Karanlık Madde Hakkında Neler Biliyoruz? Neleri Henüz Bilmiyoruz?

Bilim insanlarının karanlık madde hakkında bilmediği birçok şey var: Onu bir dedektör yardımıyla yakalayabilir miyiz? Laboratuvar koşullarında yaratabilir miyiz? Ne tür parçacıklardan meydana gelmekte? Birden fazla tür parçacıktan mı oluşuyor? Hatta parçacıklardan mı oluşuyor? 

Kısacası, karanlık madde hala gizemini koruyor. Bu terim aslında sadece bilim insanlarının evreni anlamamız noktasında eksik görünen bir bileşene verdikleri isim olarak karşımıza çıkıyor.

Bilim insanlarının bu gizemli fenomen hakkında kesin olarak söyleyebilecekleri bazı şeyler var.

Natalia Toro, ABD Enerji Bakanlığı'nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda teorik bir fizikçi ve Light Dark Matter Experiment (LDMX) ve Beam Dump Experiment (LDMX) gibi karanlık madde araştırma gruplarının bir üyesi. Toro, Amerikan Fizik Derneği Parçacıklar ve Alanlar Bölümü'nün 2019 toplantısında, karanlık madde hakkında bir konuşma yaptı.

Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova

Karanlık Madde, Uzun Ömürlüdür!

Karanlık madde, evrenin oluşum sürecinde çok erken dönemde oluşmuştur. Bunun kanıtı, kozmik mikrodalga arka planda (CMB) evrenin aşırı sıcak olan ilk anlarından kalan çok ince radyasyon tabakasıdır.

Natalia Toro’ya göre, çok fazla miktarda karanlık maddenin 13.7 milyar yıl sonra bile hala var olduğu gerçeği, bize karanlık maddenin en az 10¹⁷ saniyelik (veya yaklaşık 3 milyar yıl) bir ömre sahip olduğunu söylüyor. Ancak, karanlık madde ömrünün bundan daha uzun olduğuna dair daha açık bir ipucu var: Karanlık maddenin bozunduğuna yönelik herhangi bir kanıt görmüyoruz.

Parçacık fiziğinde Standart Modelin en ağır parçacıkları parçalanarak enerjilerini daha hafif parçacıklar halinde serbest bırakır. Toro şöyle diyor:

Karanlık madde bunu yapmıyor gibi görünüyor. Karanlık madde hangi parçacıktan meydana geliyorsa gelsin, gerçekten yaşamına uzun bir süre devam ediyor.

Bu özellik bilinmesine rağmen alışılmadık şey şudur: Elektronlar, protonlar ve nötrinolar gibi parçacıklar uzun ömürlüdür ancak özellikle karanlık madde bu hafif, kararlı parçacıklardan daha ağır olduğunda ortaya çıkar. Toro şöyle diyor:

Bir olasılığın, doğada bir çeşit yükün olması ve karanlık maddenin bu yükü taşıyan en hafif şey olmasıdır.

Parçacık fiziğinde yük korunmalıdır, yani yük yoktan oluşturulamaz veya vardan yok edilemez durumdadır. Şimdi gelin bir elektronun daha ağır bir versiyonu olan bir müonun bozunmasını ele alalım.

Bir müon genellikle yük taşımayan bir çift nötrinoya ve müon’un negatif yükünü paylaşan bir elektrona bozunur. Böylece müon, üç parçacığa bozunsa da, elektromanyetik yükü korunmuş olur. Elektron, negatif elektromanyetik yüke sahip en hafif parçacıktır. Bozunması için daha küçük bir kütleye sahip hiçbir şey olmadığından, kararlı kalır.

Ancak elektromanyetik yük, tek yük türü değildir. Örneğin, en hafif parçacık olan protonlar, kuark adı verilen parçacıklardan oluşmaları gerçeği ile ilişkili olarak baryon sayısı denilen bir yük türü taşırlar. Kuarklar ve gluonlar, parçacık etkileşimlerinde korunan ve fizikçilerin renk yükü olarak adlandırdığı yük türüne sahiptir. Karanlık madde parçacıkları ise yeni bir yük türüne sahip en kararlı parçacıklar olabilir.

Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova

Karanlık Madde, Hiçbir Şeye Temas Etmeden Tüm Galaksileri Şekillendirdi.

Karanlık maddenin görünen kararlılığı, diğer özelliklerinin de anahtarı gibi görünüyor: evrenin evrimini etkileme yeteneği. Astrofizikçiler, çoğu galaksinin karanlık maddenin yardımı olmadan oluşmayacağını düşünüyorlar.

