Karanlık Madde: Evrenin Yarısından Fazlası Nasıl "Görünmez" Olabilir?

Evren'in %27'si, "karanlık madde" olarak bilinen gizemli bir madde formundan oluşuyor. "Şey" diyorum, çünkü onun ne olduğunu ve neden yapıldığını henüz bilmiyoruz. Bilmiyoruz, çünkü karanlık madde, bizim uzak cisimlerin özelliklerini araştırmakta kullandığımız araçların temelinde yatan elektromanyetik alandan hiç etkilenmiyor. ... Ama karanlık maddeden yansıyan ışığı gözleyip de onun ne olduğuna bakamıyoruz, çünkü ışık, karanlık maddenin içinden geçip gidiyor ve bu sırada özellikleri hiçbir şekilde değişmiyor. Zaten bu nedenle ona "karanlık" madde diyoruz. Karanlık madde, ışığı soğurmuyor da, saçmıyor da... Ama sadece gözle görünür ışığı değil: X-ışınları, mor ötesi ışınlar, radyo ışınları... Elektromanyetik spektrumun hiçbir noktası karanlık maddeyle etkileşmiyor. (Ayrıca karanlık madde ne baryonik maddeyle ne de diğer karanlık maddeyle etkileşiyor (veya birazdan göreceğimiz gibi, çok zayıf bir şekilde etkileşiyor).) Karanlık maddenin, galaksilerin etrafında genellikle küresel bir şekilde öbeklendiği düşünülüyor.

Geri kalan %68'iyse bu videoda girmeyeceğimiz "karanlık enerji" denen daha da gizemli bir enerji formundan oluşuyor.

Üzerine ışık, yani elektromanyetik dalgalar düşüyor, cismin yüzeyinden yansıyor, cismin özelliklerine göre bazı değişimlerden geçiyor ve gözünüze ulaşıyor. ... Ama sadece gözle görünür ışığı değil: X-ışınları, mor ötesi ışınlar, radyo ışınları... Elektromanyetik spektrumun hiçbir noktası karanlık maddeyle etkileşmiyor.

Bir girdapta, merkezden dışa doğru olan bu dönme hızı farkını gösteren grafiklere "rotasyonel eğri" adını veriyoruz.

Dikkat edin: Burada hızdan kastım, çizgisel hız değil, açısal hız. Katı cisimler için farklı parçaların açısal hızları hep sabit: Merkezden 10 metre dışarıdaki bir nokta da atıyorum saatte 2 derece dönüyor, merkezden 1 kilometre dışarıdaki bir nokta da... Kasırganın gözüne yakın bir nokta, dakikada atıyorum 5 derece dönerken, dış kısımları dakikada sadece 1 derece dönüyor olabilir.

Tabii ki merkezden daha uzak yerlerin uzayda aynı sürede daha çok yol kat etmesi gerektiği için çizgisel hızları daha yüksek oluyor. Bu nedenle Dünya'yı sadece katı kayalardan oluşan bir kütle olarak hayal edip, yarıçapının yarısına kadar inecek olsaydınız, dönüş hızınız yüzeydekinin yarısı kadar olurdu. Ama bu, çizgisel hız dediğimiz şey.

Kütlesinin çoğu merkezde öbeklenmiş olan bir galaksinin dışarı doğru spiraller halinde uzayan kolları, Kepler yasalarına göre merkezden daha yavaş hareket etmeli.

Tek tek galaksileri incelemeye başlamamızdan çok önce, galaksi kümelerinin hareketlerini gözleyebilmeye başladık. Ama bu kümeler, mesela ta 1930'larda gözlenen Coma Kümesi gibi galaksi kümeleri, normalde gözleyebildiğimiz kütle sayesinde sahip olabileceklerinden çok daha yüksek hızlarda hareket ediyorlardı.

Yıldızlar ve galaksiler gibi büyük kütleli cisimler, kendi etraflarındaki uzay-zaman dokusunu bükerek, yıldızların gerçekte olduğundan daha uzaktaymış gibi gözükmesine neden olabilirler. Hatta dev galaksi kümeleri, arkalarında kalan ve dolayısıyla aslen göremeyeceğimiz cisimlerin ışıklarının bize ulaşmasını bile sağlayabilir! ... Bu lensleme etkisinin ne düzeyde olacağını belirleyen şey, ışığı büken cismin (mesela galaksinin) toplam kütlesi.

