Karanlık Madde Nedir?

Karanlık madde oldukça merak edilen konular arasında belki de en başta yer alıyor; yalnızca konuya meraklı kişilerin değil, bilim insanlarının da ne olduğunu oldukça merak ettiği, çok çeşitli alanlardan birçok bilim insanının üzerinde harıl harıl çalıştığı konulardan biri. Bu sebeple hakkında birçok yazı yazılıyor. Haliyle ortalıkta ziyadesiyle bilgi kirliliği de bulunuyor. Bu yazıda, karanlık maddenin ne olup ne olmadığına, nereden böyle bir şey olduğu fikrine kapıldığımıza, var olmadığını düşünenlerin neye dayanarak bunu söylediğine yer vererek, akıllardaki soru işaretlerini, basit anlatımlarla ortadan kaldırmaya çalışacağız.

Karanlık Madde Fikri Nereden Ortaya Çıktı?

Karanlık madde fikri 1933 yılında İsviçreli astronom Fritz Zwicky'nin yaptığı bir gözlem sonucunda ortaya çıkmaya başlıyor.* Evrende galaksiler, çekimsel etkileşimle bir arada durarak galaksi kümelerini oluşturur ve bu galaksi kümeleri de bir araya gelerek daha büyük süper kümeleri oluşturur. Zwicky, Coma galaksi kümesi içerisindeki galaksilerin hareketlerini inceliyor. İncelemesi sonucunda galaksilerin oldukça hızlı hareket ettiğini görüyor. Bildiğimiz üzere, eğer çok hızlı bir şekilde dolanma hareketi yaparsanız, hissedeceğiniz merkezkaç etkisi de o kadar fazla olur. Öyle ki, bu etki sebebiyle dışarıya doğru savrularak sistemi terk edebilirsiniz. Dolayısıyla ilk akla gelen, gözlemini yaptığı galaksilerin, bir şekilde oradan geçiyor olduğu ya da birbirleriyle etkileşmeleri sebebiyle dışarıya doğru fırlatıldıkları olabilir. Fakat Zwicky bu durumu inceliyor ve bu galaksilerin rastgele hareket etmediğini, küme içerisinde belirli bir yörünge hareketi yaptıklarını buluyor. Yani küme ne dağılıyor ne de çöküyor. Buraya kadar olanlar, yalnızca hafiften sıradışı gibi görünüyor.

Galaksinin yaptığı ışıtmadan, yani parlaklığından o galaksinin aşağı yukarı kütlesini tahmin etmek mümkündür. Çünkü galaksiyi aydınlatan mekanizmaları biliyoruz, bunların en başında yıldızlar geliyor. Bu bir tahmin olduğundan, elbette belirli bir hata aralığına sahip, fakat yine de aşırı uçuk sonuçlar olması beklenmeyen bir şeydir. Galaksinin ışıtması yıldızlardan ve oradaki gaz ve tozdan geliyorsa, ışıtmayı ölçerek yıldız sayısını aşağı yukarı tahmin edebiliriz. Bunu yaptıktan sonra Zwicky, ikinci bir yöntem olarak, küme üzerinde Virial Kuramını kullanarak kümenin toplam kütlesini hesaplıyor. Çünkü eğer sistem dengedeyse, ne çöküyor ne de dağılıyorsa, merkezkaç ile kütle çekim dengede olmalıdır. Zwicky, yaptığı hesap sonucunda galaksi kümesinin kütlesini beklenen değerden 400 kat fazla ölçüyor. Bu durum, tahminen ölçtüğünüz değerdeki yıldız sayısını artırarak açıklanacak bir değer değildir. Dolayısıyla bu duruma başka bir açıklama getirmek gerekiyor. Bu noktada ilk akla gelen, orada gözlemi yapılamayan (karanlık) bir madde olduğu. Çünkü kütle tahminimiz, ışıma yapan cisimler üzerinden yürüyor, dolayısıyla bu madde ışıma yapmıyor olmalı.

