Karanlık Madde, Erken Yıldızların Evriminde Rol Alıyor Olabilir!

ArXiv'de ön baskı olarak yayımlanan yeni bir çalışma, karanlık maddenin evrenin ilk yıldızlarında yalnızca kütle çekimsel değil, kimyasal evrimsel süreçlerde de etkili olabileceğini öne sürüyor. Lina Yıldız ve Deha Kaykı tarafından, GTIIT’te (Guangdong Technion – İsrail Teknoloji Enstitüsü) görev yapan fizikçi Prof. Dr. Marcelo F. Ciappina danışmanlığında yürütülen bu çalışma; yıldız içi termodinamik yapılar ve nükleer tepkimelerin karanlık madde kaynaklı enerji enjeksiyonu ve istatistiksel dağılım değişimleri ile nasıl dönüştürülebileceğini kapsamlı bir model üzerinden ele alıyor. Bu yaklaşım, karbon ve nitrojen gibi biyojenik elementlerin üretiminde artışa, oksijen sentezinde ise azalmaya yol açan bir nükleosentez senaryosunu simüle ederek özellikle karbon açısından zengin ve metal bakımından yoksul (CEMP) yıldızların gözlemsel spektrumlarıyla yüksek uyum gösteriyor.

Araştırma, klasik yıldız evrimi modellerinin açıklamakta yetersiz kaldığı CEMP-no yıldızlarının anomalik C/O oranlarını karanlık madde etkisi ile açıklamayı hedef almaktadır. Bu bağlamda, karanlık maddenin yalnızca kütleçekimsel etkilerle değil, aynı zamanda termodinamik yapılar üzerindeki etkileriyle de erken yıldızlarda nükleer tepkime dengelerini değiştirebileceği varsayımı öne çıkarılmıştır. Özellikle zayıf etkileşimli kütleli parçacıkların yıldız çekirdeklerinde termalleşerek çift yok oluş süreçleri aracılığıyla ısı enjekte edebileceği fikri, çalışmanın hesaplamalı temelini oluşturmaktadır.

Yazarlar, karanlık madde kaynaklı enerji terimini klasik yıldız içi enerji üretim oranları ile sayısal olarak birleştiren, yüksek çözünürlüklü bir Python tabanlı simülasyon geliştirmişlerdir. Model, karanlık madde yoğunluğunun Navarro–Frenk–White (NFW) profiline göre yıldız içindeki dağılımını temel alarak, çekirdek sıcaklıklarını %7,6’ya varan oranlarda artırmakta ve böylece üçlü alfa süreci üzerinden karbon üretimini kuvvetlendirmektedir. Aynı zamanda, Fermi–Dirac dağılım fonksiyonunun karanlık maddenin etkisiyle kimyasal potansiyel açısından yeniden düzenlenmesi, yıldız içindeki parçacıkların enerji düzeylerine yerleşme olasılıklarını değiştirmektedir. Bu durum, yüksek sıcaklık ve yoğunluk koşullarında hangi nükleer tepkimelerin daha olası hale geleceğini doğrudan etkilemektedir. Başka bir deyişle, karanlık madde nedeniyle bozulan termodinamik denge, çekirdek tepkimelerinin yönünü ve verimliliğini belirleyen istatistiksel dağılımı yeniden şekillendirmekte; bu da özellikle karbon üretimi gibi kritik nükleosentez süreçlerinde anlamlı sapmalara yol açmaktadır.

Elde edilen sonuçlar, karanlık maddenin çekirdek bölgesinde oluşturduğu yoğunluk artışıyla hidrostatik dengeyi bozarak sıcaklık ve basınç gradyanlarını yeniden yapılandırdığını göstermektedir. Bu durum, helyumun karbon ve nitrojene dönüşümünü hızlandırırken oksijen sentezini baskılamakta ve yıldızın spektral özelliklerini farklılaştırmaktadır. Özellikle $0.2R\odot$ ve $0.6R\odot$ yarıçaplarında görülen C/O oranı pikleri, karanlık madde etkisiyle lokal ısınmanın nükleosentez üzerindeki etkilerini açıkça ortaya koymaktadır.

Araştırmada geliştirilen model, HE0107-5240 ve BD+44°493 gibi iyi incelenmiş iki CEMP-no yıldızının spektrumlarıyla karşılaştırıldığında; CH, CN ve C₂ moleküler bantları başta olmak üzere karbon ve azot emisyon çizgilerini yüksek doğrulukla yeniden üretmeyi başarmaktadır. Bu uyum, CEMP yıldızlarında gözlenen kimyasal anomalilerin dışsal kütle aktarımı ya da ikili sistem kirliliği olmaksızın, karanlık madde kaynaklı içsel süreçlerle açıklanabileceğini göstermektedir.

Sonuç itibarıyla bu çalışma karanlık maddenin evrenin kimyasal evriminde yalnızca dolaylı bir unsur değil, nükleosentezin dinamiklerini doğrudan etkileyebilen aktif bir bileşen olabileceğine dair güçlü kuramsal ve sayısal kanıtlar sunmaktadır. Karanlık madde varlığının yıldız içi enerji dengelerini ve nükleer tepkime zincirlerini yeniden biçimlendirebileceğini göstermesi bakımından, bu çalışma yalnızca mevcut modellerin sınırlarını zorlamakla kalmayıp, aynı zamanda yeni bir teorilere de temel oluşturma potansiyeli taşımaktır. Fermi–Dirac dağılımına kimyasal potansiyel katkısı, yıldız içi enerji üretimine doğrudan bağlanan yeni bir kuantum istatistiksel yaklaşımı temsil etmektedir. Bu yönüyle, çalışmanın sunduğu metodoloji, klasik yıldız evrimi kuramlarıyla parçacık fiziği modelleri arasında özgün ve bütünleyici bir köprü kurmaktadır.

Ayrıca, CEMP-no yıldızlarının gözlemsel spektrumlarıyla elde edilen çarpıcı uyum, karanlık madde mikrofiziğine dair çıkarımların yıldız ışığı üzerinden yapılabileceğini göstererek, karanlık maddeyi doğrudan değil ama izinden yola çıkarak inceleyebileceğimiz dolaylı gözlemsel stratejilere kapı aralamaktadır. Bu yaklaşım, evrenin ilk yıldızlarından başlayarak modern gözlemsel kozmolojiye uzanan çok katmanlı bir araştırma potansiyeli barındırmakta; dolayısıyla hem erken evren kimyasının anlaşılması hem de karanlık maddenin doğasının aydınlatılması açısından güçlü bir temel teşkil etmektedir.^[1]