Kara Madde ve Kara Enerji nedir? Varlığına dair kanıtlarımız nelerdir?

Karanlık madde ve karanlık enerji, ne olduğunu bildiğimiz şeyler değil aslında hatta bir problemin adı demek daha doğru olur.

Bu konuya girmeden evvel iki adet eski problemden ve bu problemlerin nasıl çözüldüğünden bahsedeyim.

İlki Uranüsün yörüngesi, Uranüs ilk defa 13 Mart 1781 tarihinde William Herschel tarafından gözlemlendi. Tabi o dönem Newton ve Kepler kanunları oldukça iyi bir şekilde bilinmekteydi ve hemen bu bilgi ile Uranüs'ün yörüngesi hesaplandı, hatta 1821 tarihinde Alexis Bouvard isimli fransız astronom Uranüs'ün ileriki zamanlarda bulunacağı konumları tek tek hesaplayıp bu konumların tablosunu yayınladı. Fakat Uranüs'ün, Bouvard'ın öngördüğü yörüngeyi takip etmeyip biraz yoldan saparak hareket etmesi bütün fizik alemini ayağa kaldırdı. Newton'un hareket kanunlarından tutun da kütle çekim kanunlarına kadar bütün klasik mekaniği zan altında bırakan bu durum üzerine bütün bu kuramlar elden geçirildi ve her yerinde bir eksik bir hata arandı. 20 yıl boyunca devam eden bu uğraşa 24 Eylül 1846 yılında Neptün gezegeninin gözlenmesi bir son verdi. Newton kanunlarında yanlış yoktu hesabın yanlış olmasının sebebi Uranüs'ün yörüngesine oldukça yakın bir yörüngesi olan bir dev gezegen vardı ve onun etkisini dahil etmeyince yörünge yanlış çıkıyordu.

İkincisi ise Merkür'ün yörüngesi, Uranüs'ün probleminin çözülmesinin üzerinden çok vakit geçmeden Neptün'ün olası yerini hesaplayarak Neptün'ün keşfedilmesine ön ayak olmuş olan Fransız astronom  Urbain Le Verrier 1859 yılında Merkür'ün de yörüngesinin Newton kanunlarına uymadığını ve küçük bir sapmanın olduğunu farketti. devamındaki 50 yıl boyunca bilim insanları ve astronomlar bu sorunun çözümünü aradı. Acaba Merkür'ün de mi dibinde henüz farketmediğimiz bir cisim vardı da o yüzden mi yörüngesi sapıyordu? 50 yılın sonunda duruma açıklık getirecek kişi Albert Einstein olacaktı. Çünkü bu sefer gerçekten sorun Newton kanunlarındaydı ve aslında bütün gezegenlerde bulunan bu sapma yörüngesi çembere en yakın olan Merkür'de en fazlaydı ve 19.yüzyıl'ın ortalarındaki teknoloji ile farkedilebilecek kadar büyüktü. (Bu arada mevzubahis sapma yaklaşık yüzyılda 40 açı saniyesi kadar) Einstein'ın genel izafiyet teorisi ile hesaplayınca ise geçek yörünge bulunabiliyordu.

Konumuza dönecek olursak, günümüz modern gözlemleri galaksilerdeki (biri, ikisi değil neredeyse tamamı) yıldızların özellikle de galaksi merkezine uzak olan yıldızların dönme hızlarının sadece Newton mekaniğine değil Einstien'ın izafiyet teoremine de uymadığını gösteriyor. Bu probleme verilen isim karanlık madde problemi. Yani karanlık madde aslında galaksilerin bu kadar hızlı dönmesine sebep olan şey. Ne olduğunu tam olarak bilmiyoruz ama bu konu ile ilgili bir takım tahminlerimiz var. Karanlık madde adaylarını iki ana grupta düşünebiliriz:

1. Merkür durumunda olduğu gibi teorilerimizde hata olabilir. Ancak galaksi büyüklüğündeki mesafelerde açığa çıkan ufak bir modifikasyon yapmak gerekiyor olabilir. Bu tip çözümlere vereilen genel isim "modifiye kütleçekim teorileri".
2. Uranüs durumunda olduğu gibi galaksilerin içinde göremediğimiz bir takım fazladan maddenin bulunması. Bu ihtimal ana akım bilim adamları tarafından daha muhtemel olarak düşünülüyor. Eğer fazladan göremediğimiz bir madde varsa bu maddenin ya ışıkla etkileşmiyor veya çok çok az etkileşiyor olması lazım ki onu fark edemeyelim. Ne olabileceği ile ilgili bir çok tahmin mevcut. Sıcak, ılık ve soğuk karanlık madde adı altında bu grubu da üçe ayırmak mümkün.

