Karanlık maddenin öyküsü 1930’larda İsveçli astronom Fritz Zwicky ile başladı. Zwicky, galaksileri oluşturan maddenin yalnızca yüzde 15’nin normal maddeden meydana geldiğini göstermişti. Geri kalan madde görünmez olmalıydı, çünkü teleskoplar tarafından tespit edilemiyordu. Bilim adamları bunu karanlık madde olarak adlandırdı.

Bilim adamları Karanlık Enerji Tetkik ve Arama (DES) projesi kapsamında Evren’in en ayrıntılı karanlık madde haritasını çıkardı.

Elektromanyetik kuvvetle etkileşime girmediği için ışık ve ısı yaymayan karanlık madde Evren’in yüzde 23’ünü oluşturuyor. Bizi, Dünya’yı ve yıldızları oluşturan normal madde ise Evren’in sadece yüzde 4’ünü meydana getiriyor.

Karanlık madde genç Evren’deki gaz ve toz bulutlarını kendine doğru çektiği ve sıkışan gazdan yıldızların doğduğu belirtilmekte.  Ayrıca karanlık maddenin 10 milyar yıl önce yıldız kümelerini bir araya getirerek ilk galaksileri oluşturduğu belirtilmektedir.

Samanyolu Galaksisi’nin diskindeki yıldızlarla gezegenlerin uzaya savrulmasını karanlık madde önlüyor. Samanyolu’nu görünmez bir hale şeklinde saran karanlık maddenin kütleçekim kuvveti galaksiyi tutkal gibi bir arada tutuyor.

Evren Mucizelerle dolu

Astrofizikçiler Evren’in karanlık madde haritasını çıkarmak için Karanlık Enerji Kamerası kullanıldı. Şili’deki Cerro Tololo  Gözlemevi’nde kullanılan kamera, uzayı hiç olmadığı kadar net görüyor ve en yüksek çözünürlüğü sağlıyor.

31 Ağustos 2013’te çalışmaya başlayan Karanlık Enerji Kamerası, bilim adamlarının galaksilerin nasıl oluştuğunu anlamasını kolaylaştıracak. Gerçi bu kameranın takıldığı teleskop on yılda  Evren’in sadece yüzde 5’ini görüntülemiş olacak,  bu tespit  bile karanlık maddenin dağılımı hakkında fikir vermeye yeterli olacaktır.

Milyonlarca galaksi taradılar

ABD Argonne Ulusal Laboratuarı’ndan Vinu Vikram ve İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’nden (ETH) Chihway Chang, galaksilerin içini ve galaksilerin arasındaki boşluğu görünmez bir hamur gibi dolduran karanlık maddeyi kütleçekim mercek etkisiyle arıyor.

Karanlık madde her ne kadar göze görünmez olsa da muazzam kütlesiyle uzayı ve dolayısıyla ışığın izlediği yolu büküyor.

Bu da karanlık maddenin arkasında bulunan galaksilerden gelen ışığın balıkgözü mercek efektinde olduğu gibi çarpılmasına yol açıyor. Bilim adamları karanlık madde haritasını çıkarmak için uzaydaki balıkgözü mercek efektlerini arıyor.

Evren’in bebekliğine açılan pencere

Araştırmacılar karanlık maddenin yaklaşık 13 milyar yıl önce Evren’i nasıl şekillendirdiğini gösteren bir kozmoloji teorisi geliştirdi, ancak şimdiye kadar bunu test edemedi. Yeni karanlık madde haritası ise evrenbilimcilerin geliştirdiği teorileri doğrulamakta.

Haritadaki mavi alanlar karanlık maddenin düşük yoğunlukta olduğu bölgelere karşılık geliyor. Sarı ve kırmızı yerler ise yoğun olduğu bölgelere işaret ediyor. Bu bölgelerde binlerce galaksiden oluşan süper galaksi kümeleri yer alıyor.

