Karanlık Maddenin Var Olup Olmadığını Bilmiyoruz. O Halde Gök Bilimciler Neden Aramaya Devam Ediyor?

Bilim insanları, Evrendeki galaksileri oluşturan madde hakkında çok az şey biliyorlar. Galaksilerdeki maddenin yaklaşık %20'si görünür veya baryoniktir: protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi atom altı parçacıklar. "Karanlık madde" olarak adlandırılan diğer %80'lik kısım ise gizemli ve görünmez bir şekilde varlığını sürdürür.

Aslında, hiç var olmayabilir. "Karanlık madde" sadece bir varsayımdır. Fizikçiler ve gök bilimciler bir hayaletin peşinden koşuyor olabilir - ancak bu aramamıza engel değil. Neden? Çünkü eğer karanlık madde gerçek değilse, o zaman yıldızların, gezegenlerin ve galaksilerin davranışları pek mantıklı değildir.

Bugün karanlık madde - ve kuzeni karanlık enerji - Lambda Soğuk Karanlık Madde veya Lambda-CDM adı verilen bir kozmolojik modelin ana direkleridir. Bu model, karanlık maddenin baryonik maddeyi yalnızca kütleçekim yoluyla etkilediğini vurgular. Elektromanyetik kuvvetle etkileşime girmez, yani ışığı emmez, yansıtmaz veya yaymaz.

Astronomy and Astrophysics'te yayınlanan yakın tarihli bir çalışmada, erken galaksilerin çevresinde (Evren şu anki yaşının yarısı kadarken) karanlık madde halelerinin varlığını desteklemek için daha fazla kanıt sağlıyoruz. Bununla ilgili bazı varsayımlara da meydan okuyoruz. Bu, Evren ve galaksileri hakkındaki anlayışımızı derinleştirmenin bir yolu.

 

Teorinin kökenleri

1970'lerde gök bilimciler Vera Rubin ve Kent Ford, karanlık madde teorisini ortaya çıkardılar. Sadece rastgele bir tahmin yapmıyorlardı: yıldızların, gezegenlerin ve galaksilerin neden belirli şekillerde davrandıkları konusunda uzun zamandır bir tartışma vardı. Örneğin, neden yıldızlar ve gazlar sürekli olarak uzayın derinliklerine savrulmuyor? Ne tür bir yapıştırıcı galaksileri olduğu gibi tutar ve günlük baryonik parçacıklar üzerinde kütleçekimsel bir etki uygular?

Bilim insanları ayrıca bir galaksinin merkezinin çok ötesindeki cisimlerin neden merkeze yakın cisimlerle hemen hemen aynı süratlerde (veya hızlarda) yörüngede döndüklerini merak ettiler. Bu, yıldızların ve gazın bir galaksinin merkezinden uzaklaştıkça yavaşlaması gerektiğini öne süren Newton yasasına aykırıdır. Çekirdeğe yakın yıldızların ve gazların bolluğu, yıldızları ve gazı hızlandıran gerekli kütleçekim kuvvetini sağlamalıdır. Galaksinin kenarlarında ne kadar seyrek dağılırlarsa, kütleçekim kuvveti o kadar az olur – ve dolayısıyla, yıldızlar ve gaz yavaşlamalıdır. Ancak gözlemler yavaşlamadıklarını gösteriyor.

Bu tutarsızlıkları açıklamak için Rubin ve Ford, her galaksinin açıklanamayan kütleyi sağlayan büyük bir karanlık madde halesi tarafından yutulduğunu savundu. Karanlık maddenin, herhangi bir galaksideki maddenin yaklaşık %85'ini oluşturduğunu iddia ettiler. Galaksilerdeki baskın varlığı, yıldızların ve hidrojen gazının sanki görünmez bir element tarafından yönetiliyormuşçasına hareket etmesinden kaynaklanır.

Teorileri evrensel olarak benimsenmedi. Bazı bilim insanları karanlık maddenin var olmadığını savundu.

Ancak biz ve diğerleri, Rubin ve Ford'a katılıyoruz. Karanlık madde var çünkü çok şey açıklıyor. Bir yazarın belirttiği gibi: "Pek çok [fizikçi] bu fikri seve seve reddederdi - eğer bu kadar iyi çalışmasaydı."

