Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği Nedir? Karanlık Madde, Gerçekte Var Olmayabilir mi?

Karanlık maddenin Evren'in önemli bir kısmını oluşturduğu düşünülüyor. Buna rağmen, karanlık maddeye ilişkin şimdiye kadarki tecrübelerimiz bir hayli farklı: Güneş'imizin, Güneş Sistemi içerisindeki kütle olarak en büyük cisim olduğunu biliyoruz ve ayrıca Güneş'in "normal" (örneğin, proton, nötron, elektron) maddeden yapıldığını da...  Sistem içerisinde Güneş ile beraber, gezegenler, gaz, toz, plazma türü maddeler de bulunuyor. Bununla birlikte karanlık maddenin, bu tür maddelerden biri olmadığını biliyoruz. Ek olarak karanlık madde, Standart Model içerisindeki parçacıklardan herhangi biri de değil. Bu nedenle karanlık madde, standart fizikte ayrı bir madde kategorisi olarak değerlendiriliyor.

Ancak karanlık madde, Evren'de gözlenen çekim kuvvetlerinin dahil olduğu fiziksel olaylara ve gözlemlere açıklama getiren tek teori de değil. Diğer bir teoride ise, çekim yasasının kendisine düzenleme yapılması söz konusu: Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği (İng: "Modified Newtonian Dynamics" veya kısaca "MOND") teorisi, karanlık maddeye şimdiye kadar getirilen en iyi "alternatif teori"dir diyebiliriz.

Newton, Bir Kez Daha Yanılmış Olabilir mi?

Bu konuyu iyi bir şekilde açıklayabilmek için, 1800'lü yıllara gidip, eksik kütle –veya ışık– sorunu hakkında konuşmakta fayda var. Günümüzde MOND ve karanlık maddenin çözmeye çalıştığı sorun da budur: Uranüs ve Merkür problemleri. Aslında bunu buradaki yazımızda ve aşağıdaki videomuzda detaylıca anlatmıştık; fakat konu bütünlüğü açısından burada görece kısa bir özetini yapacağız. Bu sayede neden Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği'ne ihtiyacımız olabileceğini daha iyi anlayacağız.

1600'lü yıllarda Newton tarafından ortaya atılan çekim yasaları, doğanın fiziğini açıklamada sıra dışı bir başarı göstermişti. Hareket eden cisimlerin hedeflerinden; sarkaçlı bir saatin parçalarının ağırlığına; bir botun özgül ağırlığından, Ay’ın Dünya etrafındaki yörüngesine kadar, Newton yasaları hep çalışmıştı.

Hatta, Newton'un çekim yasalarının özel bir formu olan Kepler'in üç yasası, bilinen tüm gezegenlere eşit olarak uygulanabiliyordu:

1. Gezegenler, odaklarının birinde Güneş olan eliptik yörüngelerde dolanırlar.
2. Güneş etrafındaki yörüngesinde, her bir gezegen tarafından süpürülen alan, her bir zaman aralığında, yörüngenin her noktasında birbirine eşittir. Yani bbir gezegenin yörüngesinde eşit zaman aralıklarında süpürdüğü alanlar birbirlerine eşittir: Gezegen, Güneş'e yakınken hızlı hareket ederek daha geniş bir kesitte alan süpürürken, uzakken daha dar fakat daha uzun bir kesitte alan süpürür. Bu iki alan eşit zaman aralıklarında birbirlerine eşittir.
3. Bir gezegenin yörünge döneminin karesi, yarı büyük eksen uzunluğunun küpü ile orantılıdır. Yarı büyük eksen uzunluğu, elipsin uzun ekseninin yarısı büyüklüğündedir. Bu değer çemberde çapa eşittir ve elips çembere yaklaştıkça, yarı büyük eksen ve yarı küçük eksen uzunlukları arasındaki mesafe de azalır.

Imperial

Bilinen iç ve dış gezegenler yukarıda listelediğimiz bu kurallarla uyumluluk gösteriyordu. Yüzlerce yıl boyunca, bu değerlerde herhangi bir sapma dahi tespit edilememişti. Ta ki, 1781 yılında Uranüs keşfedilinceye kadar... Yeni keşfedilen gezegen, Güneş Sistemi içerisinde eliptik bir yörüngede dolanıyormuş gibi görünürken, çekim yasalarına göre yanlış bir hızda hareket ediyormuş gibi de görünüyordu.

Forbes

Uranüs, keşfinin ilk 20 yılı boyunca, bazı geceler ve bazı yıllarda yasaların öngördüğünden daha hızlı hareket etti. Bununla birlikte sonraki 20-25 yıl içerisinde, gezegen tam da yasaların ön gördüğü şekilde hareketini sürdürdü. Son olarak ise yavaşladı ve yasaların öngörülerinin de altında hızlara geriledi.