Şişen evren ve karanlık enerji

Chihway Chang konuyla ilgili açıklamasında, “Haritalara zum yaparak karanlık maddenin farklı galaksi türlerini nasıl kuşattığını ve kozmik zaman ölçeğinde nasıl evrim geçirdiğini gördük.” dedi. Ancak bilim adamlarının asıl amacı Evren’in genişleme hızını ölçmek: Son veriler gizemli karanlık enerji nedeniyle Evren’in genişlemesinin hızlandığını gösteriyor ve uzayda karanlık maddenin dağılımı da bu hızlanmayı hassas bir şekilde ölçmemizi sağlıyor. Karanlık enerji hali hazırda Evren’in yüzde 73’ünü meydana getiriyor.

Elbette DES araştırmacıları sadece kütleçekim mercek etkisiyle sınırlı değiller. Aynı zamanda mutlak parlaklığını bildiğimiz için Dünya’ya uzaklığını kesin olarak ölçebildiğimiz süpernovalardan da yararlanıyorlar (bunlara standart kandil deniyor). Tip 1a süpernova denilen yıldız patlamaları, Evren’in büyüklüğünü ve dolayısıyla genişleme hızını hesaplamamızı sağlıyor.  

Karanlık madde haritası Evren’in gençlik yıllarına uzanıyor. Evren sadece birkaç bin yıl yaşındayken o kadar sıcak ve yoğundu ki uzaydaki maddenin dağılımını Büyük Patlama’nın yankısı olan ses dalgaları belirliyordu.

Şiddetli ses dalgaları aynı zamanda karanlık maddenin de uzaya dağılmasını sağladı. Böylece Evren’in doğum sancıları bugünkü karanlık madde haritasına kazınmış oldu.

Antik ses dalgalarının etkilerini ölçmek için 300 milyon galaksinin konumunu bilmemiz gerekiyor. Böylece Evren’in nereden gelip nereye gittiğini daha iyi anlamış olacağız.

Gama Işınları ile X ışınları neyin göstergesi?

Gama Işını Uzay Teleskopu, galaksimizin merkezinden gelen gama ışınlarında karanlık madde izlerini bulmuş durumda. Egzotik karanlık maddeyi oluşturan parçacıklar (WIMP’ler) uzayda birbiriyle çarpışarak yok oluyor ve bu süreçte gama ışınları açığa çıkıyor.

Ki Amerika’da araştırmalarını sürdüren Dr. Esra Bülbül, 73 uzak galaksiden elde edilen X-ışını verilerini incelemesi sonucunda,  bir karanlık madde çeşidi olan “steril nötrino” parçacığına ait izler buldu. Peki, bu egzotik karanlık madde nedir ve gama ışınları ile X-ışınları neden bu kadar önemli?

Karanlık madde  kendi etrafında dönen galaksileri bir arada tutarak yıldızların uzaya savrulmasını önlüyor. Uzayda karanlık madde olmasaydı, galaksilerle yıldız kümeleri asla oluşmayacak ve Dünya’da hayat ortaya çıkmayacaktı.

 Hayatın kaynağı

Uzayda binlerce galaksiden oluşan dev gökada kümeleri bulunuyor. Bu kümelerin varlığını, karanlık maddenin sadece galaksiler arası uzun mesafelerde etkisini gösteren zayıf kütleçekim kuvvetine borçluyuz.

Karanlık madde uzayda galaksi kümeleri gibi büyük ölçekli yapıların ortaya çıkmasına izin verdi. Galaksiler olmasaydı, Evren’deki yıldızlarla bu yıldızların çevresinde dönen gezegenlerin kimyasal yapısı farklı olacaktı. Bu durumda hayatın beşiği olan Dünya gibi kayalık gezegenler hiç oluşmayacaktı.