Bu, Büyük Patlama'dan 380.000 yıl kadar sonra Evren geneline saçılan ilk ışığın günümüze kadar kalan izi. Yani Evren'in doğum fotoğrafı gibi... Bu fotoğrafın ortalama sıcaklığı 2.725 Kelvin, yani -270.425 santigrat civarında. Fotoğraftaki kırmızı kısımlar 2.725 Kelvin'den sadece 0.00335 Kelvin daha sıcak olan yerler; mavi kısımlarsa sadece 0.00335 Kelvin soğuk olan yerler. Yani bu renk dağılımı, Büyük Patlama'dan artakalan ışığın ne kadar düzenli olduğunu gösteriyor.

Fizikçiler bu fotoğraftaki örüntülere bakıp, kendini tekrar eden örüntüleri bir arada toplayarak "güç spektrumu" denen bir grafik çiziyorlar. Bu grafikteki pik noktalarının büyüklüğünü Evren'deki madde miktarı, dolayısıyla karanlık madde miktarı belirliyor.

Bizden 3.72 milyar ışık yılı uzaktaki Mermi Kümesi'ne bakın. Bu küme içindeki galaksiler, şu anda saniyede 4500 kilometre gibi müthiş bir hızla birbiriyle çarpışıyorlar. Fotoğrafta, bu çarpışmadan kaynaklı şok dalgasını görebilirsiniz. Her neyse, bu sistemin etrafında da bol miktarda kütleçekim lenslemesi oluşuyor. Ama bu etkinin çok ilginç bir tarafı var: Gözleyebildiğimiz madde, kümenin ortasında öbeklenmiş halde; işte yıldızlar birbiriyle etkileşiyor, gaz kümeleri birbiri etrafında dağılıyor falan. Galakside gözlediğimiz sıradan maddeyi, bu fotoğrafta kırmızı renklerle görüyoruz. Ama galaksi kümesinin etrafında gözlenen kütleçekim lensleme etkisi, görebildiğimiz maddenin dağılımıyla örtüşmüyor. Fotoğrafta mavi ile gösterilen öbek, gerçekte olması gereken ek kütleyi gösteriyor. Yani karanlık maddeyi... İşte eğer karanlık madde gerçekse, Mermi Kümesi'nin davranışı son derece anlaşılır olurdu, çünkü baryonik maddenin aksine karanlık madde ne baryonik maddeyle ne de diğer karanlık maddeyle etkileşiyor (veya birazdan göreceğimiz gibi, çok zayıf bir şekilde etkileşiyor). Dolayısıyla galaksiler çarpışırken, karanlık madde hiçbir şey olmamış gibi yoluna devam ediyor; baryonik madde ise kendisine çarpan diğer baryonik madde nedeniyle yavaşlıyor, zaman kaybediyor.

Evren'deki madde ve enerjinin sadece %5'ini etrafımızda gördüğümüz insanlar, toprak, Dünya, Ay, gezegenler, yıldızlar, kinetik enerji, potansiyel enerji falan oluşturuyor. ... (Büyük Patlama'ya yönelik hesaplamalar, karanlık maddenin etkilerini açıklayabilecek kadar bol miktarda baryonik maddenin oluşma ihtimali olmadığını gösteriyor.)

Hatta bilim insanları kütleçekimini doğru anlamıyor veya doğru modellemiyor olabileceğimiz üzerinde bile durdular! "Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği" olarak bilinen bu yaklaşımda, mesela belki de "F=ma değil de F=ma^2 olmalı?" veya "Newton'un kütleçekim yasasında belki de iki cismin kütlelerinin kütleçekim sabitiyle çarpımı, aralarındaki mesafenin *karesine* değil de, direkt olarak mesafenin *kendisine* bölünmesi gerekiyordur?" gibi sorulara cevaplar aranıyor. ... Yeni bir teorinin sadece eski teorinin açıklayamadıklarını açıklaması yetmez. Onun açıklayabildiği her şeyi en az onun kadar başarılı bir şekilde açıklayabilmesi gerekir. Modifiye Newton Teorileri, en azından şimdilik bunu başaramıyor.

