Dünya Forum: Varoluşun kayıp parçaları...

Evrende görebildiğimiz maddelerin oranı, tüm evrenin yaklaşık yüzde 5’ini oluşturuyor. Yüzde 95’lik kısmı oluşturan yapı hakkındaysa on yıllardır birçok önerme ve kuram ortaya atıldı. Kimi teoriler bu ‘karanlık sektörün’ karanlık enerji ve karanlık madde adı verilen ve içeriği henüz bilinmeyen yapılardan oluştuğunu öne sürerken, son dönemlerde ortaya atılan farklı bir teori, bu iki yapının aslında ‘karanlık sıvı’ adı verilen yekpare bir yapının parçaları olduğunu öne sürüyor.
Görsel: NASA

Tarkan Tufan  ttufan@gazeteduvar.com.tr

DUVAR – Bilinen evrenin yalnızca yüzde 5’i görünür haldedir. Peki ‘karanlık sektör’ adı verilen yüzde 95’lik kısım nelerden oluşuyor? Görünür evren (Dünya, Güneş, diğer yıldızlar ve galaksiler dahil), atomlarda bir araya gelen protonlardan, nötronlardan ve elektronlardan oluşur. Belki de 20. yüzyılın en şaşırtıcı keşiflerinden biri, bu sıradan veya ‘baryonik maddenin’* evrenin kütlesinin yüzde 5’inden azını oluşturmasıydı.

Evrenin geri kalanı, yaklaşık yüzde 27 oranında ‘karanlık madde’ adı verilen gizemli, görünmez bir maddeden ve yaklaşık yüzde 68 oranında ‘karanlık enerji’ olarak bilinen ve yerçekimini iten bir kuvvetten oluşmuş gibi görünüyor.

1990’ların başlarında, evrenin genişlemesi hakkında oldukça kesin bir yargı mevcut değildi. Evrenin genişlemesini durduracak ve onu tekrar tekilliğe doğru çekecek kadar enerji yoğunluğuna sahip olabilirdi ya da genişlemesini durduramayacak kadar az enerji yoğunluğuna sahip olabilirdi; bununla beraber, zaman geçtikçe kütle çekiminin genişlemeyi yavaşlatacağına kesin gözüyle bakılıyordu. Beklenen türden bir yavaşlama gözlemlenemedi ama teorik olarak evrenin yavaşlaması gerekiyordu. Zira, evren madde parçacıklarıyla dolu ve kütle çekiminin çekici kuvvetinin tüm maddeleri bir araya getireceği düşünülüyordu.

Karanlık enerji, karmaşık bir ağ biçiminde evrenin her yerine yayılan bir yapı. Görsel: Volker Springle/Max Planck Institute for Astrophysics/SP

Yıllar sonra, 1998’da Hubble Uzay Teleskobu’nun (HST) çok uzak süpernovalar üzerinde yaptığı gözlemler, evrenin aslında uzun zaman önce bugün olduğundan daha yavaş bir şekilde genişlediğini ortaya koydu. Dolayısıyla, evrenin genişlemesi, herkesin düşündüğü gibi kütle çekimi nedeniyle yavaşlamıyor, hızlanıyordu. Hiç kimse bu sonucu beklemiyordu ve nasıl açıklayacağını bilmiyordu. Ama bilinmeyen bir etken buna neden oluyordu.

Neticede, kuramcılar üç farklı açıklama geliştirdiler. Belki, Einstein’ın “kozmolojik sabit” olarak adlandırılan kütle çekimi teorisinin uzun süredir göz ardı edilen bir versiyonu doğrulanmıştı. Belki de alanı dolduran tuhaf bir tür enerji sıvısı mevcuttu. Ya da Einstein’ın kütle çekim teorisine ilişkin hatalı bir şeyler vardı ve yeni bir teori bu kozmik ivmeyi yaratan tuhaf alanı da içerebilirdi. Kuramcılar hâlâ kesin açıklamanın ne olduğunu bilmiyorlarsa da bu bilinmez yapıya bir isim verdiler ve ‘karanlık enerji’ dediler.

