Galaksi Dönme Eğrisi Nedir? Galaksilerin Dönüşü, Bize Karanlık Madde Hakkında Ne Söyleyebilir?

Kozmolojinin en önemli konularından biri de galaksilerin nasıl döndükleridir. Hatta karanlık madde fikrinin ortaya çıkışı bile spiral galaksilerden elde edilen galaksi dönme eğrisi verisine dayanır. Kulağa tek başına pek de önemliymiş gibi gelmeyen bu gözlem, hem galaksilerin yapısı ve evrimi hakkında bildiklerimize hem de evrene olan bakış açımıza büyük katkılar sağlamıştır ve sağlamaktadır.

Karanlık maddenin varlığına dair ilk çalışmalar, aslında 1930'larda Zwicky ve Smith tarafından ortaya atılmaya başlamıştı. Galaksi kümelerindeki ilginç hız dağılımı, orada görülenden fazla miktarda kütle olabileceğini söylüyordu. 1970'lerde Rubin'in galaksilerin dönmeleri üzerinde yaptığı çalışmalar ise, bu iki analiz her ne kadar birbirinden bağımsız olsa da aynı şekilde görülemeyen bir maddenin varlığını işaret ediyordu. İki bağımsız yöntemin aynı şeyi işaret ediyor olması, karanlık madde fikrinin güçlenmesine neden oldu. Bu sebeple galaksilerin dönme eğrilerinin incelenmesi, çok daha öncelikli bir konu haline geldi.

Galaksi Dönme Eğrisi

Spiral galaksiler (ya da sarmal galaksiler), bir disk biçiminde yapılara ve sarmal kollara sahiptir. Dönme hareketi diferansiyeldir, yani galaksinin merkez kısmı, dış kısmına göre beklenen şekilde daha hızlı döner. Çünkü böylesi bir sistem en basit şekilde kütleçekim ile merkezkaç arasındaki bir dengeyle varlığını sürdürür. Eğer çekim kuvveti fazlaysa (merkeze yakın iseniz), dönüş hareketiniz de hızlı (dolayısıyla merkezkaç da fazla) olmalıdır. Eğer çekim fazla olursa merkeze doğru çekilir, merkezkaç fazla olursa da galaksiyi terk edebilirsiniz. Fakat sistem dengede ise, yani ne merkeze çekiliyor ne de sistemi terk ediyorsanız kabaca bu iki kuvvet de dengededir denebilir.

Galaksi dönme eğrisi, galaksinin merkezinden dış kısmına doğru olan hız dağılımını inceler. Yani merkeze $X$ kadar uzaklıktaki bir cismin $Y$ hızıyla olan dolanma hareketini inceleyerek bunu bir grafiğe dökeriz. Bu hareketin incelenmesi, genellikle hidrojenin radyo bölgesinde yaptığı 21 cm çizgisinin incelenmesiyle mümkün olur. Evrende bol miktarda hidrojen bulunduğu ve bunların önemli bir kısmı bu salmayı gösterdiği için, çizginin incelenmesiyle galaksinin hız dağılımı da incelenmiş olur.

Stack Exchange

Eğer ilk defa bir galaksi dönme eğrisi görüyorsanız, yukarıdaki gariplik direkt gözünüze çarpmayabilir. Fakat dikkatli inceleyecek olursanız, galaksi dönme eğrisinin bir noktadan sonra neredeyse düz ilerlediğini göreceksiniz. Yani bir noktadan sonra galaksinin dönüş hızı hep sabit. O noktadan sonraki bölümler, aynı hızda dönüyor. Bu şu demek, bu noktaya uygulanan çekim kuvvetleri de aynı! Çünkü galaksi ne içine çöküyor ne de dağılıyor. Bu nasıl mümkün olabilir? Uzaklaştıkça çekimin azalması gerekmiyor mu?

Karanlık Madde veya Alternatif Çekim Teorileri

Böyle bir durumun gözlenmesi, ilk başta akla orada göremediğimiz bir madde olduğu fikrini getirdi ki bu oldukça makul bir düşüncedir. Evrende yer alan maddelerin hepsi teleskoplarımızda ışıldamak zorunda değildir. Karadelikler ya da gezegenler gibi doğrudan kendileri ışıma yapmayan ve orada oldukları kolay kolay belli olmayan gök cisimleri vardır. Aynı zamanda nötrino gibi zayıf etkileşimli parçacıkların sayısının çok fazla olması da kütleyi ciddi oranda etkileyebilir. Ya da etkileyebilir mi?

Eğer orada göremediğimiz bir madde dağılımı varsa bu yeterli çekimi oluşturabilirdi. Lakin bildiğimiz türden maddeler elektromanyetik etkileşime girerler ve varlıklarını bir şekilde görürüz. Özellikle böyle inanılmaz miktarlardaysa. Böylesi bir madde gözlenemeyince, demek ki buradaki madde, elektromanyetik etkileşime girmiyor fikri yükselmeye başladı ve karanlık madde fikri iyice tanınmaya başladı.

Milkyway@Home

Fakat bu duruma bir alternatif daha olabilir! Gözlenen olayın, çekimi açıklamakta zorlandığını bir kez daha düşünün. Mesele, oradaki çekimin az olmasına sebep olacak kayıp kütleyi açıklamak olduğu kadar, çekimin kendisindeki bir eksikliği açıklamak da olabilir. Yani Einstein'ın Genel Görelilik Teorisi, tıpkı Newton'ın Kütleçekim Teorisi gibi bazı eksiklikler barındırıyor ve geliştirilmeye ihtiyaç duyuyor olabilir.

CERN

Bu durum üzerine kafa yoran birçok teorik kozmolog, çekim kuramlarını modifiye ederek modifiye çekim (İng: "modified gravity") adında bir alanın doğmasına neden oldu. Bugün, Einstein'ın çekim kuramına alternatif, onun veya Newton'ın çekim kuramının modifiye edilmesiyle ortaya atılmış birçok alternatif teori bulunuyor.^{[1], [2]} Bunlardan biri olan Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği (MOND) hakkında daha çok bilgi edinmek için bu yazımızı okuyabilirsiniz.

Fakat bunların gözlemsel olarak sınanması, şu anda elimizdeki teknolojik imkanlarla oldukça kısıtlı olduğundan bekleme durumundalar. Ancak birçok fizikçi bu teorilerin, mevcut karanlık madde fikrinden daha zayıf olduğunu düşünüyor. Fakat zamanın geçmesiyle birlikte bunların daha çok benimsendiğini görüyoruz.

Elinizdeki matematik her ne kadar kusursuz olsa da bu onun fiziksel bir gerçeklik teşkil ettiği anlamına gelmeyebilir. Bekleyip zamanla her birinin elenişine tanıklık edeceğiz, geriye ise doğru olan kalacak. Galaksi dönme eğrisi gibi gözlemsel ipuçları ise, bu konuda en büyük yardımı sağlıyor.