karanlık madde, sadece kütleçekimsel etkileşimlerle mi sınırlıdır, yoksa başka kuvvetlerle etkileşime girer mi?

Öncelikle Neden karanlık maddeyi ilk olarak kütleçekimle görüyoruz

Kütleçekimi, tüm enerji–momentum içeriğine evrensel olarak bağlanır. Genel Görelilik’te bu ilişki:

Burada:

• : enerji–momentum tensörü

• Karanlık madde için

Yani karanlık maddenin yalnızca var olması bile, uzay-zaman geometrisini etkiler.

Bu etki:

• Galaksi dönme eğrilerinde

• Kütleçekimsel merceklenmede

• Büyük ölçekli yapı oluşumunda

doğrudan gözlenir.

Galaksi dönme eğrileri: nicel kanıt

Newtoncu sınırda:

Gözlem:

• Görünür madde için sabitlenir → beklenir

• Ama gerçekte:

Bu ancak:

şartıyla mümkündür → karanlık madde halosu

Bu sonuç elektromanyetik, zayıf veya güçlü kuvvet olmadan, yalnızca kütleçekimiyle açıklanır.

Neden elektromanyetik etkileşim yok?

Elektromanyetik kuvvet için temel bağlanma:

Eğer karanlık madde:

• Elektrik yükü taşısaydı

• Işıkla etkileşirdi → doğrudan görünürdü

Ama gözlem:

Dolayısıyla:

• Işık yaymaz

• Soğurmaz

• Saçmaz

→ karanlık

Peki zayıf nükleer kuvvet?

Zayıf etkileşim kesiti tipik olarak:

Karanlık madde adayları (ör. varsayımı) için:

• Etkileşim kesiti çok küçük

• Dedektörlerde neredeyse sıfır olay

Bu yüzden:

• Zayıf kuvvet olabilir

• Ama kozmolojik ölçekte ihmal edilecek kadar zayıf

Kritik nokta:

Kütleçekimi tekil parçacıkta çok zayıf,

ama toplam kütlede birikir:

Elektromanyetik kuvvet ise:

(evren elektriksel olarak nötr)

→ Kütleçekimi makro ölçekte kaçınılmazdır

Karanlık maddenin başka etkileşimleri olabilir mi?

Evet, teorik olarak mümkündür.

a) Kendi kendine etkileşim

Sonuçları:

• Halo çekirdekleri daha yumuşak

• Küçük ölçekli galaksi problemleri azalır

b) Yeni “karanlık kuvvet”

• Standart Model dışında

• Sadece karanlık sektörde etkili

• Normal maddeyle çok zayıf bağlantı

sonuç

Karanlık maddeyi yalnızca kütleçekimle gözlemlememiz, onun yalnızca bu kuvvetle etkileştiği anlamına gelmez; yalnızca bu etkileşimin kozmolojik ölçekte baskın olduğunu gösterir.

Diğer kuvvetler:

• Ya yok

• Ya çok zayıf

• Ya da yalnızca kendi karanlık sektöründe aktif

Bu değerlendirme; Rubin’in galaksi dönme eğrileri, Bullet Cluster merceklenmesi, Genel Görelilik’in enerji–momentum formalizmi (MTW), Planck CMB verileri ve modern karanlık madde deneylerinin (XENON, LUX) sonuçlarıyla uyumludur.^{[1][2][3][4][5][6]}

Karanlık maddenin kütleçekimi ile etkileşime girdiği tartışmasız bir gerçektir. Yıldızların ve galaksilerin hareketleri, görünür maddenin kütlesinden çok daha büyük bir çekim kuvvetinin varlığını kanıtlamaktadır. Einstein’ın Genel Görelilik teorisi çerçevesinde, karanlık madde uzay-zamanı büker ve bu bükülme, ışığın yolunu değiştirerek devasa bir büyüteç etkisi yaratır.

Karanlık maddeye "karanlık" denmesinin sebebi, onun elektromanyetik etkileşime girmemesidir. Yani ışığı yansıtmaz, soğurmaz ve yaymaz. Bu durum, karanlık maddenin fotonlarla (ışık parçacıklarıyla) hiçbir bağı olmadığını gösterir. Benzer şekilde, atom çekirdeklerini bir arada tutan güçlü nükleer kuvvetle de etkileşime girdiğine dair bir kanıt yoktur; aksi takdirde normal madde ile çok daha belirgin çarpışmalar yaşardı.

Bilim dünyasındaki en güçlü adaylardan biri WIMP (Zayıf Etkileşimli Masif Parçacıklar) hipotezidir. Bu teoriye göre karanlık madde, kütleçekimine ek olarak zayıf nükleer kuvvet (radyoaktif bozunmadan sorumlu kuvvet) aracılığıyla normal maddeyle çok nadir de olsa etkileşime girebilir. Dünya genelinde yerin kilometrelerce altında kurulan hassas dedektörler, bu milyarlarca parçacıktan birinin bir atom çekirdeğine "çarpmasını" ve zayıf kuvvet aracılığıyla sinyal vermesini beklemektedir.

^{[1][2][3][1][3]}