1930'larda İsviçreli astrofizikçi Fritz Zwicky, Saç Kümesi'ndeki (Coma Cluster) galaksilerin sadece ışıldayan materyallerden oluşması durumundan 400 kat daha ağırmış gibi görünmesine neden olan bir şeyin olduğunu belirtti. Bu tutarsız durumun bugün daha küçük olduğu hesaplandı, ancak hala varlığını sürdürmeye devam etmektedir. Zwicky, galaksilere bu ekstra kütleyi verebilecek şeyi tanımlamak için “karanlık madde” terimini literatüre kazandırdı. 

1970'lerde Washington'daki Carnegie Enstitüsü'nde bir gökbilimci olan Vera Rubin, bizimki gibi sarmal galaksilerin de göründüğünden daha kütleli davrandığını belirlemek için spektrografik kanıtlar kullandı. Bu galaksiler beklenenden çok daha hızlı dönüyorlardı. Bu durumun galaksilerin, örneğin, karanlık maddenin görünmeyen halelerine oturuyorlarsa mümkün bir durum olabileceği öne sürüldü.

Bilim insanları, karanlık maddenin ışıldayan materyaller üzerinde başka bir etkisini de gördüler. Karanlık madde kümeleri, ışığın uzayda izlediği yolda yer alan kozmik çukurlar gibi davranır ve onu “gravitasyonel mercekleme” adı verilen bir süreçte bükmekte ve deforme etmektedir. Gökbilimciler, bu mercekleme süreçlerini inceleyerek başka türlü görünmez karanlık maddenin dağılımını haritalayabilir duruma gelebilirler.

Tıpkı normal madde gibi, karanlık madde de evrene eşit olarak dağılmamıştır. Astrofizikçiler, galaksiler ilk oluştuğunda, evrenin biraz daha fazla karanlık maddeye sahip bölgelerinin (ve dolayısıyla daha fazla gravitasyonel çekim) daha fazla madde çektiğini ve şimdi gördüğümüz galaksilerin dağılımına yol açtığını düşünüyorlar. Toro şöyle anlatıyor:

Evrende farklı bir karanlık madde modeli olsaydı galaksilerin geç zamanda oluşabileceği, farklı yoğunluklarla oluşmuş olabileceği ya da hiç oluşmamış olabileceği gibi olasılıklar akla gelebilirdi. Galaksiler daha yoğun hale gelebilir, bir sürü kara deliğin oluştuğu bir durum söz konusu olabilir ya da çok daha karanlık maddenin varlığı ile sonuçlanabilir.

Karanlık madde kendisi ile bile etkileşime girmeyecek kadar reaktif olmayan bir maddedir ki iki galaksi birleştiğinde, galaksilere ait karanlık madde haleleri birbirlerinin içinden geçerler.

Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova

Karanlık Madde, Evren'in %85'ini Oluşturuyor!

Şaşırtıcı bir şekilde, karanlık maddenin tam olarak ne olduğu konusu net olmamasına rağmen, astrofizikçiler bunun hangi miktarda evrende bulunduğunu çok iyi biliyorlar, bu yüzden karanlık maddenin evrendeki bilinen maddenin %85'ini oluşturduğunu söyleyebiliriz. Fizikçiler bu miktara karanlık maddenin “kozmolojik bolluğu” diyorlar. Toro şöyle anlatıyor:

Kozmolojik bolluk, bize evrenin çok daha küçük ve çok daha az yoğun olduğu zamanlar için yapısı hakkında çok şey söyleyebilir. Erken evrenin evrimi sırasında ortalama yoğunluğun evrenin herhangi bir alanındaki mevcut gerçek karanlık maddenin temsilcisi olabilir. Karanlık maddenin kozmolojik bolluğu, “fizikçiler olarak şapka asabileceği tek sayı”.

Bilim insanları yaptıkları çalışmalarda bir dizi farklı karanlık madde adayını önerdiler ve aktif olarak da aramaya devam ediyorlar. Karanlık madde, az sayıdaki zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacıklar (WIMPs)'dan veya daha fazla sayıdaki hafif aksiyonlardan (axion: hipotetik bir temel parçacık) oluşmuş olsa bile, toplam kütlesi kozmolojik bolluk miktarına eklenmek zorundadır. Toro, bu sayıyı olabildiğince doğru almış olmanın ve karanlık madde aramak için farklı stratejileri tahmin etmeye çalışmanın çok önemli olduğunu söylüyor.

Karanlık madde hakkında başka herhangi bir şeyin (etkileşim gücü, saçılma oranı ve diğer potansiyel özelliklerin) nicelleştirilmesi oldukça “şaşırtıcı”. Gerçekleşecek yeni bir ilerleme ile gerçekten ölçebileceğimiz bir karanlık madde özelliği daha bulmak büyük bir sıçrama olurdu.