Kozmoloji: Galaksi Dönme Eğrisi

Kozmolojinin en önemli konularından biri de galaksilerin nasıl döndükleridir. Aslında tek başına bakıldığında, göze o kadar da önemliymiş gibi görünmez. Fakat özellikle 1970'lerde fark edilen bu durum, beklenin dışında bir sonuç elde edilmesiyle oldukça önemli bir hale geldi. Çünkü elde edilen bulgular, orada görülemeyen bir "karanlık maddenin" varlığına işaret ediyordu.

Karanlık maddenin varlığına dair ilk çalışmalar, aslında 1930'larda Zwicky ve Smith tarafından ortaya atılmaya başlamıştı. Galaksi kümelerindeki ilginç hız dağılımı, orada, görülenden fazla miktarda kütle olabileceğini söylüyordu. 1970'lerde Rubin'in galaksilerin dönmeleri üzerinde yaptığı çalışmalar ise, bu iki analiz her ne kadar birbirinden bağımsız olsa da, aynı şekilde, görülemeyen bir maddenin varlığını işaret ediyordu. İki bağımsız yöntemin aynı şeyi işaret ediyor olması, karanlık madde fikrinin güçlenmesine neden oldu. Bu sebeple galaksilerin dönme eğrilerinin incelenmesi, çok daha öncelikli bir konu haline geldi.

Galaksi Dönme Eğrisi

Sarmal galaksiler, bir disk biçiminde yapılaya ve sarmal kollara sahiptir*. Dönme hareketi diferansiyeldir, yani galaksinin merkez kısmı, dış kısmına göre beklenen şekilde daha hızlı döner. Çünkü böylesi bir sistem en basit şekilde kütle çekim ile merkezkaç arasındaki bir dengeyle varlığını sürdürür. Eğer çekim kuvveti fazlaysa (merkeze yakın iseniz), dönüş hareketiniz de (dolayısıyla merkezkaç da) hızlı olmalıdır. Eğer çekim fazla olursa, merkeze doğru çekilir, merkezkaç fazla olursa da galaksiyi terk edebilirsiniz. Fakat sistem dengede ise, kabaca bu ikisi de dengededir.

Galaksi dönme eğrisi, galaksinin merkezinden dış kısmına doğru olan hız dağılımını inceler. Yani merkeze X kadar uzaklıktaki bir cismin Y hızıyla olan dolanma hareketini inceleyerek bunu bir grafiğe dökeriz. Bu hareketin incelenmesi, genellikle hidrojenin radyo bölgesinde yaptığı 21 cm çizgisinin incelenmesiyle mümkün olur. Evrende bol miktarda hidrojen bulunduğu ve bunların önemli bir kısmı bu salmayı gösterdiği için, çizginin incelenmesiyle, galaksinin hız dağılımı da incelenmiş olur.

Rotation Curve 1978
Figür 1: Çeşitli tipte (Sa, Sab, Sb, Sbc, Sc) sarmal galaksilerin dönme eğrileri 1

Eğer ilk defa bir dönme eğrisi görüyorsanız, yukarıdaki gariplik direkt gözünüze çarpmayabilir. Fakat dikkatli inceleyecek olursanız, dönme eğrisinin bir noktadan sonra neredeyse düz ilerlediğini göreceksiniz. Yani bir noktadan sonra galaksinin dönüş hızı hep sabit. O noktadan sonraki bölümler, aynı hızda dönüyor. Bu şu demek, bu noktaya uygulanan çekim kuvvetleri de aynı! Çünkü galaksi ne içine çöküyor ne de dağılıyor. Bu nasıl mümkün olabilir? Uzaklaştıkça çekimin azalması gerekmiyor mu?

Karanlık Madde veya Alternatif Çekim Teorileri

Böyle bir durumun gözlenmesi, ilk başta akla, orada göremediğimiz bir madde olduğu fikrini getirdi ki bu oldukça makul bir düşünceydi. Eğer orada göremediğimiz bir madde dağılımı varsa, yeterli çekimi oluşturabilirdi. Lakin bildiğimiz türden maddeler elektromanyetik etkileşime girerler ve varlıklarını bir şekilde görürüz. Özellikle böyle inanılmaz miktarlardaysa. Böylesi bir madde gözlenemeyince, demek ki buradaki madde, elektromanyetik etkileşime girmiyordu fikri yükselmeye başladı ve karanlık madde fikri iyice tanınmaya başladı. (Bkz. Karanlık Madde Nedir?)

