Evrenin "Karanlık" Yüzü: Karanlık Madde ve Karanlık Enerji Nedir?

Elinizdeki telefon, masanızdaki kitap, ağaçlar, gezegenimiz, yıldızlar ve galaksiler. Tüm bunlar bilinen evrenin yalnızca %4,9’unu oluşturuyor. Geriye kalan kısım evrenin "karanlık" yüzü...

Planck uydusu ölçümlerine göre evrenin %68,3’ü karanlık enerji ve %26,8’i karanlık maddeden oluşuyor. Onlara "karanlık" dememizin sebebi evrenin bu gizemli parçalarını henüz tanımlayamıyor oluşumuz. Neye benzediklerini ve nasıl etkileştiklerini bilmiyoruz. Karanlık madde için son yıllarda ciddi çalışmalar yapılıyor olsa da karanlık enerji hala gizemini koruyor. O halde varolduğunu nereden biliyoruz?

Karanlık Enerji

Karanlık enerjinin etkilerini evrende açıkça görebiliyoruz. 20. yüzyılda Edward Hubble, yaptığı çalışmalarda uzak galaksilerde kızıla kayma olayının (İng: "red shifting") daha fazla olduğunu gördü. Yani, uzak galaksiler yakın galaksilere göre bizden çok daha hızlı uzaklaşıyorlardı. Bu, evrenin ivmeli bir şekilde genişlediğini gösteriyordu.

Genişleme oranı ve ivmesi, Hubble Yasasına dayanan gözlemlerle ölçülebilir. Bu ölçümler diğer bilimsel verilerle birlikte karanlık enerjinin varlığını doğrular ve bu gizemli maddenin miktarını tahmin edebilir. Evren genişledikçe özelliklerini değiştirmez yani seyrelmez. Karanlık enerji tüm evrene homojen dağılmıştır ve evrenin genişlemesini hızlandırma eğiliminde itici bir gücü vardır.

Karanlık Madde

Galaksilerin dış yörüngelerine çıkıldığında inanılmaz hızlara ulaşıldığını biliyoruz. Öyle ki gözlemlenebilir maddelerin yarattığı yer çekimi onları bir arada tutmaya yetmez. Bu da ekstra yerçekimi oluşturan bir şeyler olması gerektiğini akla getiriyor. Görünmeyen, gizemli bir şeyler...

Karanlık maddenin var olması gerektiği fikri buradan doğuyor. Bununla birlikte, evrenin ilk oluştuğu dönemlerde yıldızların oluşabilmesi için de ekstra bir kuvvet gerekiyordu. Stanford Üniversitesi'nden fizikçi Risa Wechsler şöyle diyor:

Görünen o ki yoğun bir bölgede Güneş’in kütlesinin en az bir milyon katına ihtiyacınız var ki yıldız oluşmaya başlasın. Karanlık madde olmadan bir noktada asla yeteri kadar madde biriktiremezsiniz.

Karanlık madde, elektromanyetik kuvvetle etkileşmediğinden, onu tespit etmek oldukça zordur. Işığı yaymaz, emmez veya yansıtmaz.

Karanlık maddenin varlığını, görünür madde üzerindeki kütleçekimsel etkisinden hissedebiliyoruz. Uzak bir ışık kaynağından (örnek olarak bir kuasar) gelen ışığın karanlık maddenin oluşturduğu yer çekimi yüzünden büküldüğünü gözlemleyebiliyoruz. Kaynağın bilinen konumunu çarpık görüntüsü ile karşılaştırarak, bozulmaya neden olan maddenin dağılımını yeniden yapılandırabiliyoruz. Karanlık maddenin mercek etkisinden ve yer çekimi ile etkileşime girmesinden onun bir parçacık gibi davrandığını görüyoruz.

Karanlık Madde Araştırmaları

Çoğu fizikçi karanlık maddenin atom altı parçacıklara benzer bir parçacık olduğu konusunda hemfikir. Dünya üzerindeki çoğu deney de bu doğrultuda sürdürülüyor. Parçacık hızlandırıcı deneyler, çok yüksek hızlarda iki parçacığı çarpıştırarak bir karanlık madde partikülü elde etmek için yapılıyor. Higgs bozonu da bu yolla keşfedilmişti. Şimdiye kadar yapılmış en güçlü parçacık hızlandırıcıdan başlayalım.

