KozmolojiAstronomiEvrenPopüler Bilim

Galaksi Dönme Eğrisi Nedir?

Kozmolojinin en önemli konularından biri de galaksilerin nasıl döndükleridir. Hatta karanlık madde fikrinin ortaya çıkışı bile spiral galaksilerden elde edilen galaksi dönme eğrisi verisine dayanır. Kulağa tek başına pek de önemliymiş gibi gelmeyen bu gözlem, hem galaksilerin yapısı ve evrimi hakkında bildiklerimize hem de evrene olan bakış açımıza büyük katkılar sağlamış ve sağlamaktadır.

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

Spiral galaksiler (ya da 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 yani ne merkeze çekiliyor ne de sistemi terk ediyorsanız, 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.

spiral galaksi dönme eğrisi
Figür 1: Çeşitli tipte (Sa, Sab, Sb, Sbc, Sc) sarmal galaksilerin dönme eğrileri 1

Eğer ilk defa bir galaksi dönme eğrisi görüyorsanız, yukarıdaki gariplik direkt gözünüze çarpmayabilir. Fakat dikkatli inceleyecek olursanız, galaksi 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 düşüncedir. Evrende yer alan maddelerin hepsi teleskoplarımızda ışıldamak zorunda değildir. Kara delikler ya da gezegenler gibi doğrudan kendileri ışıma yapmayan ve orada oldukları kolay kolay belli olmayan gök cisimleri vardır. Aynı zamanda nötrino gibi zayıf etkileşimli parçacıkların sayısının çok fazla olması da kütleyi ciddi oranda etkileyebilir. Ya da etkileyebilir mi?

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?)

spiral galaksi dönme eğrisi sarmal gökada dönme eğrisi
Figür 2: Bir galaksi 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 – galaksi 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. Birçok fizikçi bu teorilerin, mevcut karanlık madde fikrinden daha zayıf olduğunu düşünüyor. Fakat zamanın geçmesiyle birlikte bunların daha çok benimsendiğini görüyoruz.

Elinizdeki matematik her ne kadar kusursuz olsa da bu onun fiziksel bir gerçeklik teşkil ettiğini ifade etmek zorunda değildir. Bekleyip, zamanla her birinin elenişine tanıklık edeceğiz, geriye ise doğru olan kalacak. Galaksi dönme eğrisi gibi gözlemsel ipuçları ise, bu konuda en büyük yardımı sağlıyor.

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


Bu konular hakkında biraz daha teknik detay merak ediyorsanız: Evrenin Gözlemsel Özellikleri

Kozmoloji konularını detaylı olarak ele aldığımız başlıklara yazı dizilerimize giderek ya da aşağıdaki bağlantılardan ulaşabilirsiniz.

1. Kozmoloji – 0: Kozmoloji (Evren Bilimi) Nedir?
2. Kozmoloji – 1: Evrenin İlk Üç Dakikası
3. Kozmoloji – 2: Kozmolojik İlke – Homojenlik ve İzotropi
4. Kozmoloji – 3: Robertson-Walker Metriği
5. Kozmoloji – 4: Kozmik Uzaklık Merdiveni
6. Kozmoloji – 5: Evrenin Geometrisi
7. Kozmoloji – 6: Evrenin Yoğunluğu
8. Kozmoloji – 7: Evrenin Yaşı
9. Kozmoloji – 8: Hubble Sabiti
10. Kozmoloji – 9: Son Saçılma Yüzeyi ve Foton Ayrışması
11. Kozmoloji – 10: Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işınımı (CMBR)
12. Kozmoloji – 11: CMB Kuvvet Tayfı
13. Kozmoloji – 12: Genel Görelilik Teorisinin Gözlemsel Testleri
14. Kozmoloji – 13: Kozmolojik Parametreler ve Belirlenme Yöntemleri
15. Kozmoloji – 14: Gökada Dönme Eğrisi
16. Kozmoloji – 15: Çekimsel Merceklenme
17. Kozmoloji – 16: Aktif Galaksi Çekirdeği (AGN)


Hazırlayan: 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

Kapak görseli: Ahmet Kale

Ögetay Kayalı

Rasyonalist kurucu, editör ve kıdemli yazar. NASA'nın APOD platformunda görevli olmak üzere, Michigan Tech. Üniversitesinde araştırma görevlisi olarak Astrofizik üzerine doktora yapmaktadır. Ege Üni. Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümünden birincilikle mezun olduktan sonra bir yıl kozmoloji üzerine yüksek lisans, ardından bir yıl da İzmir Uluslararası Biyotıp ve Genom Merkezinde Moleküler Biyoloji ve Genetik üzerine yüksek lisans yapmıştır.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Back to top button