Karanlık enerji'ye gelince, 1978 Nobel fizik ödülünü Arno Penzias ve Robert Wilson adlı Amerikalı astronomlara kazandırtan 1965 yılında keşfettikleri Kozmik mikrodalga arka plan ışımasından sonra evrenin evrim sürecini açıklamaya çalışan bir çok teoriden biri olan Büyük patlama teorisi açık ara en çok kabul gören teori oldu. 1990'lı yıllara gelindiğinde evrenin genişlemekte olduğu tamamen biliniyordu ama bu genişlemenin nasıl seyrettiği merak konusuydu. Acaba asimtotik olarak sonsuza kadar yavaşlaya yavaşlaya büyümeye devam mı edeceti yoksa büyümesi bir yerde durup çöküşe mi geçecekti. Bu konu hakkında spekülasyonlar teoriler uçuşurken 1998 yılındaki bir keşifle bütün tartışmlar bertaraf oldu. 2011 Nobel fizik ödülünün verileceği bu büyük keşifte iki farklı grup eşzamanlı olarak evrenin genişlemesini ölçmeyi başardı ve evrenin genişlemesindeki yavaşlamayı ölçmeye çalışan bu gözlemlerden çıkan sonuç evrenin yavaşlayarak değil hızlanarak genişlediği idi. Peki evren hızlanarak genişliyorsa bu genişlemeyi hızlandıran neydi? Michael S. Turner'ın 1999 yılında Üçüncü Stromlo Sempozyumu'nda bu probleme karanlık enerji ismini verdi ve hızlanarak genişlemeye sebep olan etkiye karanlık enerji dendi. Karanlık enerjinin de ne olduğunu bilmediğimiz gibi bunun hakkında da bir takım tahminlerimiz mevcut:

1. Kozmolojik sabit, yine tabii ki ilk olarak teori de mi hata var diyeceğiz ve uzay-zaman'ı açıklayan Einstein denklemlerinden şüphe ediyoruz ki aslında hızlanarak genişleyen evren vermesi için tek yapmamız gereken Einstein denklemlerine bir sabit eklemek. "Λ" harfi ile gösterilen kozmolojik sabiti denkleme ekleyince hızlanarak genişlemek genel izafiyet teorisinin doğal bir sonucu oluyor ki ana akımda oldukça kabul gören bir karanlık enerji adayı.
2. Quintessence, 5. temel kuvvet olarak (bkz. Evrendeki 4 temel kuvvet) olarak öne sürülen bir skaler alan. ( arXiv:astro-ph/9806099)
3. Etkileşen karanlık enerji, karanlık enerjı ve karanlık maddenin aslında aynı meteryalin iki farklı etkisi olduğunu söyleyen bir model.(arXiv:1610.01272)

Bu arada hem karanlık madde hem de karanlık enerji için burda bahsetmediğim bir takım göreceli olarak daha az kabul gören iddialar var. Hangisi dogru hangisi yanlış zaman gösterecek belki pek umursanmayan bir hipotez aslında doğru veya hepsi yanlış daha gerçek çözümü henüz düşünemedik....

Ama şunu da belirteyim ana akım bilim insanlarının çoğunluğu "ΛCDM Model" ismi verilen karanlık enerjinin kozmolojik sabit olduğu karanlık maddenin de standart model dışından soğuk karanlık madde olduğu modeli olası görüyor. Tabii, ikisi de aktif araştırma alanı olduğundan ve hatta fizikte henüz çözülememiş en büyük problemlerden ikisi olduklarından kesin bir şey söylemek pek mümkün değil....