Benzeri bir gözlem sonucunu da 1936 yılında Sinclair Smith, Virgo kümesinde üzerinde yaparak buluyor. Kümedeki elemanların hız dağılımlarını incelediğinde, orada ışıma yapan maddeden, çok daha fazla miktarda madde olması gerektiği ön görülüyor. Fakat bu madde miktarı, bildiğimiz gök cisimleri (gezegenler, soğuk yıldızlar, karadelikler vb.) ile açıklanamıyor, çünkü miktar çok çok fazla. İki farklı küme üzerinde aynı sonuçların çıkmış olması, orada ışıma yapmayan (karanlık) bir madde fikrini desteklemeye başlıyor. Çünkü tek bir küme üzerinde yapılan gözlem, belki de istisnai bir durumdu, belki de Zwicky'nin yaptığı bir hata vardı. Fakat Smith'in de aynı sonuçları bulması, bu fikri güçlendirmeye başlıyor.

Karanlık Madde Fikrine Alternatif Bir Gözlem Desteği

Zwicky ve Smith'in yaptığı, küme elemanlarının hareketi gözleminden sonra, Horace Babcock 1939 yılında Andromeda Galaksisi'nin dönme eğrisi üzerinde ilginç bir durum fark ediyor. Dönme eğrisi kabaca, galaksinin merkezden dışarıya doğru olan hız dağılımını ifade eder. Mevcut fizik bilgimizle, sarmal bir galaksi olan Andromeda'nın dönme eğrisini teorik olarak tahmin edebiliyoruz (elbette onun kütlesini tahmin ederek). Burada tahmin diyoruz, fakat bu tahminlerin hata aralıkları da olaya dahil ediliyor, yani tahminden öte bu olması beklenen gerçeklik diyebiliriz. Sadece doğrudan ölçemediğimiz için tahmin diyoruz. Babcock, görüyor ki Andromeda'nın dış bölgeleri oldukça hızlı dönüyor. Andromeda, dağılıp parçalanmadığına göre, dış bölgelerin bu kadar hızlı dönerek galaksinin tek bir parça olarak kalması durumu, ancak orada onu tutan fazladan kütle çekim varsa mümkündür. Bu da orada, görülemeyen karanlık bir maddenin olabileceği fikrini destekliyor.

Aynı metotla yapılan iki farklı ölçüm, bir fikre işaret ediyordu. Şimdi ise, tamamen alternatif bir metot da aynı fikri destekliyor görünüyor. Bu durum hatalardan arındığımızı ve gerçekten orada bir şey olma ihtimalinin çok fazla olduğunu işaret ediyor. Aslında günümüzdeki daha iyi ölçümler sayesinde biliyoruz ki Zwicky'nin bulduğu 400 kat değeri, Hubble'ın 1929 yılında evrenin genişlediğini gösterdiği hatalı miktarı kullandığı için biraz fazla. Fakat yine de günümüzdeki (artık hata neredeyse yok denecek kadar az) değeri, 50 kat fazla materyal olduğuna işaret ediyor. Yani günümüz bilgisini kullanarak, teknolojik sınırları aşarsak, gözlemler hala geçerli.

1975 yılında Morton Roberts ve Robert Whitehurst, 1970 yılında Vera Rubin ve Kent Ford tarafından yapılan daha detaylı Andromeda gözlemlerini inceleyerek, Andromeda'nın dış bölgelerinde fazladan 200 kat fazla görülemeyen materyal olduğu sonucunu buluyorlar. İlginç bir şekilde Roberts ve Whitehurst, 1933 yılında Zwicky'nin ve 1936 yılında Smith'in yaptığı çalışmadan haberdar değiller gibi görünüyor (herhangi bir atıfta bulunmamışlar).

