Karanlık Maddenin Peşinde

Günümüzde geçerli kabul edilen kozmik teorilere göre evrenin üç bileşenden oluştuğu düşünülür. “Sıradan madde” yıldızların, gezegenlerin, insanların ve görünen her şeyin yapıldığı maddedir. Ancak bu madde aslında evrenin toplam kütlesinin ve enerjisinin yalnızca yüzde 5’ini oluşturur. Geriye kalan yüzde 95’lik kısmın ise, her ikisi de görünmez ve doğası gereği alışılmadık olan, ancak bilim adamlarının evrenin evriminde ve genişlemesinde derin roller oynadığına inandıkları iki gizemli maddeden daha oluştuğu düşünülüyor: karanlık madde ve karanlık enerji.

Sıradan madde, yıldızları, gezegenleri, insanları ve evrendeki her şeyi oluşturan maddedir. Protonlar, nötronlar ve elektronlardan oluşur; atomları ve molekülleri meydana getirir. Doğrudan gözlemleyebildiğimiz madde olmasına rağmen, sıradan madde, evrenin toplam kütlesinin ve enerjisinin sadece yaklaşık %5’ini oluşturur.

Karanlık Madde

yüzyılın ortalarında astronomlar, galaksilerin dönme hızlarının, gözlemlenebilir maddeyle hesaplanan dönme hızlarından daha yüksek olduğunu gözlemlediler. Hesaplar, galaksilerin içindeki yıldızlar, gaz ve toz gibi gözlemlenebilir maddenin yerçekimi etkileriyle açıklanamayacak kadar hızlı döndüğünü gösteriyordu. Böylece, galaksilerde gözlemlenen ekstra yerçekimi etkilerini açıklamak için evrende görünmeyen ve normal maddeden farklı bir madde formunun varlığı düşünülmeye başlandı. Bu maddeye “karanlık madde” denildi.

Karanlık madde, gizemli ve görünmez bir maddedir. Işık yaymaz, emmez veya yansıtmaz, bu nedenle geleneksel elektromanyetik radyasyon temelli teleskoplarla algılanamaz. Ancak, görünür maddeler ve galaksiler üzerindeki kütleçekimsel etkilerinden dolayı varlığı çıkarsanabilir. Karanlık madde, evrenin toplam kütle-enerjisinin yaklaşık %27’sini oluşturur ve galaksilerin ve galaksi kümelerinin oluşum ve yapısında önemli bir rol oynar.

Karanlık Enerji

Karanlık enerjinin keşfi, 1998 yılında yapılan astronomik gözlemlerle gerçekleşti. Gözlemciler, uzak galaksilere ve süpernova patlamalarına baktıklarında, evrenin geçmişteki genişleme hızının, şaşırtıcı bir şekilde arttığını keşfettiler. Bu keşif, evrenin yerçekimsel çekiminin yavaşlatıcı etkisi yerine hızlandırıcı bir etkisi olduğunu gösterdi. Bu hızlanma, evrende bilinen normal maddeden ve karanlık maddeden beklenen yerçekimsel etkilerle açıklanamıyordu.

Astronomlar bu hızlanmanın nedenini anlamak için yeni bir enerji türüne ihtiyaç duyduklarını fark ettiler. Bu yeni enerji türüne “karanlık enerji” dendi. Karanlık enerji, evrendeki boş uzayda homojen bir şekilde dağılmış gibi görünüyor ve evrenin genişlemesini hızlandıran gizemli bir enerji formu olduğu düşünülüyor.

Karanlık madde gibi, karanlık enerji de madde veya parçacıkların bir türü değildir; bunun yerine, uzayın kendisinin bir özelliğidir. Çekim kuvvetinin karşıtı olarak hareket eder ve evrenin sürekli artan bir hızla genişlemesine neden olur. Karanlık enerji, evrenin toplam kütle – enerji içeriğinin yaklaşık %68’ini oluşturur.

Sıradan madde, karanlık madde ve karanlık enerji olarak bu üç bileşen, evrenin mevcut kompozisyonu hakkında en iyi anlayışı oluşturur. Ancak, karanlık madde ve karanlık enerjinin doğası, modern astrofizik ve kozmolojinin en büyük çözülmemiş gizemlerinden biridir. Bilim insanları, evrenin temel işleyişini daha derinlemesine anlamak için bu gizemli bileşenleri incelemeye ve araştırmaya devam ediyor.

Karanlık Maddenin Peşinde

Varlığı, görünür madde üzerindeki yerçekimi etkilerinden çıkarılsa da, kesin doğası hâlâ bilinmeyen karanlık madde için ana adaylardan bazıları:

Zayıf Etkileşen Büyük Parçacıklar (WIMP’ler): WIMP’ler, normal madde ile hemen hiç etkileşime girmeyen varsayımsal parçacıklardır ve bu da onların tespit edilmesini çok zorlaştırır. WIMP’lerin, Higgs bozonuna benzer bir kütleye sahip oldukları tahmin ediliyor.