Belki sizin de aklınıza gelmiş olabilecek ikinci bir olasılık, kara delikler veya nötron yıldızları gibi büyük kütleli cisimler... Bunlara "MACHO"lar deniyor. Kısaltmanın baş harfleri İngilizcede "Massive Astrophysical Compact Halo Object", yani "Büyük-kütleli Astrofiziksel Olarak Sıkışmış Hâle Nesneleri" sözcüklerinden geliyor. Bunlar, bildiğimiz maddeden yapılmış olan ama mesela kara delik örneğinde olduğu gibi üzerine düşen ışığı yutup, dışarıya hiçbir elektromanyetik sinyal göndermeyen; veya nötron yıldızları, kahverengi cüceler, başıboş gezegenler gibi örneklerde olduğu gibi çok zayıf bir elektromanyetik sinyale sahip olan cisimler.

Şu anda karanlık maddenin ne olabileceğiyle ilgili en olası açıklama, "maço" sözcüğünün de zıt anlamlısı olan WIMP'ler, yani Weakly Interacting Massive Particles veya Zayıfça Etkileşen Kütleli Parçacıklar. Bunlar öyle kara delik gibi kocaman ve sıkışmış gök cisimleri değil de, son derece küçük, atom altı parçacıklar. Ama onlardan inanılmaz çok miktarda olursa, karanlık maddenin etkilerine benzer etkilere sahip olabilirler. Bir diğer deyişle, karanlık maddenin ne olduğu çözüldüğünde, onların baryonik maddeyle kütleçekimsel olarak etkileşen, elektromanyetik olaraksa çok zayıf bir şekilde etkileşen atom altı parçacıklar olduğunun ortaya çıkması çok olası.

Mesela karanlık madde olmaya en uygun aday, nötrinolar gibi gözüküyor - ama o da kusursuz bir aday değil. Nötrinolar, çok hafif olan ve diğer parçacıklarla elektromanyetik olarak etkileşmeyen atom altı parçacıklar. Mesela şu anda vücudunuzdan her bir saniye yaklaşık 100 trilyon tane nötrino geçiyor ama siz hiçbir şey hissetmiyorsunuz, çünkü bu nötrinolar, vücudunuzdaki maddeyle neredeyse hiç etkileşmiyor. Daha doğrusu etkileşiyor; ama WIMP'lerin adından da anlaşılacağı üzere, çok zayıf bir şekilde etkileşiyor ve bunu tespit edebilmek için devasa tankların içini yağ ile doldurduğumuz kocaman detektörler kullanmamız gerekiyor. Buna rağmen nötrinoların etkileşimi o kadar zayıf ki, Dünya'nın bir tarafından girip, öteki tarafından hiç etkilenmeden çıkabiliyorlar, öyle düşünün. Yani sadece gökyüzünden değil, yerin içinden de nötrinolar vücudumuza kadar ulaşıyor ve içimizden geçip yollarına devam ediyorlar. Sıkıntı şu ki, nötrinolar ışık hızına çok yakın hızlarda hareket ediyorlar. Bugüne kadar karanlık maddeye yönelik incelemelerse, onun bu kadar yüksek bir kinetik enerjiye sahip olmaması gerektiğini gösteriyor. Yani karanlık madde varsa, "sıcak" olmamalı, "soğuk" olmalı. Yavaş hareket etmeli... Aslında yavaş hareket eden nötrinolar da var; ama bunları tespit etmesi çok daha zor.

Kara delikler gibi gök cisimlerini direkt olmasa da, akresyon diskleri veya civarlarındaki yıldızlar üzerindeki etkileri gibi dolaylı yöntemlerle tespit edebiliyoruz.

İlerleyen videolarda detaylarını anlatacağım Coriolis Kuvveti dolayısıyla (Kuzey Yarımküre'de) kasırgalar hep saat yönünün tersine dönerler, Güney Yarımküre'de ise hep saat yönünde dönerler.

Büyük Patlama'dan 380.000 yıl kadar sonra Evren geneline saçılan ilk ışığın günümüze kadar kalan izi olan kozmik mikrodalga artalan ışıması, Evren'in doğum fotoğrafı gibi kabul ediliyor.

Hayır; karanlık maddeye dair çok sayıda bağımsız ve güçlü gözlemsel kanıt vardır (rotasyon eğrileri, lensleme, CMB, küme dinamikleri, Bullet Kümesi vb.), bu yüzden sadece spekülatif bir fikir değildir.

Karanlık madde elektromanyetik radyasyonla etkileşmediği için ışıkla ne absorbe edilir ne saçılır; bu yüzden doğrudan optik veya diğer EM frekanslarda görülmez.