Karanlık Maddeyi Klasik Yöntemlerle Bulmak

Evrenin her bir köşesinde bulunan ve bizleri oluşturan elementleri tespit etmek aslında oldukça kolaydır. Bunların belirli bir ışık saçmalarına ya da bu ışığı yansıtmalarına gerek olmadan da bu karanlık, soğuk elementleri görebilirsiniz. Buna imkan sağlayan şey, atomların çekirdekleri etrafında dolanan elektronlardır. Farz edelim ki ortamda oldukça soğuk bir hidrojen bulutu var. Etrafında da onu aydınlatabilecek hiçbir şey yok, kendisi de soğuk olduğu için oldukça sönük. Dolayısıyla karanlık bir yapıya sahip olacaktır. Böyle bir şeyi karanlık madde ile karıştırıyor olabilir miyiz?

Bu pek mümkün değil. Çünkü böyle bir ortam, içerisinden geçen bir fotonla etkileşime girer. Yani arka plandan gelen ışık, o ortamın içerisinden geçerken, ortamdaki elektronları bir üst enerji düzeyine çıkarırken bir miktar enerji kaybederler. Bu enerji kaybını, gök cisminin tayfını (spektrumunu) aldığımızda çok rahatlıkla görebiliriz. Hatta soğurulmanın tipini inceleyerek, oradaki ortam hakkında ciddi anlamda detaylı bilgilere ulaşabiliyoruz. Fakat karanlık madde olduğunu düşündüğümüz ortamda böyle bir etki görmüyoruz. Yani orada bulunan şey her ne ise, elektromanyetik bir etkileşime girmiyor.

Günümüzde Karanlık Madde

Aradan geçen neredeyse bir yüzyıllık süre boyunca, gelişen teknoloji ve gözlem teknikleri sayesinde bu gözlemler daha da detaylandırıldı. Günümüzde artık evrendeki karanlık madde miktarının, normal (baryonik) madde miktarına olan oranını dahi keskin bir şekilde bilebiliyoruz. Bunu ölçmemizi sağlayan metotlardan biri de, neredeyse herkesin adını bildiği kozmik mikrodalga arkaplan ışıması üzerinde yaptığımız analizlerdir. Aynı zamanda galaksi kümelerinin, sahip oldukları aşırı miktardaki kütle sebebiyle uzay-zamanı bükmeleri, bir mercek etkisi yaratmaktadır. Bu sayede arka planında kalan galaksiler büyütülmüş ya da görüntüleri bozulmuş bir şekilde birkaç yerde aynı anda görünebilir (tıpkı bir bardağın bir nesnenin önüne geçtiğinde olduğu gibi). Bunun gibi çeşitli metotlarda yaptığımız gözlemler tek bir şeyi işaret ediyor: Bu durumu elimizdeki fizik yasalarıyla uyumlu bir şekilde açıklamak için, açık bir şekilde orada daha fazla miktarda madde olmalı.

Ya da! Açık bir şekilde genel görelilik eksik. Hatırlayın, varsayımımız merkezkaçı dengeleyen bir kütle çekimdi. Kütle çekimin daha fazla olması gerektiğini söylüyoruz, bunu yapmanın pratikte iki yolu vardır; ya daha fazla madde eklersiniz, ya da kütle çekim fonksiyonunu değiştirirsiniz. Artık Einstein sayesinde aslında kütle çekim diye bir şey olmadığını, bu durumun maddenin uzay-zamanı bozması olduğunu biliyoruz. Yani yapmamız gereken iki şey vardır; ya karanlık maddeyi bulacağız ya da Einstein'ın genel görelilik kuramındaki eksikliği, onu modifiye ederek gidereceğiz.

