro kara delik ancak kendisine temas eden yakındaki birkaç atomu yutabilir ve bu sırada çok az büyüyebilir. Atomlar arasında bize göre küçük, ama atomlara göre büyük bir boşluk var. Bu yüzden mikro kara delik asla yakınında şişip bütün Dünya’yı yutacak kadar çok madde bulamaz.
Karanlık madde nedir sorusuna ister WIMP deyin, ister PDIM, ister mikro kara delik, Evren’de yıldızlardan önce kara delikler vardı; çünkü Evren ilk 500 milyon yılda yıldızların oluşamayacağı kadar sıcaktı. Gazlar sürekli genleştiği için çöküp yıldızları oluşturamıyordu.
Ancak karanlık madde sıcakta genişlemediği için topaklandı. Böylece mikro, mini ve küçük ölçekteki ilk kara delikleri oluşturdu. Bunların bir kısmı milyarlarca yıl önce buharlaştı ve izlerini gökyüzünü kızılötesi dalga boyunda tarayınca görebiliyoruz. Diğerleri ise daha yeni buharlaşarak X ve gama ışınları üretiyor.
Kashlinsky, “Gelecekteki LIGO gözlemleri Dünya’nın içinden geçen mini kara deliklerin ürettiği ses dalgalarını tespit edebilir” diyor. Her durumda radyasyon ve yerçekimi gözlemleri uzaydaki kara delik çarpışma sıklığını ölçmemizi sağlayacak. Bu da karanlık madde mikro kara delik mi sorusunu yanıtlamayı sağlayacak.
Ancak, 30 Güneş kütleli kara delikler, mini kara delikler yerine kendi aralarında çarpışan normal kara deliklerden de oluşmuş olabilir. Bu sebeple “karanlık madde mikro kara deliktir” teorisini kanıtlamanın tek yolu Evren’in doğumunda oluşan, ama milyarlarca yıl önce buharlaşan kara deliklerin izini görmek.
2020 yılında Avrupa Uzay Dairesi (ESA) uzaya Öklit uydusunu gönderecek. LIBRAE projesi kapsamındaki bu uzay teleskopu gökyüzünün kızılötesi dalga boyundaki en detaylı haritasını çıkaracak. Biz de eski mikro kara deliklerin izini (varsa) bu haritada görecek ve karanlık madde nedir sorusuna cevap bulacağız.[1]
Umarım yardımcı olabilmişimdir .iyi günler dilerim.
Kaynaklar
- kozan demircan. Karanlık Madde Kara Delik Mi? » Kozan Demircan. (27 Temmuz 2016). Alındığı Tarih: 3 Aralık 2022. Alındığı Yer: Kozan Demircan | Arşiv Bağlantısı
