Karanlık madde nedir? Karanlık madde neyden oluşur, neden ışıkla etkileşime girmez? Evrende ne kadar karanlık madde bulunur, özellikleri hakkında bilgi.
Evrenin Karanlık Tarafı Karanlık Madde
Evren’deki maddenin yüzde doksanı ışımıyor, kapkaranlık. Karanlık madde yalnızca kütleçekim etkisi nedeniyle saptanabiliyor. Işık dalgaları ve madde ile çok az etkileşimi oluyor. Biliminsanları onun MACHO’lardan yani yıldızlaşamamış nesneler ile dev gaz gezegenlerinden ya da WIMP denen gizemli atomaltı parçacıklardan meydana geldiğini düşünüyor. Karanlık maddenin ne olduğunu çözmek fiziğin bilinmezlerle dolu yeni bir sahasıdır.
Karanlık madde kulağa oldukça egzotik geliyor ve kendisi de gerçekten öyle olabilir ama tanımı da bir o kadar gerçekçidir. Evren’de gördüğümüz şeylerin çoğu parlar çünkü ya kendileri ışık yayarlar ya da çarpan ışıkları yansıtırlar. Yıldızlar ışır çünkü sürekli foton pompalarlar. Gezegenler de parlar çünkü Güneş’ten gelen ışınları yansıtırlar. Eğer o ışık olmasa onları göremezdik. Ay, Dünya’nın gölgesinden geçerken kararır; yıldızlar yakıtları bitip sönünce geriye görülemeyecek denli sönük bir kalıntı bırakırlar. Hatta Jüpiter kadar büyük bir gezegen bile Güneş’ten kurtulup serbestçe uzaklaşsa ve uzayda dolaşmaya başlasa görünmez olur. Bu nedenle ilk bakışta Evren’deki şeylerin çoğunun parlamıyor oluşu o kadar da şaşırtıcı gelmeyebilir. Bunlar karanlık maddelerdir.
Karanlık taraf
Her ne kadar karanlık maddeyi doğrudan göremiyor olsak da uzaydaki diğer nesnelere ve ışık ışınlarına olan kütleçekim etkisi nedeniyle onu saptayabiliyoruz. Ay’ı görmesek ve orada olduğunu bilmesek de onun var olduğu çıkarımını yapabiliriz; çünkü onun kütleçekim etkisi Dünya’nın yörüngesini çok hafif çeker ve kaydırır. Bu kütleçekimsel yalpalama etkisi çok uzaktaki yıldızların çevresinde dönen gezegenleri keşfetmekte bile kullanılır.
1930’lu yıllarda İsviçreli gökbilimci Fritz Zwicky, yakınlarındaki dev bir galaksi kümesinin (içindeki bütün galaksilerdeki yıldızların toplam kütlesinden) sanki daha büyük bir kütlesi varmış gibi davrandığını fark etmişti. Zwicky bilinmeyen bir karanlık maddenin bütün galaksi kümesindeki görünür maddenin yani ışıyan yıldızların ve sıcak gazların toplam kütlesinin 400 katı olması gerektiği sonucuna ulaştı. Karanlık maddenin bu kadar çok olması büyük bir şaşkınlık yarattı; çünkü bu, Evren’in büyük bölümünün yıldızlardan ve gazlardan değil de bir başka şeyden oluştuğu anlamına geliyordu.
Peki, bu karanlık şey neydi? Ve nerede saklanıyordu?
Sarmal galaksilerde de belli miktarda kütle kayıptı. Galaksilerin dış kesimlerindeki gazlar, (galaksiler yalnızca içerdikleri yıldızların toplamı kadar kütleli olsalar) dönmeleri gerektiği hızlardan daha hızlı dönüyorlardı. Dolayısıyla galaksiler aslında yalnızca ışıklarına bakarak tahmin edilen kütlelerinden daha kütleliydiler. Yine görünen yıldızların ve gazların kütlesinden yüzlerce kat daha bol ek bir karanlık maddenin olması gerekiyordu. Karanlık madde yalnızca galaksilerin her yanına yayılmış olarak bulunmuyordu; kütlesi o kadar büyüktü ki galaksi içindeki bütün yıldızların hareketlerini baskın bir şekilde etkiliyordu. Karanlık madde yıldızların da ötesine yayılmıştı; her sarmal galaksinin çevresinde bir “kabarcık” şeklinde bulunan küresel “hale’yi dolduran yıldızların bile ötesinde bulunuyordu.
Kilo artışı
Gökbilimciler artık karanlık maddenin yalnızca galaksilerin içindeki değil, kütleçekim etkisiyle birbirine bağlı binlerce galaksiden oluşan kümeler içindeki ve bütün Evren’e yayılmış engin bir ağ oluşturan süper kümelerin (küme zincirlerinin) içindeki varlığının bile haritalarını çıkarmış durumdalar. Karanlık madde kütleçekimin etkili olduğu her yerde ve her ölçekte ön plana çıkar. Bütün karanlık maddeleri toplarsak, ışık yayan maddeden bin kat daha çok olduklarını görürüz.