Öte yandan, karanlık maddenin kütleçekim kuvveti kısa mesafelerde etki edecek kadar güçlü olsaydı, bütün yıldızlar çökerek kara deliğe dönüşecek ve Evren hayata elverişli olmayan kapkaranlık bir boşluk haline gelecekti

Ancak uzayda karanlık madde bulmak zor, çünkü adından da anlaşıldığı üzere karanlık madde yıldızlar gibi gece göğünde ışık saçmıyor. Karanlık madde ışığı oluşturan elektromanyetik kuvvetten etkilenmiyor ve bu açıdan biraz da kara deliklere benziyor.  Biz de Evren’deki karanlık maddenin haritasını çıkarmak için adli tıp dedektifleri gibi durmadan çalışıyor ve kozmik ipuçlarını araştırıyoruz.

Uzay dedektifleri

Güçlü kütleçekim kuvveti ile ışığı yutan kara delikleri teleskoplarla doğrudan göremiyoruz. Ancak kara deliklerin yerini uzaydaki dolaylı etkilerine bakarak tespit edebiliyoruz. Örneğin, kara delikler çevredeki ışığı balıkgözü kamera merceği gibi büküyor.

Karanlık madde de milyarlarca ışık yılı uzaktaki galaksilerin ışığını böyle halka şeklinde büküp çarpıtıyor. Astronomlar teleskoplarla uzayı tarayarak bu tür ışık oyunlarını gözlemliyor ve karanlık maddenin izini sürüyor.

Ayrıca uzaydaki gaz ve toz bulutlarını yutan kara delikler, içine düşen maddenin aşırı hızlanmasına ve hızlanırken de sıcaklığının milyonlarca dereceye ulaşmasına yol açıyor. Sarmallar çizerek kara deliğe düşmekte olan gaz diskleri, X-ışınları ve bazı durumlarda da güçlü gama ışınları yayıyor.

Evren’deki egzotik karanlık maddenin bir kısmını oluşturduğu düşünülen WIMP’ler de boşlukta birbiriyle çarpışarak yok oluyor ve bu enerjik patlamalar sırasında güçlü gama ışınları yayıyor. Bütün bunlar karanlık maddeyi doğrudan göremesek bile dolaylı yollardan yerini bulmamızı kolaylaştırıyor.

Gama ışını yağmurları

Astrofizikçiler 2008 yılında fırlatılan Fermi Gama Işını Uzay Teleskopu ile Evren’deki gama ışını patlamalarını incelediler ve beş yıllık süreyi kapsayan verileri analiz ettiklerinde, bazı gama ışını kaynaklarının WIMP’lere ait olduğu sonucuna vardılar.

Egzotik Karanlık Madde

WIMP’ler kütleçekim kuvveti dışındaki fizik kuvvetlerinden etkilenmediği için bunlara egzotik karanlık madde diyoruz. Fizik teorileri, Evren’deki karanlık maddenin büyük kısmının WIMP gibi “egzotik karanlık madde parçacıklarından” oluştuğunu gösteriyor.

Ancak uzayda başka gama ışını kaynakları da var: Süpernova halinde patlayan yıldızlar, çarpışan kara delikler ve nötron yıldızlarına ek olarak, galaksilerin merkezinde toz yutan süper kütleli kara delikler de gama ışınları yayıyor. Bunları WIMP’lerin yaydığı gama ışınlarından ayırmak gerekiyor.

Zaten Fermi uzay teleskopu sonuçlarının en heyecan verici yanı da bu. Yeni veriler, teleskopun gözlemlediği gama ışını parlamalarının gerçekten de karanlık maddeden, yani WIMP’lerden kaynaklandığı ihtimalini güçlendiriyor. 

Neden egzotik karanlık madde?

Fizikçiler karanlık madde derken öncelikle egzotik karanlık maddeyi kast ediyor ve bu önemli bir ayrım. Çünkü uzayda ışık saçmayan soğuk ve karanlık gaz bulutsuları, kara delikler, küçük ve görünmez asteroitler de var. Teorik olarak bunlar da karanlık madde sınıfına girebilir.

