Ya Karanlık Madde Aslında Başka Bir Evrenden Gelen Kara Deliklerse?

Genel olarak, kara delikler maddenin küçücük bir alana sıkıştırıldığı uzay-zaman bölgeleridir. Karanlık madde ise ışığı ne yansıtan ne de emen maddedir. Galaksiler ve diğer kozmik yapılar üzerindeki yerçekimsel etkisi sayesinde varlığını biliyoruz.

Karanlık madde, galaksileri bir arada tutan “yapıştırıcı” olarak görülebilir, ancak temel düzeyde neyden oluştuğunu bilmiyoruz. Çoğu fizikçi, karanlık maddenin henüz keşfedilmemiş bir atom altı parçacıktan oluştuğunu düşünmektedir.

Ancak Büyük Patlama'dan önceki eski kara delikler de bu tanıma uymaktadır. Karanlıktırlar, ancak aynı zamanda kütle de taşırlar – tam da gerekli olan özelliklere sahiptirler.

Bu fikri yeni bir makalede inceledim. Elbette, kalıntı kara delikler fikri, Büyük Patlama'nın kendisini de yeniden düşünmeyi gerektirir.

Neredeyse bir asırdır kozmologlar, evrenin tarihini bu tek ve dramatik ana kadar geriye götürdüler. Ancak belki de bu, zamanın mutlak başlangıcı değildi. Belki de Büyük Patlama'dan önce bir evren vardı.

Bu senaryoya göre, evren genişlemeye başlamadan önce çöktü. Büyük Patlama, bu iki aşama arasındaki geçişi temsil eder.

Büyük Patlama modeli olağanüstü bir başarı göstermiştir. Bu model, kozmik mikrodalga arka planını – erken evrenin kalıntı ışığını – açıklar ve galaksilerin büyük ölçekli dağılımını şaşırtıcı bir doğrulukla öngörür.

Ancak Einstein'ın genel görelilik teorisinde bu, aynı zamanda bir tekilliktir – yoğunluğun sonsuz hale geldiği ve bilinen fizik yasalarının geçerliliğini yitirdiği bir noktadır.

Birçok fizikçi bunu fiziksel bir gerçeklik olarak değil, bir şeyin eksik olduğunun işareti olarak yorumlar. Tekillikler fiziksel nesnelerden çok matematiksel uyarılar gibidir: bize mevcut teorilerimizin evrenin en erken anlarını açıklayamadığını söylerler.

 

Bir patlama değil, bir sıçrama

Bir alternatif, sıçrayan kozmolojidir. Bu resimde, evren Büyük Patlama'dan önce bir büzülme aşamasına girer ve son derece yüksek – ancak sonlu – bir yoğunluğa ulaşır. Bir tekilliğe çökmek yerine, evren geri sıçrar ve yeni bir genişleme aşamasına başlar.

Sıçrama modelleri on yıllardır araştırılmaktadır ve genellikle yerçekiminin değiştirilmesini veya egzotik yeni bileşenleri gerektirir. Ancak çalışmalarımız, yerçekimi ve kuantum mekaniğinin etkileri – en küçük ölçeklerde doğayı yöneten yasalar – tutarlı bir şekilde hesaba katıldığında, bir sıçramanın standart fizik içinde normal bir çözüm olarak ortaya çıkabileceğini göstermektedir.

Standart kozmolojide, Büyük Patlamayı, erken evrenin hızlı ve üstel bir genişleme dönemine girdiği bir dönem izler. Enflasyon olarak bilinen bu aşama, önceki yapıların tüm izlerini etkili bir şekilde siler.

Sıçrayan bir evren için durum farklıdır. Çalışmamızda, 90 metreden daha büyük nesnelerin çöküşten genişlemeye geçişten sağ çıkmış olabileceğini bulduk.

Bu, önceki bir kozmik çağdan gelen bilgileri taşıyan “kalıntılar” bırakır. Bu kalıntılar arasında kara delikler, yerçekimi dalgaları ve yoğunluk dalgalanmaları yer alabilir.

Kuantum fiziği, bunun nasıl mümkün olduğuna dair güçlü bir ipucu içerir. Kuantum teorisinin temel taşlarından biri olan Pauli dışlama ilkesine göre, madde aşırı yüksek yoğunluklarda “dejenere” hale gelir. Madde, ısı olmasa bile daha fazla sıkışmaya direnç gösteren bir basınç üretir.

Modelimizde, kozmolojik ölçeklerde benzer bir etki söz konusudur. Bu, evrenin neden tamamen çökmediğini ve sıçrama öncesinde veya sırasında oluşan yapıların neden genişleme aşamasına kadar hayatta kalabildiğini açıklayabilir.