Çekim yasaları yanlış mıydı? Belki de... Ya da belki de, gezegenin bu hızlanma yavaşlama hareketinden sorumlu göremediğimiz maddeler söz konusuydu. Görünemeyen madde, yani "karanlık bir madde", Uranüs'ü çekiyor ve yörüngesinde değişimlere neden oluyordu.

Daha sonra gerçekten de durumun böyle olduğu anlaşıldı: Urbain Le Verrier ve John Couch Adams arasındaki teorik savaşın ardından, Le Verrier’in tahminleri, Johann Galle ve asistanı tarafından 23 Eylül 1846 yılında doğrulandı ve Neptün keşfedildi. Bu cisim ayrıca, yaptığı kütle çekim tedirginlik etkileri nedeniyle keşfedilen ilk cisim olma özelliğini de taşıyordu. Uranüs’ün karanlık maddesi bu sayede bulunmuş oldu: Neptün.

Diğer bir taraftan, en içerideki gezegen Merkür de –yüzlerce yıllık veri ile gözlem yöntemlerinin hassasiyetinin artması sağ olsun– çekim yasalarına aykırı özellikler göstermeye başlamıştı. Kepler yasaları, bir odağında Güneş bulunan bir gezegenin mükemmel bir eliptik yörüngede dolanmasını ön görürken (ve Güneş Sistemi'nde başka bir cismin var olması da öngörülmezken), Merkür mükemmel kapalı bir elips yörüngede dolanmıyordu. Bunun yerine elips, zamanla bir dönme hareketinde bulunuyordu.

Diğer tüm gezegenlerin Merkür ve yörüngesine olan etkilerini hesaptan çıkardıktan sonra, Merkür yörüngesinde ek olarak yüzyılda 43 yay saniyelik (0.012 yay derecelik) bir fark arta kalıyordu ve bu fark herhangi bir hesap hatası sonucu da ortaya çıkmıyordu.

Peki bu sefer açıklama ne şekilde olacaktı? Bu sefer görünmeyen madde, belki de Merkür yörüngesinden daha içerilerde bir yerdeydi. Yoksa sorun çekim yasalarının kendisinde miydi? Sorunu çözmek için "Vulcan" adı verilen, Güneş'e Merkür'den daha yakın bir gezegen olabileceği düşünüldü; ancak bu gezegen bir türlü bulunamadı. Çözüm, Einstein’ın Genel Görelilik teorisi ile geldi.

Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği Nedir?

Şimdi, 1970'li yıllara, Vera Rubin tarafından yürütülen bilimsel gözlemlere gelelim. O dönemde çok sayıda gökada gözlemeye başladık. Özellikle de tepeden baktığımız (İng: "edge-on") gökadaları gözleyerek, gökadalar içerisindeki yıldızların hız profillerine baktık. Gökadanın bir tarafındaki yıldızların bize doğru hareket ettiklerini görürken (ışıkları mavi dalga boyuna doğru kayarken), diğerlerinin ise bizden uzaklaştıklarını (ışıkları kırmızı dalga boyuna doğru kaydığını) gördük.

Gökadalarda da aynı kendi Güneş Sistemi'miz içerisinde olduğu gibi, sistemin içerisindeki yıldızların daha hızlı hareket ederken, sistemin dışındaki yıldızlarınsa daha yavaş hareket etmelerini bekleriz. Üstelik gökadanın merkezinden uzaklaştıkça hızların kademeli bir şekilde de azalmaları gerekir. Fakat karşılaştığımız senaryo bu değil.

Gökada içerisindeki yıldızların hızları sistem dışına doğru ilerledikçe düşme göstermiyor. Bunun yerine yıldızlar sabit bir hızda ilerliyorlar. Peki bu duruma ne yol açabilir? Daha önceki örneklerde de gördüğümüz üzere, buna iki neden yol açabilir: Ya çekim yasalarında belirli düzeltmelere ihtiyaç var; ya da fazladan, göremediğimiz, görünmez bir kütleye ihtiyaç var.

Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği adı verilen teori, ilk olarak 1981'de Moti Milgrom tarafından ortaya atıldı. Teoriye göre; eğer Newton yasalarını çok küçük ivmeler (saniye kare başına bir nanometrenin küçük bir bölümü civarındaki ivmeler) için değiştirirsek, bu durumda bahsi geçen dönme eğrilerine sahip olabiliyoruz. Ek olarak, aynı düzeltme sayesinde, küçükten büyüğe tüm gökadaların dönme eğrilerine de açıklama getirilebiliyor.

Fakat diğer taraftan, karanlık madde teorisinde ise, normal maddeler olarak sayılan proton, nötron ve elektron gibi maddelerin yer aldığı Standart Model içerisine yeni bir madde eklememiz gerekiyor. Gökadaların bu dönme olgusunu açıklayabilmek için, ışıkla, kendisi ile ve normal maddeyle etkileşime girmeyen bir madde önermemiz gerekiyor. İşte "karanlık madde" fikri bu şekilde ortaya çıktı.

