Karanlık Enerji Nedir? Karanlık Enerjinin Ne Olduğunu Neden Hala Bilmiyoruz?

90’ların sonuna kadar, evrendeki enerjinin büyük bir kısmının hiçbir şekilde farkına varılmamıştı ve bilim insanları, bu gizemli enerjinin hâlâ ne olduğunu bilmiyor. Enerji açısından evrenin sadece %5’i, aşina olup anladığımız şeylerden oluşuyor: protonlar, nötronlar, elektronlar, fotonlar, nötrinolar, kara delikler ve hatta kütleçekim dalgaları... Geriye kalanın %27’si karanlık madde ve hepsinden çok daha fazlası, %68’i, yeni ve gizemli bir maddeden oluşuyor: karanlık enerji.

Forbes

Karanlık enerji, ilk başta, süpernova benzeri, çok uzak sinyallerden gelen ışığı inceleyerek yapılan gözlemler sonucu ortaya çıktı. Mesafe ve kızıla kayma ölçümleriyle bilim insanları evrenin sadece madde ve radyasyondan oluşamayacağı kanısına vardılar; ancak evrenin kaderini değiştirecek, yeni formda bir enerjiye ihtiyaçları vardı. 20 yılı aşkın süredir bu soru, neden cevabını bulamamış en büyük problemlerden biri?

NASA & ESA

Evrenin tam olarak ne tür bileşenlerden oluştuğunu bilmek istiyorsanız, yapmanız gereken tek şey, evrendeki çeşitli birçok objenin mesafe ve kızıla kaymalarını ölçmektir. Ölçtüğünüz kızıla kayma, objenin uzayda ne kadar hızlı hareket ettiği (genellikle yüzlerce ya da birkaç bin km/s) ile uzak bir kaynaktan ışık çıktığı anda evrenin genişleme miktarının bir kombinasyonudur. Mesafe ise, bir objenin görünürdeki parlaklık ya da açısal boyutunun bilinen, esas bir parlaklık veya boyutla karşılaştırılmasıyla anlaşılabilir.

Bütün gözlemlerimizi bir araya getirdiğimizde, süpernovalardan, büyük ölçekli yapılardan, kozmik arka plan mikrodalga ışımalarındaki dalgalanmalardan, vb. kaynaklardan hepsi, evreni tek bir şekilde tasvir ediyor: %5 normal madde, %27 karanlık madde ve %68 karanlık enerji.

Ned Wright, Betoule et al.'a ait en son verilere göre (2014)

Teorik olarak, bu gözlemleri anlamlandırma biçimimiz, olağanüstü bir şekilde düz mantığa dayanıyor. En büyük kozmik ölçekte evren, her yönde ve her konumda aynı. Kozmik ağı (İng: "cosmic web") inceleyip, bir galaksiden yola çıkıp, başka bir galaksiyle karşılaşmadan herhangi bir yönde milyonlarca ışık yılı gidebildiğinizi fark edebilirsiniz. Ancak bu ölçekler, her şeyin gerçekte ne kadar tekdüze olduğunu göstermeye yetecek kadar büyük değildir. Gözlemleyebildiğimiz evrende yaklaşık 400,000 Gly (1 Gly = 1 milyar ışık yılı) var ve birkaç milyar kübik ışık yıllı ölçeklerde her şey, gerçekten neredeyse %99,9 aynıdır.

Evren, her yönde ve konumda aynıymış gibi davranıyorsa, evrenin nasıl çalışacağını söyleyen bir formül yazabiliriz: Genişleme/daralma faktörü solda ve bütün madde ve enerji terimleri sağda... Bunlar genişleyen evreni kontrol eden kurallar ve bu oranın nasıl değiştiğini öğrenerek, evrende ne olduğunu, bunun ne kadar olduğunu ve nasıl davranacağını öğrenebiliriz.

Premier Institute/Harley Thompson

Farklı veriler, evrenin içeriğine dair farklı sınırlar belirliyor; ancak bunları birleştirip, çakıştıkları noktaları belirleyerek, bu bambaşka verilere hep beraber uyacak bir parametrenin var olup olmadığını bulabiliriz.