WIMP’lerin, eğer gerçeklerse, evrende neden bu kadar çok karanlık madde olduğunu açıklamak için doğru özelliklere sahip olmalıdır. Erken evrende bol miktarda bulunuyorlardı, ancak soğuyup genişledikçe çok nadir hale geldiler ve geriye bugün var olduğunu hesapladığımız karanlık maddeyi açıklamaya yetecek kadar kaldılar.

Bilim insanları, bu tespit edilmesi zor parçacıkları yakalamak için aşırı soğutulmuş Ksenon ile DARWIN ve LUX gibi gelişmiş deneyler kullanıyorlar.

Bu deneylerde, kozmik ışınların gürültüsünü yaklaşık 10 milyon kat azaltmak için dedektörleri yeraltının derinliklerine yerleştiriyorlar. Sonra bir WIMP’nin dedektörün içinde, Ksenon atomlarıyla, etkileşime gireceğini umarak bekliyorlar.

Araştırmacılar, bir WIMP’in bir ksenon atomuyla çarpıştığında, elektronları serbest bırakan bir ışık parlaması yarattığına inanıyor. PMT’ler bunu görür ve elektronlar elektrik alanı tarafından not edilir. Bu, dedektörün tam merkezinde gerçekleşirse, bilim insanlarının görmeyi umduğu sinyal olabilir.

Buradaki zorluk, WIMP’lerin normal madde ile etkileşime girdiklerinde bıraktıkları küçük enerjiyi algılayabilen hassaslıkta dedektörler tasarlamaktır. Ayrıca, WIMP benzeri parçacıkların var olabileceğini öne süren Süpersimetri gibi teorileri de araştırıyorlar.

Bilim insanları WIMP’leri tespit edebilirlerse, bu, evrenimizi şekillendiren gizemli karanlık maddeyi anlamamıza yardımcı olacak önemli bir buluş olacaktır.

Aksiyon’lar: Aksiyonlar, elektrik yükü olmayan ve çok küçük kütleleri nedeniyle dalga gibi davranan varsayımsal parçacıklardır. Nükleer fizikteki problemlerin çözümünde ve evrendeki maddenin antimaddeye kıyasla bolluğunun açıklanmasında önemlidirler. Aksiyon’lar muhtemelen Büyük Patlama sırasında büyük miktarlarda üretildi.

Bilim insanları, sensörler ve antenler gibi hassas ekipmanları kullanarak aksiyonları tespit etmek için deneyler yapıyorlar. Ayrıca galaksimizin halesinde ve Güneş’te de arıyorlar. CERN, Axion Solar Telescope ve IAXO gibi bazı deneyler, Güneş’in içinde üretilen aksiyonları tespit etmeye odaklanır. ALPS ve OSQAR gibi diğerleri, foton dönüşümü yoluyla üretilen aksiyonları bulmak için güçlü mıknatıslar kullanır. Başka bir deney olan ADMX, tespit edilemeyen aksiyonları güçlü manyetik alanlar kullanarak mikrodalga fotonlara dönüştürmeyi amaçlıyor.

Aksiyonlar henüz doğrudan tespit edilmemiş olsa da, evrenimizin gizemlerini anlamamıza yardımcı olma konusunda büyük bir potansiyele sahipler.

Steril Nötrinolar: Nötrinolar inanılmaz derecede hafif, neredeyse kütlesiz parçacıklardır. Ancak son keşifler aslında küçük bir kütleye sahip olduklarını gösterir. Steril nötrinolar, bazı ilginç etkileri açıklamak için önerilen özel bir nötrino türüdür. Normal nötrinoların aksine, elektromanyetik kuvvetlerle değil, sadece yerçekimi ile etkileşime girerler. Bu nedenle bilim adamları, evrenin büyük bir bölümünü oluşturan gizemli madde olan karanlık maddeye aday olabileceklerini düşünüyorlar.

Steril nötrinoların tespit edilmesi zordur çünkü çok küçük kütleleri vardır ve diğer parçacıklarla zayıf etkileşime girerler.

Steril nötrinolar, nötrino kütlesini anlamak için gereklidir ve evrende neden antimaddeden daha fazla madde olduğunu anlamamıza yardımcı olabilir. Varlıklarını doğrulamak ve kozmostaki rollerini çözmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç var.