KARANLIK ENERJİ

Evrende ne oranda karanlık enerji bulunduğunu biliyoruz; zira bu maddenin evrenin genişlemesini nasıl etkilediğini keşfettik. Geri kalan kısımsa tam bir muamma. Ne var ki bu, çözülmesi gereken ve önemli bir gizem. Evrenin kabaca yüzde 68’inin karanlık enerji olduğu ifade ediliyor.

Karanlık enerjiye dair açıklamalardan biri, uzayın kendi özelliklerinden biri olduğu yönünde. Albert Einstein, ‘uzay boşluğu’ denilen şeyin aslında boş olmadığını fark eden ilk insandı. Uzay, birçoğu daha yeni anlaşılmaya başlayan şaşırtıcı özelliklere sahipti. Einstein’ın keşfettiği ilk özellik, daha fazla uzamın ortaya çıkmasının mümkün olduğuydu. Hâl böyleyken, Einstein’ın kütle çekimi teorisinin bir versiyonu (kozmolojik bir sabit içeren versiyon) ikinci bir tahminde bulunuyor: “Boş uzay” kendi enerjisine sahip olabilir. Bu enerji, alanın kendisinin bir özelliği olduğu için uzay genişlerken seyrelmez. Uzay daha fazla genişlerken, ‘bu boş uzay enerjisinden’ daha fazla miktarda ortaya çıkacaktır. Netice itibariyle, bu enerji formu, evrenin git gide daha hızlı büyümesine yol açar.

Uzayın nasıl enerji kazandığına dair bir başka açıklama, kuantum teorisinden geliyor. Bu teoride, ‘boş uzay’ aslında sürekli oluşan ve sonra kaybolan geçici, ‘sanal’ parçacıklarla dolu. Fakat fizikçiler bunun boş uzaya ne kadar enerji vereceğini hesaplamaya çalıştıklarında çoğu zaman hatalı bir sonuca ulaşıyorlar. Bu nedenle de karanlık enerji hakkındaki gizem varlığını koruyor.

Karanlık enerjiye dair başka bir açıklama, bunun yeni bir tür dinamik enerji akışkanı veya alanı olduğu, tüm uzayı dolduran bir şey olduğu, ancak evrenin genişlemesi üzerindeki etkisinin maddenin ve normal enerjinin tam tersi olan bir şey olduğu yönünde. Yanı sıra, hâlâ nasıl bir yapıya sahip olduğunu, neyle etkileşime girdiğini veya neden var olduğunu bilmiyoruz.

Son önermeyse, Einstein’ın kütle çekimi teorisinin doğru olmadığı yönünde bir içeriğe sahip. Bu durum yalnızca evrenin genişlemesini etkilemeyecek, aynı zamanda galaksilerdeki ve galaksi kümelerindeki normal maddenin davranış şeklini de etkileyecektir. Bu yaklaşım, karanlık enerji sorununun çözümünün yeni bir kütle çekimi teorisi olup olmadığına karar vermenin bir yolunu sağlayabilir ve dolayısıyla, galaksilerin galaksi kümelerinde nasıl bir araya geldiğini gözlemleyebiliriz.

KARANLIK MADDE

En azından 1920’lerden bu yana, gökbilimciler evrenin çıplak gözle görüldüğünden daha fazla madde içerdiğini varsayarlar. O zamandan beridir karanlık madde görüşüne olan destek arttı ve henüz karanlık maddeye ilişkin doğrudan bir kanıt tespit edilememiş olmasına rağmen, son yıllarda güçlü olasılıklar ortaya çıktı.
Bilim insanları henüz karanlık maddeyi doğrudan gözlemleyemiyorlar; çünkü karanlık madde baryonik maddeyle etkileşime girmiyor: Ayrıca, ışığa ve diğer elektromanyetik radyasyon formlarına tamamen tepkisiz olması nedeniyle mevcut araçlarımızla tespit edilmesi mümkün görünmüyor. Yine de bilim insanları galaksiler ve galaksi kümeleri üzerinde etkisini gösteren kütle çekimi etkileri nedeniyle var olduğundan eminler.