Kozmoloji’deki “uyumluluk modeli” de buradan geliyor. Bu modelde evren:

• günümüzde yaklaşık 67-74 km/s/Mpc hızda genişliyor
• genişlemeye şu anda karanlık enerji hükmediyor (%68)
• mekânsal olarak düz
• içindeki enerjinin geri kalanı(%32) çoğunlukla madde( hem normal hem de karanlık madde).
• Büyük Patlama’dan bu yana 13.8 milyar yıl geçtiği için 13.8 milyar yaşında.

Son günlerdeki tartışmalar ve gerginliklere rağmen, bu tasvir evrene dair varılan uzlaşma: Mevcut belirsizlikleri de dahilinde bulunduran, elimizdeki bütün verilerle tutarlı bir tasvir.

Supernova Cosmology Project, Amanullah et al., AP. J. (2010)

Evrendeki enerjinin büyük bir kısmının görünmez (ya da "karanlık") olması, bir kenara madde bile olmaması size acayip gelebilir. Madde normalde tortulaşıp bir araya gelir, kütlelerin çekiminden dolayı; yeterince madde bir noktada toplandığında evrenin genişlemesini yenip yıldızlar, galaksiler ve galaksi grupları/kümeleri kurabilirler. Maddenin hüküm sürdüğü bir evrende zaman geçtikçe yapılar daha da büyür ve ağ benzeri ve karmaşık hâle gelirler.

Ancak bol miktarda karanlık enerjinin de bulunduğu bir evrende, bu ağın büyüklüğünün ve karmaşıklığının bir limiti olacaktır. Gözlemlediğimiz karanlık enerji, uzay dokusunun doğasında olan bir enerji formu gibi çalışıyor. Evren genişledikçe maddenin yoğunluğu azalır (hacim arttıkça), radyasyonun da yoğunluğu (hacim arttıkça) ve enerjisi (ışık, kızıla kaydıkça) azalır; ancak karanlık enerjinin enerji yoğunluğu her zaman sabittir. Milyarlarca yıl sonrasında, radyasyonun da maddenin de yoğunluğu karanlık enerjinin yoğunluğunun altına düşerek günümüzde gözlemlediğimiz ivmeli genişlemeye neden oluyor.

E. Siegel/ Beyond the Galaxy

Modern gözlemsel kozmolojinin hedeflerinden biri, evrenin doğası incelenebilir bütün özelliklerini ölçerek karanlık enerjiyi tamamıyla açıklamaktır. Uzak Tip Ia süpernovaların sayılarını derleyerek, kozmik ağın büyük ölçekli kümeleşme özelliklerini erken, orta ve geç zamanlarda daha iyi ölçerek ve kozmik arka plan mikrodalga ışımalarındaki dalgalanma ve kutuplaşmalardan daha ince detayları ayırarak karanlık enerjinin tam olarak nasıl açıklanacağına daha iyi odaklanabiliriz.

Bir kozmolojik sabit olarak çalışıyor olabilir, bu karanlık enerjinin uzayın doğasında olan bir form olduğu anlamına gelir ya da daha karmaşık bir şekilde çalışıyor olabilir: kendine has (ve muhtemelen dinamik, sürekli değişen) bir durum denklemine sahip genel bir enerji formu...

Ancak gözlemler, Genel Görelilik Kuramı'na göre işleyip, karanlık enerjiyi hiç içermeyen bir evreni tamamen reddediyor.

Tokyo Üniversitesi, Kavli Impu

Geleneksel olarak karanlık enerji, tek bir parametreyle açıklanır: $w$, yani durum denklemi. Fizikte $w$, herhangi formdaki bir enerjinin enerji yoğunluğunu, o enerji formunun basıncına bağlar. Işık hızıyla karşılaştırıldığında ihmal edilebilir hızlarda hareket eden normal maddeler için $w=0$ olarak verilir, yani hem normal madde hem de karanlık madde basınçsızdır.