Evren’in kaderi onun toplam ağırlığına bağlıdır. Kütleçekimin maddeyi bir araya getirme çabası Büyük Patlama’yla başlayan genişlemeyi dengeler. Evren’in üç olası sonu vardır. Eğer Evren çok ağırsa, kütleçekim galip gelir ve Evren sonunda içine çöker (Büyük Çatırdama’yla sona eren kapalı bir Evren). Kütle çok azsa, Evren sonsuza dek genişlemesini sürdürür (açık Evren). Son olarak da Evren tam denge durumundaysa genişleme sürer ama hızı kütleçekim tarafından zamanla azaltılır. Evren’imiz için en iyisi sonuncusu gibi görünüyor: Genişlemeyi yavaşlatacak ama durdurmayacak kadar maddenin bulunması.
WIMP’ler ve MACHO’lar
Karanlık madde neyden oluşuyor olabilir?
Birincisi karanlık gaz bulutları, sönük yıldızlar ya da yıldız olamamış gezegenler olabilir. Bunlara kısaca MACHO’lar (MAssive Compact Halo Objects – Büyük Kütleli Yoğun Hale Nesneleri) denir. Buna alternatif olarak karanlık madde belki de WIMP (Weakly Interacting Massive Particles – Zayıf Etkileşimli Kütleli Parçacıklar) denen yeni bir tür atomaltı parçacıktan oluşuyordur. Bunların normal madde ve ışık üzerinde neredeyse hiçbir etkisi olmuyordur.
Gökbilimciler Samanyolu’nun içinde dolaşan bazı MACHO’ları saptadılar. Bunlar Jüpiter’e yakın kütleli, büyük nesneler olduklarından kütleçekim etkileri sayesinde teker teker belirlenebiliyorlar. Dev bir gaz gezegen ya da yıldızlaşamamış bir gökcismi arkaplanında bir yıldız kalacak şekilde geçerken kütleçekimi yıldızın ışığını büker. MACHO tam yıldızın önündeyken bükülen ışıklar odaklanır ve böylece yıldız bir an için olduğundan çok daha parlak görünür. Bu olaya kütleçekimsel mercekleme denir.
Görelilik kuramına göre MACHO gezegen, tıpkı ağır bir topun kauçuk örtüyü aşağı doğru germesi gibi, uzay-zamanı eğer. Bu da ışığın dalga cephesinin onun çevresinde bükülmesine neden olur. Gökbilimciler arkaplanda duran milyonlarca yıldızın önünden bir MACHO geçişiyle parlaklaşacak yıldızlar aramışlardır. Böyle birkaç parlama da saptamışlardır. Ancak bunlar Samanyolu’ndaki kayıp kütleyi açıklayamayacak kadar az sayıda olmuştur. MACHO’lar normal maddeden, baryonlardan yapılmıştır yani proton, nötron ve elektronlardan oluşurlar. Evren’deki baryon miktarı üzerindeki en sıkı sınırlamayı bize ağır hidrojen izotopu döteryum söyler. Evren’deki döteryumun tamamı Büyük Patlama sırasında üretilmiştir. Döteryum yıldızların içinde yanabilir ama oralarda döteryum oluşamaz. Dolayısıyla gökbilimciler uzayda çok eskiden kalma gaz bulutlarındaki döteryum miktarını ölçerek Büyük Patlama’yla ne kadar proton ve nötron üretildiğini de söyleyebilirler; çünkü döteryumun oluşum mekanizması çok iyi bilinmektedir. Bu da bütün Evren’in kütlesinin yalnızca yüzde birkaçı olarak ortaya çıkar. Bu nedenle Evren’in geri kalanının WIMP’ler gibi gerçekte tümüyle farklı bir şeyden oluşuyor olması gerekir.
Dikkatler şimdi WIMP araştırmalarına odaklanmıştır. Zayıf etkileşimli olduklarından bu parçacıkların saptanması yapıları gereği zordur. Adaylardan biri nötrinolardır. Geçtiğimiz on yıl içinde fizikçiler onun da kütlesini ölçebildiler, çok küçüktü ama sıfır değildi. Nötrinolar Evren’in kütlesinin bir bölümünü oluştururlar; ancak bu çok büyük bir bölümü değildir. Dolayısıyla hâlâ Evren’de keşfedilmeyi bekleyen birtakım egzotik parçacıklar -aksiyon ve fotino olarak adlandırılan yeni parçacıklar- vardır. Karanlık maddenin sırrını çözmek bütün fizik dünyasını aydınlatabilir.