Aslında bakarsanız ikinci seçenek günümüzde yapılmış durumdadır. Hem de birden çok! Günümüzde karanlık made ve karanlık enerji ihtiyacını ortadan kaldırmak için, genel görelilik üzerinde modifiye yaparak bu sorunu çözen bazı teoriler bulunmaktadır. Fakat bunların, gözlemlerle desteklenmesi gerekiyor ve ne yazık ki bu gözlemlerin birçoğunu hala yapabileceği teknolojiye (daha doğrusu yatırıma) sahip değiliz. Kozmologlar sorunu bu şekilde çözmeye çalışırken, bir yandan da parçacık fizikçileri karanlık madde parçacığı olabilecek parçacıklar arıyor. Yapılan çalışmalar, simülasyonlar olası bazı durumlar gösterse de henüz net bir şey bulunabilmiş değil. Yani özetle, bilim dünyası şu anda çorap söküğünün ucunda olabilir, yalnızca o çorap bir türlü sökülemiyor.

Kozmologlar mı Haklı Çıkacak Yoksa Parçacık Fizikçileri mi?

Bu sorunun cevabı, karanlık maddenin gerçekte ne olduğu sorusunda saklı görünüyor. Açıkçası konu hakkında çok fikrimiz olsa da, ne olduğu hakkında tam olarak hala bir fikrimiz yok. Her ne olursa olsun bu durum, iki taraftan birinin boşa uğraştığı anlamına gelmiyor. Bilim, doğru olanı bulmak kadar, doğru olmayanları bulmakla da ilgilenir. Kaldı ki bu sırada, diğer konulara katkı sağlayacak birçok keşifte de bulunabiliyorsunuz. Fakat bazı bilim insanları, teorik bu iki alandan, sırf bu sebeple uzak durmaktadır. Çünkü diğer alanlar kadar ortaya bir ürün sunma imkanınız bulunmamaktadır. Bazen yıllarca bir konu üzerinde çalışırsınız, başlangıçta çok makul görünür, fakat elde ettiğiniz sonuç o kadar anlamsızdır ki, tüm o çaba çöpe gider. Fakat doğru cevabın da, bir o kadar değerli olduğu açık. O yüzden bu devasa merak duygusu, bu alanla uğraşanları motive etmektedir. Şüphesiz ki doğru cevabı bulacak kişi ya da kişiler, tarihe geçecekler. Belki de çoktan bulundu ve yalnızca doğrulanmayı bekliyor, kim bilir, zamanla göreceğiz!

*Dipnot: Aslında daha Zwicky'den önce de bu konularla ilintili olabilecek yayınlar var, fakat ben en net başlangıç olarak bunu uygun gördüm. Eğer elinizde daha iyi tarihsel bir veri varsa, lütfen bizimle iletişime geçin.


Ögetay Kayalı

Referanslar
1. Zwicky, F. (2009). Republication of: The redshift of extragalactic nebulae. General Relativity and Gravitation, 41(1), 207–224. https://doi.org/10.1007/s10714-008-0707-4
2. Smith, S. (1936). The Mass of the Virgo Cluster. The Astrophysical Journal, 83, 23.
3. Babcock, H. W. (1939). The rotation of the Andromeda Nebula. Lick Observatory Bulletin, 19, 41–51. https://doi.org/10.5479/ADS/bib/1939LicOB.19.41B
4. Rubin, V. C., & Ford, W. K. J. (1970). Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions. The Astrophysical Journal, 159, 379. https://doi.org/10.1086/150317
5. Roberts, M. S., & Whitehurst, R. N. (1975). The Rotation Curve and Geometry of M31 at Large Galactocentric Distances. The Astrophysical Journal, 201, 327–346.
6. van den Bergh, S. (1999). The Early History of Dark Matter. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 111(760), 657–660. https://doi.org/10.1086/316369

Ögetay Kayalı

Astronom. Özel ilgi alanı teorik kozmoloji, özellikle Einstein'ın görelilik kuramının modifiye edilmesi (modified gravity) üzerine uğraşıyor. Bunların yanında ender bulduğu zaman aralıklarında kafasına esince programlama, 3B modelleme, makineler, tasarım, fotoğrafçılık, resim ve satranç ile de ilgileniyor.

Ögetay Kayalı 120 makale yazdıÖgetay Kayalı tarafından yazılan tüm makaleleri gör