Radyasyon ise basınç uyguluyor: $w=+\genfrac{}{}{0ex}{}{1}{3}$ . Bu pozitif basınç zamanla daha tez bir şekilde düşen bir genişleme hızı oluşturuyor: evren radyasyon hükmündeyken genişleme hızı, madde hükmündeyken (w=0 olmak üzere) sahip olduğu genişleme hızından daha seri azalıyor. Kozmik sicimler ya da uzaysal eğriliğin hükmettiği $w=-\genfrac{}{}{0ex}{}{1}{3}$, bölgecik duvarların hükmettiği $w=-\genfrac{}{}{0ex}{}{2}{3}$ ya da kozmik sabitin hükmettiği $w=-1$ bir evren olabilir. Başka değerlerin mümkün olması ve w ‘nin değerinin zamanla değişmesine rağmen, en fazla yaklaşık %10’luk bir hata payıyla, w’yi tam olarak -1’e eşit olacak şekilde sınırlandırdık.

E. Siegel

Teorik olarak evrene yeni bir enerji formu için tasarlanan modellerin en basitleri $\genfrac{}{}{0ex}{}{1}{3}$’lük $w$’nin artışları içinde oluyor; karanlık enerjinin -1.00’a çok yakın olması, karanlık enerjinin kozmolojik sabit formuyla diğer aşina olduğumuz enerji formlarıyla olduğundan daha tutarlı olduğunu gösteriyor.

Genel Görelilik Kuramı'ndaki kozmolojik sabit, madde-ve-enerji formlarının yanında, Einstein denklemlerine (dolaylı olarak da Friedmann denklemlerine) eklenebilen tek enerji formu olması yönüyle ilginçtir. Aynı zamanda Kuantum Alan Teorisi'nde de boş uzayın doğasında olan enerji olarak yer alıyor. Eğer bu evrende potansiyel olarak var olabilen bütün partikül ve alanların katkılarını- ve boş uzayda nasıl geçerli olduklarını- hesaplayabilseydik, evrenin sıfır-noktası enerjisinin değerini bulmayı, dolaylı olarak da, evrenimizin kozmolojik sabitinin değerini bulmayı beklerdik.

Derek Leinweber

“Tamam,” diyoruz, “kuantum vakumuna etki eden her bir terimi nasıl hesaplayabileceğimizi biliyoruz, peki bu terimler ne?” Bu hesaplamaları yapıyoruz ve elde ettiğimiz değerler doğru olmak için çok, hem de çok büyük; gözlemlenen sınırlardan 120 kat daha büyük!

Neden olduğunu baktığımızda fark ediyoruz ki, kozmolojik sabit bir kütle/enerji değerinin dördüncü kuvvetindeki bir değerle orantılı ve bu orandaki “varsayılan” değer üç temel sabitin kombinasyonu: $c$ (ışık hızı), $h$ (Planck sabiti) ve $G$ (yerçekimsel sabit). Bunları kullanarak bir kütle/enerji orantısı oluşturduğumuzda elimize geçen, Planck kütle/enerjisi olarak da bilinen değer yaklaşık olarak ~10¹⁹ GeV.

Bu muazzam bir uyumsuzluk ve bu yüzden birçok teorik buluş karanlık enerji başka bir mekanizmayla açıklanacak şekilde yapılıyor.

F. Simspson et al. (2016)

Genel Görelilik Kuramı'nı aradan çıkarıp, yerçekimini değiştirmeyi deneyebiliriz. Bu sayede kozmolojik sabit yerine karanlık enerjiyi açıklamamıza yardımcı olacak birtakım yeni parametreler elimize geçiyor.

Agora Bilim Pazarı

H. G. Wells Bilimkurgu Seti-2: Gölgeler İçinde Rusya, Tüm Savaşları Bitirecek Savaş, Ay’daki İlk İnsanlar, Ağrı Dağı Yolcusu Kalmasın

Satın Al Tüm Ürünler

₺85.00 ₺116.00

Evrende, yeni bir alan tarif edebiliriz. Bu alan birçok farklı yolla türlü kuvvetlere ve etkileşimlere bağlanarak evrenin gözlemlediğimiz genişleme hızına sonuç verebilir.