 

Evrende geçmişe bakmak

Yeni çalışmamız için, yaklaşık yedi milyar ışık yılı uzaklıkta, yaklaşık 260 sarmal şekilli, yıldız oluşturan galaksi gözlemledik. Bu esasen geçmişe bir bakıştır. Bu galaksilerin, Evren yaklaşık 13,8 milyar yıllık bugünkü yaşının yarısı kadarken var olduğu tahmin ediliyor. Şimdi bize ışık sinyalleri gibi görünüyorlar. Samanyolu'nun da aralarında bulunduğu sarmal galaksiler, yıldızların ve gaz bulutlarının kendine özgü kıvrımlı, sarmal kolları ile karakterize edilir.

Amacımız, bu uzak sarmal galaksilerdeki kütle dağılımını, aşağı yukarı aynı özelliklere sahip daha yeni, daha yakın galaksilerle gözlemlemek, belirlemek ve ardından karşılaştırmaktı.

Son zamanlarda yapılan bazı araştırmalar, daha erken yıldız oluşturan galaksilerin, daha yeni veya yerel olanlarla karşılaştırıldığında karanlık madde açısından yetersiz göründüğünü öne sürdü. Bu, bazı araştırmacıların karanlık maddenin erken yıldız sistemlerinde günümüz galaksilerine göre çok daha küçük bir rol oynadığını iddia etmelerine yol açtı. Bulgularımız bu önermeyi çürütmektedir.

İncelediğimiz daha erken galaksilerin, merkezden oluşan ve belirli bir yarıçapa kadar sabit bir yoğunluğu koruyan, kendine özgü karanlık madde halelerine sahip olduğunu doğrulayabildik. Bu, yerel Evrenin galaksilerinde gözlemlenen standart karanlık madde senaryosuyla büyük ölçüde uyumludur. Ancak şaşırtıcı bir bulgu, bu halelerin Samanyolu'na daha yakın olan galaksilerden çok daha kompakt olmasıydı. Bu, bir galaksideki karanlık maddenin dağılımının zaman içinde yavaş yavaş genişlediğini gösteriyor. Peki bu süreç nasıl destekleniyor?

Vardığımız sonuç, bu olgunun karanlık madde parçacıkları ile günlük baryonik parçacıklar arasındaki doğrudan etkileşimi gösterdiğidir. Bu, halelerin yoğunluğunu değiştirir ve bunu yaparken, ders kitaplarındaki kütleçekimsel ilişkinin ötesine geçer.

Bu bulgular, karanlık madde hakkında var olan soruların tümüne veya birkaçına bile tam cevap vermiyor. Ancak, karanlık madde parçacıkları için uzun aramayı kesinlikle daraltıyor.

Ayrıca karanlık madde parçacıklarının, yapabileceklerine bağlı olarak, tanımlanmasına yön veriyor. Bu da, tartışmayı sıcak karanlık madde, kendi kendine etkileşen karanlık madde ve ultra hafif karanlık madde gibi diğer karanlık madde teorilerine açıyor. Tüm bunlar, soğuk karanlık maddeden çok daha etkileşimlidir.

 

Daha derin bir bakış

Karanlık madde tarafından eşit derecede büyülenmiş ve kafası karışmış bizler için, tünelin sonunda bir ışık olabilir. Yeni teknoloji, Evreni ve dinamiklerini daha iyi anlamamıza yardımcı oluyor.

Cevapları bulmak, bu daha erken ve "genç" galaksilerin merkezine daha da derinden bakmak anlamına gelecek. 2021'in sonunda fırlatılan ve şu anda Dünya'nın Güneş etrafındaki yörüngesinin yaklaşık 1.500.000 km ötesinde yörüngede dönen yeni James Webb Uzay Teleskobu bu konuda yardımcı olabilir.

Aynı şekilde, "dünyanın en hassas karanlık madde dedektörü" olarak lanse edilen ve ABD'de yerin yaklaşık 1,5 km altında bulunan yeni LUX-ZEPLIN karanlık madde dedektörü de yardımcı olacaktır.

Profesör Paolo Salucci (SISSA, İtalya) ve Profesör Glenn van de Ven (UniVie, Avusturya) bu makaleye ortak yazarlık yapmıştır.

 

Gauri Sharma, SARAO Doktora Sonrası Araştırmacısı, Western Cape Üniversitesi

Bu makale The Conversation'da yayınlanmıştır.