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) ve CERN

Standart modeldeki parçacıklar karanlık maddeyi tanımlamak için yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle standart modeldeki boşlukları doldurmak için geliştirilen Süpersimetri teorisi yardımımıza koşar. Birçok görüş karanlık maddenin süpersimetrik parçacıklar içerdiğini savunur. Parçacıkların elektrik yükü nötr olmalıdır ve normal madde ile zayıf etkileşmesi gerekmektedir ki karanlık madde için uygun birer aday olabilsin. Bu şartları sağlayan en hafif süpersimetrik parçacık LHC çarpışmalarında üretilmeye çalışılıyor.

LHC, protonları hızlandırıyor ve toplam 13 TeV enerjiyle çarpıştırıyor. ATLAS araştırmaları tarafından kullanılan LHC, fiziğin temel prensibi olan momentum korunumunu kullanarak karanlık madde parçacığını tespit etmeye çalışıyor. Toplamda eksik olan momentum görünmez parçacıklar tarafından taşınıyor demektir. Bu cevapsız enine momentuma “ETmiss” denir.

En popüler karanlık madde parçacığımız ise WIMP (Zayıf Etkileşimli Masif Parçacık).

WIMP tek tür bir parçacık olmayabilir. Karanlık madde miktarının normal maddenin yaklaşık beş katı olduğunu biliyoruz. Sıradan maddenin bile birden fazla farklı parçacıklar ve etkileşimlerle tanımlandığını düşünürsek karanlık maddenin tek bir parçacık veya etkileşimle tanımlanmaması gerektiğini söyleyebiliriz. Deneyler sonucunda pek çok WIMP modeli ile karşılaşabiliriz.

Karanlık maddeyi bulmak için sürdürülen en yaygın çalışmalar yeraltına hassas detektörler yerleştirerek yapılıyor.

Lux-Zeplin (LZ)

İkinci nesil bir karanlık madde dedektörü olan LZ, benzeri görülmemiş bir hassasiyetle WIMP’leri tespit etmesi için tasarlanmış. Güney Dakota’daki Sanford Yeraltı Araştırma Merkezinde yer alan LZ dedektörü, içerisindeki sıvı ksenon kütlesi 10 ton olduğunda en hassas durumunda olacak. Burada amaç WIMP’lerin çok yoğun olan sıvı ksenonun içinden geçerken arkalarında bırakabileceği izi gözlemlemek. Gözlemlerin yer altında yapılmasının nedeni ise cihazı kozmik ışınların etkisinden korumak.

XENON1T

İtalya'daki Gran Sasso Ulusal Laboratuarı'nda bulunan 3D görüntüleme sıvı ksenon zaman projeksiyon odası olan XENON1T dedektörü, ksenon atomlarından sıçrayan karanlık maddenin sinyallerini bulmayı amaçlar. Çoğu teorisyen, karanlık maddenin ağır ksenon çekirdekleriyle çarpışacağını ve “nükleer geri tepme” üreteceğini tahmin ediyor. Böyle bir çarpışma olursa, iki sinyal üretir: küçük bir ışık flaşı ve dedektörden dışarı sürüklenip çıkarılabilen bir serbest elektron bulutu.

Sonuç

Nadir karanlık madde parçacıklarının etkileşimlerini gözlemleyerek veya kontrollü laboratuvar koşularında üretmeye çalışarak karanlık maddenin doğasını anlayabilmeyi umuyoruz. Etrafımızı çepeçevre saran ve evrenin beşte birini oluşturan bu yapıyı tanımlamayı başarırsak evrene olan bakışımız kökten değişebilir. Bilimin ve teknolojinin yönü de aynı şekilde değişecektir. Beklediğimiz sonuca ulaşamasak bile bu yoldaki eşsiz deneyimlerin bize çok şey öğreteceğinden emin olabiliriz.

Karanlık madde ile ilgili diğer içeriklerimizi buradan görebilirsiniz.