Hubble Uzay Teleskobu Geniş Alan Kamerası 3 ile çekilen LRG 3-757 galaksinin oluşturduğu kütle çekim merceği. Görsel: ESA / Hubble – NASA

Standart fiziğe göre, bir sarmal gökadanın kenarlarında bulunan yıldızlar, galaksideki görünür maddesinin yoğunlaştığı galaktik merkeze yakın olanlardan çok daha yavaş ilerlemeli. Buna karşın, yapılan gözlemler, yıldızların galaktik diskin neresinde olduklarına bakılmaksızın neredeyse aynı hızla yörüngede döndüğünü gösteriyor. Bu şaşırtıcı sonuç, sınırlardaki yıldızların galaksinin etrafında bulunan ve görünmeyen bir kütlenin (yani karanlık maddenin) çekim etkilerini hissettirdiğini varsaydıklarında mantıklı bir hale geliyor.

Karanlık madde, gökbilimcilerin derin evrende gördüğü bazı optik yanılsamaları da açıklayabilecek bir önerme. Örneğin, garip halkalar ve ışık yayları içeren galaksi resimleri, daha uzaktaki galaksilerden gelen ışığın ön planda yer alan, büyük miktardaki görünmez karanlık madde bulutları tarafından büyütülmesi durumunda açıklanabilir.

Bilim insanlarının, karanlık maddenin ne olabileceği konusunda kimi önerileri mevcut. Önde gelen bir hipotez, karanlık maddenin normal madde ya da ışıkla etkileşime girmeyen ama yine de kütle çekimi etkisine sahip olan egzotik parçacıklardan oluştuğunu öne sürer. CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndakiler dahil olmak üzere birçok bilimsel grup günümüzde laboratuvarda çalışmak üzere karanlık madde parçacıkları üretmek amacıyla çalışıyor.

Diğer bilim insanları, karanlık maddenin etkilerini temel olarak kütle çekimi teorilerimizi değiştirerek açıklayabileceklerini düşünüyorlar. Bu fikre göre, çok sayıda kütle çekimi biçimi mevcut ve galaksileri yöneten büyük ölçekli kütle çekimi etkisi, alışılmış yerçekiminden farklıdır. Bilinen diğer bir şeyse, karanlık maddenin, karşı-madde olmadığı; çünkü karşı-maddenin maddeyle birleşerek yok olduğu esnada açığa çıkan benzersiz gama ışınlarını görmeyiz.

Ağaç benzeri bir yapıda kozmosa yayılan karanlık madde liflerinin kesiştiği düğümlerde, galaksi kümeleri oluşur. Kütle çekiminin güneş sistemimizin içinde ve dışında aynı şekilde hareket ettiğini doğrulayan araştırmacılar, bunun, karanlık madde ve karanlık enerjinin varlığı için ek bir kanıt olduğunu ifade ediyorlar.

Çoğu bilim insanı karanlık maddenin baryonik olmayan maddeden oluştuğunu düşünüyor. Önde gelen bir aday olan WIMPS (zayıf etkileşime giren büyük parçacıklar), protonun kütlesinin on ila yüz katı arasındadır; ancak ‘normal’ maddeyle kurdukları zayıf etkileşim onların tespit edilmesini zorlaştırır. Nötrinolar, henüz tespit edilmemiş olmalarına rağmen en önde gelen adaylardandır.

Steril nötrinolarsa başka bir karanlık madde adayıdır. Nötrinolar, düzenli madde oluşturmayan parçacıklardır. Bir nötrino akıntısı Güneş’ten yola çıkarak uzaya yayılır, ancak normal maddeyle nadiren etkileşime girdikleri için Dünya’nın ve üzerinde bulunan her şeyin içinden geçip gider. Bilinen üç nötrino türü bulunur; dördüncü bir nötrino türü olarak ‘steril nötrino’, karanlık madde adayı olarak önerilmiştir. Steril nötrino, kütle çekimi yoluyla sadece normal maddeyle etkileşime girer.

ÜÇÜNCÜ YOL: İKİSİNİN BİR KARIŞIMI OLABİLİR Mİ?