Enflasyon fazındaki (aşina olduğumuz iki üstel genişleme dönemlerinden biri) koşulların bugünün karanlık enerjisine bağlı olduğu bir model tasarlayabiliriz.

Ya da, evrenden beklediğimizin dışında etkilere sahip olan yeni bir fikir öne sürebiliriz. Kozmolojik sabitten önemli ölçüde farklı sonuçlar veren herhangi bir model test edilebilir.

Forbes

Tabii ki bu teorik bükülmelerin gerekliliğine dair herhangi bir motivasyon yok; çünkü bu modifikasyonlar da hala kozmolojik sabit ve kuantum alan teorisindeki uzayın sıfır noktası enerjisini hesaba katmak zorunda. Şu anda, bu modellerin hepsi sorunu görmezden geliyor. İddialarına göre “gerçek” vakum beklenti değeri büyük ihtimalle sıfır ve gözlemlediğimiz karanlık enerji ise ilave bir geçici etki.

Elbette bu evrene istediğimiz kaderi yazabilme özgürlüğünü veriyor: yerçekimi değişimi, yeni alan, birleşik enflasyon + karanlık enerji ya da icat ettiğimiz yeni bir fikir yoluyla.

Ancak bu adımlar için hiçbir motivasyon yok, bugünlerde teorik olarak moda olmalarına rağmen. Gerçek şu ki, elimizdeki bütün göstergelere göre karanlık enerjinin tekdüze kozmolojik sabitten hiçbir farkı yok. Bunun dışındaki modeller elenmiş değil; ancak bu modellerin kaynağı tamamen kurmaca ve teorik hayalperestlik.

NASA/GSFC

Yine de birçok kişinin fark ettiği bir şey var: Belki de Planck kütle/enerji oranını kozmolojik sabite eklemekle sonuçlanan bir hesaplama tamamen hatalı. Eğer ~10¹⁹ GeV yerine dördüncü üssünü alacağımız 0.001’e (-0.01eV’ye) daha yakın bir kütle/enerji kullanırsak evrende gözlemlediğimizle uyuşan bir kozmolojik sabit değerine ulaşıyoruz.

Bu kütle menziliyle ilgili fazlasıyla ilginç olan, doğuştan bu menzile ait olan iki tür partikül olması:

1. Nötrinolar: Çeşitli ölçümlerden biliyoruz ki nötrinolar birbirinden çok az değişen kütlelere sahipler ve bu farklı türler arasındaki kütle farkı bu menzilin içine düşüyor.
2. Akslar: Teorik bir partikül ve karanlık madde adayı; aksların bir çok varyasyonun durgun kütlesinin mikro-eV’den mili-eV’de olması mümkün.

Eğer bu düşük enerjili ölçekte yeni bir fizik ortaya çıkıyorsa, kuantum vakumuna olan katkıları da karanlık enerji bilmecesini açıklayabilir.

Forbes

İşin doğrusu, gözlemsel olarak, karanlık enerji uzay kumaşının doğal bir parçasıymış gibi çalışıyor. NASA’nın, 2020’lerin en önemli astrofizik görevi (James Webb’den sonra) WFIRST, $w$’nin ölçülen kısıtlamalarını %1 ya da %2’ye düşürmemize yardımcı olacaktır.

Uzay boşluğu neden sahip olduğu özelliklere sahip? Neden evren kumaşının sıfır nokta enerjisi sıfırdan farklı pozitif bir değer? Ve karanlık enerji herhangi başka bir şekilde değil de neden gözlemlediğimiz gibi çalışıyor?

Gördüğümüzü açıklayabilmek için uydurabileceğimiz sonsuz sayıda model var; ancak –sıfırdan farklı bir kozmolojik sabit için- oluşturulan modellerden en basiti, hiçbir ekleme ya da modifikasyonla verilere uymaya ihtiyaç duymaz. Kuantum vakumunu anlamaya yönelik gelişmelere imza atamadığımız sürece karanlık enerji modern teorik fiziğin en büyük cevaplanmamış sorularından biri olarak kalacak.