Yeni ve Önemli Gelişmeler

Karanlık madde araştırmalarının çoğu tamamen teorik kalsa da, fizikçiler önerilen modellerin gösterdiği özellikleri kullanarak aktif olarak çeşitli kütle aralıklarındaki karanlık madde parçacıklarının sinyallerini veya imzalarını aramaya çalışıyorlar. Bu şaşırtıcı arayışta gelecekteki beklentiler, farklı karanlık madde adaylarının belirli bir karanlık madde modeli/kuramının koşulları altında nasıl davrandığını analiz edebilir. LHC’den daha güçlü ve daha hassas parçacık çarpıştırıcıları oluşturmak, karanlık madde aramalarına da yardımcı olabilir. Karmaşık dinamiklere sahip olacak daha fazla karanlık madde türü içeren bir model de önerilebilir. Ayrıca daha fazla kozmolojik veri toplamamız ve analiz etmemiz de gerekiyor. Karanlık madde üzerine daha fazla araştırma, bizi standart modelin ötesine başarıyla geçebileceğimiz ve bu çalışma alanında devrim yaratabileceğimiz yepyeni bir fizik çağına götürme potansiyeline sahiptir.

Euclid: Temmuz 2023 başında, Avrupa Uzay Ajansı (ESA), bilinmeyene doğru yeni bir bilim misyonu başlatarak ve “karanlık evrenin bileşimini ve evrimini keşfetmeyi” amaçlayarak Euclid uzay teleskobunu başarıyla uzaya fırlattı.

Euclid’in aletlerinin ve sistemlerinin ilk testleri ve kalibrasyonları tamamlandıktan sonra, teleskop uzay ve zamanda evrenin üç boyutlu haritasını çıkarmak amacıyla, gökyüzünün üçte birini gözlemleyerek altı yıl geçirecek.

Euclid, gözlemleri aracılığıyla karanlık maddenin nasıl davrandığını ortaya çıkarmaya çalışacak, evrende nasıl dağıldığını açıklayacak ve kütleçekimsel merceklenmeyi ölçecek.

JWST: James Webb Uzay Teleskobu (JWST), astronomların varlığından bile emin olmadığı nadir bir yıldız türünü görmüş olabilir. “Karanlık yıldızlar” olarak adlandırılan bu yıldız nesneleri, nükleer füzyonla değil, karanlık maddenin – evrendeki maddenin yaklaşık yüzde 85’ini oluşturduğu düşünülen görünmez şeyin – kendi kendini yok etmesiyle beslenmiş olabilir. JWST tarafından görülen aday yıldızların onaylanması için daha fazla kanıta ihtiyacı olacak, ancak eğer gerçeklerse, bulgu ilk yıldızların nasıl oluştuğuna dair hikayemizi değiştirebilir.

Araştırmacılar, nesnelerin karanlık yıldızlar olduğunu henüz kanıtlayamadılar – yalnızca özelliklerinin, karanlık yıldızlar veya düzenli füzyonla çalışan yıldızların yaşadığı galaksiler olmalarıyla tutarlı olduğunu. Colgate Üniversitesi’nde bir astrofizikçi olan çalışmanın ortak yazarı Cosmin Ilie, JWST’nin teknolojisinin bu işi yapmak için yeterli olduğunu söylüyor. Araştırmacıların ihtiyacı olan tek şey daha fazla gözlem zamanı. Ilie, “Webb ile bu karanlık yıldızlardan birini ömrü içinde bulacağımızı umuyoruz” diyor.

Hyper Suprime Cam: Galaksiler gibi devasa yapılar bölgelerinden geçen ışığı kütleçekimsel merceklenme ile bükerek arka plandaki nesnelerin görüntüsünü değiştirirler. Doğrudan gözlenemeyen karanlık madde tarafından oluşturulan ekstra yerçekimi, kütleçekimsel  merceklenme yoluyla gözlemlenebilir.

Hawaii’deki Subaru teleskopunun Hyper Suprime-Cam (HSC) adı verilen kamerası gibi cihazlarla, bu tip dev gökcisimlerinin merceklenmesindeki uyumsuzluklar ölçülebiliyor. Bu sonuçlarla da, dolaylı yoldan, karanlık madde ile ilgili veri sahibi olunabiliyor.

Yakın zamanda HSC ile 25 milyon galaksi üzerinde ölçümler yapan araştırmacılar, çok çok küçük olan bu etkiyi yüksek bir hassasiyetle ölçmeyi başardılar. Ölçümlerle ilgili makaleler henüz yayımlanmasa da, mevcut kozmolojik model üzerinde değişiklik yapılmasını gerektirecek bir bulgu olma olasılığı dahi heyecan verici.

Karanlık madde araştırmalarının geleceği heyecan verici ve teknoloji ilerledikçe, yeni keşifler yapıldıkça evrenin bu esrarengiz bileşeni hakkında daha derin bir anlayış bekleyebiliriz. Karanlık maddenin, yapıların oluşumu, evrenin evrimi ve nihayetinde evrenin kendisinin temel doğası ile ilgili gizemlerin çözülmesinde çok önemli bir rol oynaması olası.