Wikimedia

Karanlık madde, dönme eğrilerini açıklayabilir; fakat bunu Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği kadar iyi yapamaz. Gökadaların Halo bölgelerine yönelik yapılan sayısal hesaplamalar, en basit karanlık madde modellerinin, gözlemlerle yeterince uyumlu olmadığını göstermektedir; Halo bölgeleri beklediğimizden daha eş ısılı bir görünüm vermektedirler. Eğer değerlendirmemiz gereken tek parametre dönme eğrileri olsaydı, bu durumda Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği açık ara öndeydi diyebilirdik.

Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği Neden Popüler Değil?

Fakat burada sadece dönme eğrilerinden değil, tüm evrenden bahsediyoruz. Eski bir teori yerine yenisini koymak istediğinizde (Genel Göreliliğin Newton yasalarının yerini alması gibi) yerine getirmeniz gereken üç gereklilik bulunuyor:

1. Öncelikle yeni teoriniz bir önceki kısmi başarılı teorinin tüm açıklamalarını yapabiliyor olmalı.
2. Açıklanmasına ihtiyaç duyulan yeni olguyu da açıklayabilmesi gerekiyor.
3. Ve son olarak, gerek deneysel, gerekse gözlemsel olarak test edilebilecek yeni öngörülerde bulunması gerekiyor. Bu öngörülerin ise söz konusu teoriye özgü olmaları gerekiyor.

Önceki teorinin çok sayıda başarısı olduğunu söylemek mümkün:

• Yıldız ışığının kütleler tarafından bükülmesi adı verilen çekimsel bükmeye ek olarak; güçlü ve zayıf çekimsel mercekleme etkileri,
• Shapiro zaman yavaşlaması,
• Çekimsel zaman gecikmesi ve çekimsel kırmızıya kayma,
• Büyük Patlama teorisi ve genişleyen evren kuramı,
• Gökadaların, Gökada kümeleri içerisinde hareketleri ve kümelerin kendileri.

Bunların tümünde Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği ya herhangi bir açıklama getiremiyor ya da söz konusu veriyle uyumsuz açıklamalar getirebiliyor. Belki, Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği'nin tümüyle bir teori olmaktansa, bizleri bir teoriye götürebilecek bir olayın açıklaması olabileceğini de düşünebiliriz. Günümüzde Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği'nin genişletilmiş teorileri ile uğraşan çok sayıda çalışma bulunuyor. Bunlara örnek olarak; TeVeS (Bekenstein'ın Tensör-Vektör-Skaler Kütleçekimi Teorisi), MoG (Jong Moffatt'ın Modifiye Edilmiş Kütleçekim Teorisi) verilebilir.

Karanlık Madde Neden Popüler?

Öte yandan, Einstein'ın kütleçekim teorisini alarak, buna etkileşimsiz ve soğuk karanlık maddeyi eklerseniz, bu durumda yukarıdaki listede verdiğimiz tüm olguları açıklayabiliyorsunuz.

Evrenin geniş ölçekli yapısındaki kümelenmeleri açıklayabildiğiniz gibi; buna ek olarak, geniş eğri şeklini ve eğrideki dalgalanmaları da normal maddeden beş kat daha fazla miktarda karanlık madde sayesinde açıklayabiliyorsunuz.

Ve olağanüstü bir şekilde, elinizde çarpışan gökadalara ilişkin tamamen yeni bir tahmininiz de olabiliyor: İki gökada çarpıştıklarında, içerideki gaz ısınmalı ve yavaşlayarak X-ışınları salmalı (resimdeki pembe bölgeler), bu sırada da çekimsel mercek etkisi ile görmeyi başarabildiğimiz kütle (resimde mavi bölgeler), karanlık maddeyi takip etmeli ve X-ışınlarından ayrılmalı. Gözlemsel sonuçlardan doğan bu yeni teori, son on yılda ortaya çıktı ve karanlık maddenin varlığına ilişkin doğrudan olmayan en önemli kanıtlardan biri olarak görüldü.

Forbes

Sonuç

Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği'nin karanlık maddeye göre önemli bir başarısı olduğunu söylemek mümkün: Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği, gökadaların dönme eğrilerini, karanlık maddenin şimdiye kadar yapabildiğinden çok daha iyi bir şekilde açıklıyor. Bununla birlikte Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği henüz fiziksel bir teori değil. Karanlık madde teorisini diğer teorilere oranla daha fazla duymanızın nedeni ise, bu teorinin evrenin tamamında daha uyumlu sonuçlar verebilmesidir. Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği günümüzde daha kapsamlı bir çekim teorisi için bir ipucu olabilir.

Fakat günümüzde, Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği kozmolojik anlamda sınıfta kalıyor diyebiliriz. Bu da onu karanlık maddeye kıyasla daha az tercih edilebilir hale getiriyor. Yani henüz güvenilir bir alternatif değil.