Figür 2: Bir gökadanın dönme eğrisi. Beklenen (mavi) Kepler düşmesi görülmesidir. Çünkü uzaklaştıkça çekim azalır. Fakat gözlenen (yeşil) bunun öyle olmadığını göstermiştir.
Figür 2: Bir galaksinin dönme eğrisi. Beklenen (mavi) Kepler düşmesi görülmesidir. Çünkü uzaklaştıkça çekim azalır. Fakat gözlenen (yeşil) bunun öyle olmadığını göstermiştir. Bu da karanlık maddenin (noktalı) halodaki varlığı ile açıklanabilir. 2

Fakat bu duruma bir alternatif daha olabilir! Gözlenen olayın, çekimi açıklamakta zorlandığını bir kez daha düşünün. Mesele, oradaki çekimin az olmasına sebep olacak kayıp kütleyi açıklamak olduğu kadar, çekimin kendisindeki bir eksikliği açıklamak da olabilir. Yani Einstein'ın genel görelilik teorisi, tıpkı Newton'ın kütle çekim teorisi gibi, bazı eksiklikler barındırıyor ve geliştirilmeye ihtiyaç duyuyor olabilir.

Figür 3: NGC 3198 gökadasına ait dönme eğrisi. Diskin hareketi incelendiğinde, gözlenen hareket, böylesi bir halonun hareketi ile açıklanabilir.
Figür 3: NGC 3198 galaksinine ait dönme eğrisi. Diskin hareketi incelendiğinde, gözlenen hareket, böylesi bir halonun hareketi ile açıklanabilir.3

Bu durum üzerine kafa yoran birçok teorik kozmolog, çekim kuramlarını modifiye ederek, modifiye çekim (modified gravity) adında bir alanın doğmasına neden oldu. Bugün, Einstein'ın çekim kuramına alternatif, onun veya Newton'ın çekim kuramının modifiye edilmesiyle ortaya atılmış birçok alternatif teori bulunuyor (F(R) theories of gravity, MOND, Verlinde's Emergent Gravity...)4,5. Fakat bunların gözlemsel olarak sınanması, şu anda elimizdeki teknolojik imkanlarla oldukça kısıtlı olduğundan, bekleme durumundalar. Çünkü elinizdeki matematik her ne kadar kusursuz olsa da, bu onun fiziksel bir gerçeklik olduğunu ifade etmez. Bekleyip, zamanla her birinin elenişine tanıklık edeceğiz, geriye ise doğru olan kalacak. Galaksilerin dönme eğrileri gibi gözlemsel ipuçları ise, bu konuda en büyük yardımı sağlıyor.

Daha detaylı bilgi için: Evrenin Gözlemsel Özellikleri - Kozmolojik Parametreler ve Belirlenme Yöntemleri

*Biz genellikle dönme eğrilerinden bahsederken, sarmal galaksilerin dönmesinden bahsediyoruz. Çünkü eliptiklerin ve düzensizlerin dönüş hareketi, o kadar da düzenli değildir ve incelemesi sıkıntılıdır.


Ögetay Kayalı

Referanslar

1. Rubin, V. C., Ford, W. Kent, J., & Thonnard, N. (1978). Extended rotation curves of high luminosity
spiral galaxies. IV. Systematic dynamical properties, Sa->Sc. The Astrophysical
Journal Letters, 225, L107-L111.
2. Newby, M. (2017). Milkyway@home Science. Erişim: March 12, 2016, from https://milkyway.cs.rpi.edu/milkyway/science.php
3. Bahcall, J., Piran, T., & Weinberg, S. (2004). Dark Matter in the Universe.
4. Buchdahl, H. A. (1970). "Non-linear Lagrangians and cosmological theory". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 150: 1–8. Bibcode:1970MNRAS.150....1B. doi:10.1093/mnras/150.1.1
5. Verlinde, E. (2011). On the origin of gravity and the laws of Newton. Journal of High Energy Physics, 2011(4), 29. https://doi.org/10.1007/JHEP04(2011)029

Ögetay Kayalı

Astronom. Çalışma alanı teorik kozmoloji, özellikle Einstein'ın görelilik kuramının modifiye edilmesi üzerine çalışıyor. Bunların yanında ender bulduğu zaman aralıklarında kafasına esince programlama, 3B modelleme, tasarım, fotoğrafçılık, resim ve satranç ile de ilgileniyor.

Ögetay Kayalı 118 makale yazdıÖgetay Kayalı tarafından yazılan tüm makaleleri gör