 

Kıyametten kurtulmak

Kalıntı kara deliklerin ortaya çıkabileceği iki ana yol belirledik.

İlki, doğrudan hayatta kalmadır. Evrenin çöküş aşamasında oluşan kompakt nesneler ve pertürbasyonlar (yoğunluk veya yerçekimindeki dalgalanmalar), evrenin geri sıçraması sırasında da varlığını sürdürebilir.

İkinci yol ise daha da ilgi çekicidir. Büzülme sırasında madde, yerçekimi altında doğal olarak kümelenerek, günümüzde galaksileri barındıran halolara benzer yapılar oluşturur. Sıçrama sonrasında, bu yapılar verimli bir şekilde çökerek kara deliklere dönüşebilir.

Büzülme aşamasından gelen galaksiler ve yıldızlar, etkili bir şekilde kara deliklere çöker; bu süreçte ayrıntılı yapılarının çoğu silinir, ancak kütleleri korunur.

Bu kara delikler karanlık madde olabilir mi? On yıllardır en önde gelen aday temel bir parçacıktı – ancak kapsamlı aramalara rağmen hiçbiri tespit edilemedi.

Kalıntı kara delikler, ikna edici bir alternatif sunuyor. Eğer sıçrama yeterince kara delik üretirse, bunlar karanlık maddenin önemli – belki de baskın – bir kısmını oluşturabilir.

Bu fikir, son yılların en ilgi çekici gözlemsel bulmacalarından biriyle de bağlantılı olabilir.

James Webb Uzay Teleskobu (JWST), erken evrende bazen “küçük kırmızı noktalar” olarak adlandırılan kompakt, aşırı kırmızı nesnelerden oluşan bir popülasyonu ortaya çıkardı. Bu astronomik kaynaklar, Büyük Patlama'dan sadece birkaç yüz milyon yıl sonra beklenmedik derecede kütleli ve parlak görünüyor.

Birçok astronom, bunların hızla büyüyen kara deliklerle ilişkili olduğundan şüpheleniyor – belki de bugün galaksilerin merkezlerinde bulunan süper kütleli kara deliklerin tohumları. Ancak bunların varlığı standart kozmoloji içinde açıklanması zor. Böylesine kütleli nesneler nasıl bu kadar çabuk oluşabilir?

Kalıntı kara delikler doğal bir açıklama sunuyor. Eğer sıçramadan hemen sonra kütleli tohumlar zaten mevcutsaydı, erken evrenin sıfırdan başlaması gerekmezdi. Süper kütleli kara delikler, yeni oluşmuş nesnelerden ziyade eski hayatta kalanlardan büyüyebilir.

Bu anlamda, JWST şimdiden sıçramadan önceki kalıntıların torunlarını gözlemliyor olabilir.

 

Yeni bir kozmolojik çerçeve

Genel olarak bakıldığında, sıçrama senaryosu kozmolojideki uzun süredir devam eden birkaç sorunu ele almak için birleşik bir yol sunar.

• Büyük patlama tekilliği, bir kuantum geçişiyle değiştirilir. Bu geçiş, uzay-zamanın iki farklı bölgesi arasındaki matematiksel bir bağlantı olan “Einstein–Rosen köprüsü” kavramıyla ilişkili olabilir.
• Enflasyon, sıçrama anına yakın dinamiklerden doğal olarak ortaya çıkar.
• Karanlık enerji, sonlu bir evrenin genel yapısıyla ilişkilendirilebilir.
• Karanlık madde, kalıntı kara deliklerden oluşabilir – belki de kendi evrenimiz de bir kara delik olarak başlamıştır.
• Yerçekimi dalgaları, önceki bir kozmik aşamadan gelen sinyalleri taşıyabilir.
• Süper kütleli kara deliklerin, son JWST gözlemleriyle tutarlı eski kökenleri olabilir.

Hala yapılacak çok iş var. Bu fikirler, yerçekimi dalgası arka planlarından galaksi araştırmalarına ve kozmik mikrodalga arka planının hassas ölçümlerine kadar çeşitli verilerle test edilmelidir.

Ancak olasılık çok derin: Evren tek seferde başlamamış, bir sıçrama yaşamış olabilir. Ve bugün galaksileri şekillendiren karanlık yapılar, Büyük Patlama'dan önceki bir dönemin kalıntıları olabilir.

Enrique Gaztanaga, Portsmouth Üniversitesi Kozmoloji ve Yerçekimi Enstitüsü Astrofizik Profesörü