Evrenimizin yapısı için önde gelen teorik model, ‘Lambda soğuk karanlık madde modeli’ ya da ΛCDM adıyla bilinir. Model, evrenin yüzde 27’sinin galaksiler ve galaksi kümeleri etrafındaki haleler içinde var olan ve onların uzaya savrulmalarını engelleyen bir çekim kuvveti uygulayan karanlık maddeden oluştuğunu ifade ediyor.
2018 yılının Aralık ayında, İngiltere’deki Oxford Üniversitesi’nden Dr. Jamie Farnes, bizi doğru bir açıklamaya yaklaştırabilecek bir teori yayınladı. Kendisi, evrenin görünmez kısmının karanlık madde ve karanlık enerjiden değil, bir ‘karanlık sıvıdan’ oluştuğunu ifade ediyor. Bahsettiği sıvının iki anahtar özelliği var: Birincisi, negatif kütleye sahip olması; yani, normal yıldız ve gezegenlerin kütleleri diğer cisimleri çeken bir kuvvet uygularken, negatif kütleli bir şey kütle çekimsel bir baskı uygular. Negatif kütleye sahip bir topu fırlatacak olsaydık, bizden uzağa gitmek yerine bize doğru yuvarlandığını görürdük. Negatif kütle yeni bir fikir olmasa da önceki araştırmalar bunu bir açıklama olarak reddetmişti; çünkü karanlık enerjinin gücü zaman içinde sabit kalırken, evren genişledikçe negatif kütleye sahip bir madde seyrelecekti.

Bu durumsa bizi ikinci özelliğe getirir. Farnes’ın seyrelme sorununu gidermek için oluşturduğu teori, bu negatif kütleli maddenin zaman içinde sürekli biçimde yeniden yaratılacağını öne sürüyor. Bu koyu renkli sıvı, bir pamuk şekeri makinesinden sürekli biçimde üretilen şeker lifleri gibiyse asla seyrelmez ve karanlık enerjiye aynı şekilde etki eder.

Farnes, karanlık maddeyi açıklayıp açıklamayacağını görmek amacıyla bu türden karanlık sıvıyla dolu bir evrenin 3 boyutlu bir bilgisayar modelini geliştirdi. Daha önce de belirtildiği üzere, karanlık maddenin, gökadaları görünür kütleyle açıklanamayan bir şekilde bir arada tutabilen bir çekim kuvveti uygulayan görünmez bir madde olduğuna inanılıyor. Diğer yandan, pozitif kütleli bir galaksi negatif kütleli koyu renkli bir sıvıyla çevrelenmişse, karşıt güç bu galaksiyi bir arada tutar ve cisimlerin birbirinden uzaklaşmasını önlerdi.

Farnes’ın teorisi aynı zamanda evrenin genişleme oranıyla ilgili karmaşık bir oran problemini de çözebilir. Bu oran, ‘Hubble sabiti’ olarak bilinen bir sayıyla bağlantılı; ancak ‘sabit’ olan sayının ne olduğu henüz bilinmiyor. Bununla ilgili ölçümler değişmeye devam ediyor ve bu durum kozmoloji çevrelerinde ciddi sorunlara neden oluyor. Farnes’in teorisiyse gayet basit biçimde, bu sayının zamanla değişmesi gerektiğini öngörüyor.

*Baryonik madde, yalnızca baryonlardan oluşan maddeleri içerdiği düşünülür. Başka bir deyişle, protonları, nötronları ve bunlardan oluşan bütün nesneleri (yani atom çekirdeğini) içermelidir; ancak elektronları ve aslında lepton olan nötrinolar gibi şeyleri hariç tutmalıdır. Bununla birlikte, astronomide ‘baryonik madde’ terimi daha gevşek bir anlamda kullanılır, çünkü astronomik ölçeklerde proton ve nötronlara her zaman elektronlar eşlik eder. Bu nedenle gökbilimciler, ‘baryonik’ terimini, normal atomik maddeden yapılan tüm nesnelere atıfta bulunmak için kullanırlar. Öte yandan, nötrinolar astronomlar tarafından (haklı biçimde) baryonik madde olarak görülmezler.

Kaynaklar:
https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy
https://www.forbes.com/sites/quora/2019/07/09/what-is-dark-energy/#3ff2956aeb0a
https://www.space.com/20930-dark-matter.html
https://curiosity.com/topics/a-new-theory-says-dark-energy-and-dark-matter-might-be-the-same-weird-substance-curiosity/
https://cosmosmagazine.com/space/could-negative-mass-unify-dark-matter-dark-energy
https://www.scitecheuropa.eu/detecting-dark-matter/93235/