Büyük Patlama'nın ürünleri ve diğer gözlemler, baryonik MACHO'ların karanlık maddenin tamamını oluşturamayacağını gösteriyor; ayrıca bu tür nesnelerin dolaylı izleri tespit edilebilir.

Nötrinolar doğru özelliklerin bir kısmına sahip olsa da çok 'sıcak' (hızlı) oldukları için karanlık maddenin yapılaşma gereksinimlerini karşılamazlar; karanlık madde 'soğuk' (yavaş) olmalıdır.

Güneş Sistemi'ne yayılmış karanlık madde miktarı çok azdır; tümünü bir araya toplasak küçük bir asteroid kadar yer kaplardı, bu yüzden yerel etkileri ölçülemez derecede küçüktür.

Hayır; karanlık madde normal maddenin duvarlarıyla elektromanyetik etkileşmediği için kap duvarlarından geçer ve tutulamaz.

Modifiye edilen yerçekimi teorileri bazı gözlemleri açıklayabilir, fakat şu ana kadar tüm bağımsız verileri (CMB, lensleme, küme hareketleri vb.) tutarlı şekilde açıklayabilmiş değiller; yeni bir teorinin eski teorinin başarılarını da koruması gerekir.

Gözlemler (ör. Bullet Kümesi) karanlık maddenin büyük oranda etkileşimsiz ve çarpışma sırasında baryonik gazdan farklı davrandığını, yani çok zayıf etkileştiğini gösterir.

Karanlık madde, elektromanyetik olarak görünmeyen ama kütleçekimsel etkileriyle varlığı gözlemlenen, evrendeki toplam kütlenin büyük bir kısmını oluşturan gizemli madde türüdür.

Evet; galaksi rotasyon eğrileri, galaksi kümelerinin dinamikleri, kütleçekimsel lensleme, CMB güç spektrumu ve örneğin Bullet Kümesi gibi bağımsız gözlemler bir arada güçlü kanıt oluşturur.

Hayır; karanlık madde elektromanyetik spektrumun hiçbir bölgesiyle anlamlı şekilde etkileşmiyor, bu yüzden doğrudan ışıkla tespit edilemiyor.

Galaksilerin dış kısımlarında gözlenen sabit yüksek hızlar, görünen kütle dağılımına göre beklenen düşüşü göstermiyor; bu, galaksi içinde görünmeyen ek kütle gerektirir.

Bir cismin ışığı bükme miktarı toplam kütlesine bağlıdır; gözlemlenen lensleme, görünen maddeyle açıklanamayacak kadar büyük olduğu için görünmeyen kütle (karanlık madde) olduğunu gösterir.

Çarpışma sırasında baryonik gaz yavaşlayıp dağılıkken, lenslemeyle tespit edilen kütle galaksilerle örtüşmeyip önde kalır; bu durum karanlık maddenin çoğunlukla etkileşimsiz olduğunu gösterir.

Muhtemelen hayır; Büyük Patlama hesapları ve dolaylı gözlemler böyle cisimlerin yeterli miktarda bulunmadığını ve karanlık maddeyi açıklayamayacağını gösterir.

Kısmen hayır; nötrinolar elektromanyetik etkileşim göstermez ama çok hafif ve hızlı (sıcak) oldukları için karanlık maddenin gerektirdiği 'soğuk' (yavaş) yapıyı sağlamazlar.

Bazı durumlarda MOND benzeri modeller belirli gözlemleri açıklayabilir ama şu ana kadar tüm bağımsız gözlemlerin (CMB, lensleme, küme dinamikleri vs.) hepsini başarıyla aynı anda açıklayamamışlardır.

Hayır; karanlık madde elektromanyetik olarak neredeyse hiç etkileşmediği için normal bir kabın duvarlarıyla etkileşmez ve serbestçe geçerdi; ayrıca Güneş Sistemi'nde toplanmış miktarı çok azdır.

Carl Sagan okuyanların itirazlarını anımsatmak için örnek olarak anıldı (bilime ilgi duyanların tepki beklentisi).

Newton'un kütleçekim teorisi ve F=ma örneği üzerinden mevcut çekim teorilerinin tartışılmasında referans verildi.

Einstein'ın Görelilik Teorisi, çekim ve uzay-zaman bükülmesi bağlamında bahsedildi.

Galaksilerde beklenen hareketin Kepler yasalarına göre olması gerektiği açıklanırken Kepler yasalarına referans verildi.