Öte yandan bu yazının konusu olan egzotik karanlık madde, biz insanları ve dünyamızı oluşturan normal maddeden çok farklı özelliklere sahip bulunuyor. Ne gibi sıra dışı özellikler bunlar? Bir kere egzotik karanlık madde ışık yaymayan ve ışığı soğurmayan parçacıklardan meydana geliyor.

Bu parçacıklar, elektromanyetik kuvvet ve atom çekirdeklerini bir arada tutan güçlü nükleer kuvvetten etkilenmiyor. Ancak, karanlık madde parçacıkları uzun mesafelerde kütleçekim kuvveti uyguluyor ve böylece galaksilerin şekliyle Evren’deki dağılımını belirliyor.

Akıl almaz bir kudret…

Yaklaşık 93 milyar ışık yılı çapındaki Gözlemlenebilir Evren, dev bir görünmez karanlık madde ağıyla kaplı. Örümcek ağına benzeyen karanlık madde ağını gözümüzle göremiyoruz; ama bu ağın düğüm noktalarında, binlerce galaksiden oluşan milyonlarca ışık yılı çapındaki süper galaksi kümeleri bulunuyor. Ağın ipliklerinde ise, 100 milyonlarca ışık yılı mesafede ip gibi dizilmiş binlerce ve binlerce galaksi yer alıyor.

Galaksiler karanlık madde ağının kollarında toplanıyor. Ağın içindeki boşluklar ise gerçekten boş. Bunlar milyarlarca ışık yılı çapındaki bir alana yayılan ve neredeyse tümüyle boş olan bölgeler. İçlerinde ne kayda değer sayıda galaksi ne de bir yıldız var.

Egzotik karanlık madde birçok sıra dışı parçacıktan oluşuyor. Bu parçacıklardan biri de WIMP’ler. WIMP’ler kütleçekim kuvvetine ek olarak zayıf nükleer kuvvetten de etkileniyor ve adını bu özellikten alıyor (Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacıklar).

Gama ışını yağmurları

Karanlık madde teorilerine göre, WIMP’ler birbiriyle temas ettiği anda tıpkı madde ve anti madde gibi yok oluyor. Bu da Evren’de gama ışını yağmurları oluşturuyor. Bilim adamları ışınların şiddetine bakarak, bunların karanlık maddeden kaynaklanıp kaynaklanmadığını anlıyor.

Gama ışınlarının şiddeti aynı zamanda WIMP’lerin kütlesini gösteriyor. Böylece fizikçiler hangi karanlık madde teorisinin doğru olduğunu test etme olanağına kavuşuyor. Örneğin Fermi sonuçları, 35 ve 10 giga-elektronvolt (GeV) ölçüsündeki enerji değerlerini gösteriyor.

Teorilere göre, 35 GeV şiddetindeki gama ışınları, WIMP’ler parçalanıp kuarklara dönüştüğü zaman ortaya çıkıyor. 10 GeV şiddetindeki ışınlar ise, WIMP’ler parçalanıp tau parçacıklarına dönüştüğünde uzaya yayılıyor. Şu anda 35 GeV’lik enerji değeri, karanlık madde teorileriyle en uyumlu sonucu sağlıyor.

Bilim adamları gama ışınlarından karanlık madde çıkarmaya uğraşırken, Uzak galaksilerden yayılan 7 kilo-elektrovolt (KeV) gücündeki X-ışınları, egzotik karanlık maddeyi oluşturan başka bir parçacığın varlığına, yani normal nötrinolardan çok daha “ağır” olan steril nötrinolara işaret etmekteydi. Harvard-Smithsonian Astrofizik Araştırma Merkezi’nde görevli Dr. Esra Bülbül, NASA’dan aldıkları araştırma desteğiyle uzayda 73 galaksi kümesinin X-ışın tayflarını inceleme sonucunda, Evren’deki maddeyi pek az etkileyen nötrinolardan bile daha az etkileşime giren bu parçacıklardan hareketle karanlık maddeyle ilgili önemli bulgulara ulaştıklarını belirtti.

A.K