Karanlık maddenin sırrını aydınlatan yeni teoriler

1930'larda İsviçreli astronom Fritz Zwicky, bizden 320 milyon ışık yılı uzaktaki Coma galaksi kümesini incelerken, galaksilerin beklenmedik yüksek hızlarla hareket ettiğini fark etti. İlginç olan, bu hızlarla galaksilerin yer çekimini yenip Coma kümesini terk etmeleri gerektiğiydi. Hesaplar bunu söylüyordu. Zwicky teori ile gözlem arasındaki bu tutarsızlığı çözmek için, galaksilerin içinde onların kütlesini artıran başka maddeler olması gerektiği fikrini ortaya attı. Bu kayıp kütlenin, daha yıldıza dönüşmemiş hidrojen ve helyum bulutları olduğu kanaatindeydi. Ancak onları ne kadar arasa da bulamadı.

İsviçreli astronom Fritz Zwicky

Bu gizem çözülmeyi bekleyedursun, 40 yıl sonra artık astronomlar galaksilerin kendi etrafında dönme hızlarını, hatta herhangi bir galaksideki bireysel bir yıldızın hızını hesaplayabilecek teknoloji seviyesine ulaştılar. Astronomlar, tıpkı Güneş Sistemimizde olduğu gibi galaksilerin en dışındaki yıldızların daha yavaş döndüklerini görmeyi umuyorlardı. Bu beklentinin en önemli sebebi Newton'un yer çekimi yasasıydı. Bu yasaya göre yer çekimi kuvvetinin gücü uzaklık arttıkça, onun karesi ile doğru orantılı olarak düşer. Ancak herkesi şaşırtan bir gözlem gerçekleşti, galaksinin dış kısmındaki yıldızların iç kısımdakilerle aynı hızda döndükleri gözlemlendi. Dış yıldızlar o kadar hızlı dönüyorlardı ki yer çekimini yenip galaksiyi terk etmeleri gerekliydi.

Bu garip gözlem nasıl açıklanabilirdi? Akla ilk gelen açıklama, galaksileri bir arada tutacak yer çekimini sağlayacak, görünmeyen bir kütlenin olması idi. İşte "karanlık" ya da "kara madde" olarak anılan şey, bu galaksileri bir arada tutan kütledir. "Karanlık" denmesinin en önemli sebebi bu maddenin görülememesi, diğer bir deyişle ışıkla etkileşmemesidir. Yapılan hesaplar gösteriyor ki evrende bu gizemli maddeden, evrendeki elektron, proton, nötron gibi maddelerin beş katı miktarda bulunmak zorunda.

ALTERNATİF TEORİLER

Karanlık maddenin ne olduğu hala gizemini koruyan bir soru. Bu maddeyi deneysel olarak tespit etmeyle ilgili çabalar şimdilik olumlu bir sonuç ortaya koyamadı. Ne olduğu ile ilgili fikirler genellikle teorik bazda. Bazıları karanlık maddenin axionlar ismi ile anılan ve kuantum kromodinamiğinden teorik olarak açığa çıkan ama hala deneysel olarak tespit edilemeyen parçacıklardan oluştuğunu iddia ediyor. Diğerleri, WIMP kısaltması ile anılan ve standart modelde yer almayan zayıf etkileşimli kütleli parçacıkların karanlık enerjiyi oluşturduğu kanaatinde. Bazıları da karanlık maddenin, steril nötrino isimli, sadece yer çekimi ile etkileşip başka hiçbir kuvvetle etkileşmeyen dördüncü bir nötrino türü olduğunu iddia ediyor. Bu teorilerden hangisinin doğru olduğunu şimdilik bilmiyoruz.

Ancak karanlık maddenin olmadığını, yukarıda söz ettiğimiz galaksilerin kendi etraflarındaki dönme hızlarıyla ilgili problemlerin, karanlık maddeye ihtiyaç duyulmadan çözülebileceğini düşünenler de var. 1981 yılında İsrailli fizikçi Mordehai Milgrom, söz konusu sorunun görülmeyen bir kütle varsayılmak yerine Newton'un ikinci hareket yasasının modifiye edilmesi ile çözülebileceğini iddia etti. Milgrom'un geliştirdiği bu kuram kısaca MOND (Modifiye Edilmiş Newton Dinamiği) olarak anılmaktadır. Milgrom'a göre Newton yasaları yüksek ivmelerde test edilmiş olsa da, düşük ivmelerde yeterince test edilmemişti. Belki de buralarda bu ünlü yasalar değişiyordu ve eğer değişiyorsa, karanlık maddeye ihtiyaç duyulmadan galaksilerin bu gizemli hareketi açıklanabilirdi. Daha sonra başka bir İsrailli fizikçi Jacob Bekenstein, TeVeS adı ile bilinen bu teorinin rölativist genellemesini yaptı.

İTÜ'DEN İKİ AKADEMİSYENİN MAKALESİ

Galaksilerin dönmesi problemini MOND ya da TeVeS mi, yoksa karanlık madde mi çözüyor? Birkaç hafta önce köşemizde iki nötron yıldızının çarpışmasından ortaya çıkan kütle çekim dalgalarının gözlemlenmesi ve öneminden bahsetmiştik. İkisi Türk olan dört bilim insanının kaleme aldığı bir makale, bu nötron yıldızı çarpışmasından çıkan verilerin bu soruya da cevap verdiği iddiasında. Ne yazık ki Türkiye'de fazla gündeme gelmeyen bu makale, dünya bilim dergilerinde genişçe yer aldı.

Makalenin yazarları İTÜ Fizik Bölümü'nden Emre Onur Kahya ve öğrencisi Sibel Boran. Makaleye göre karanlık madde teorisi ile TeVeS dahil çok sayıda MOND teorisi, nötron yıldızı çarpışması sonuçları konusunda farklı öngörülerde bulunuyor.

Daha önceki yazımızda belirttiğimiz gibi, geçtiğimiz haftalarda iki nötron yıldızının çarpışması sonucunda ortaya çıkan kütle çekim dalgalarının tespit edildiği açıklanmıştı. Kütle çekim dalgaları görünür görünmez, iki saniyeden az bir zaman sonra aynı bölgeden gelen gama ışınları NASA uyduları tarafından yakalandı. Emre Onur Kahya ve ekibinin yaptığı hesaplar, MOND'un genellemelerinin gama ışınlarının kütle çekim dalgalarından 3 yıl sonra gelmesi gerektiğini gösteriyor. Dolayısıyla sözü geçen hesap doğruysa, kütle çekim dalgalarının gelmesinden iki saniyeden az süre sonra gama ışınlarının tespit edilmesi bu teorileri yanlışlıyor ve karanlık maddenin olma olasılığını artırıyor. Böylesine önemli bir hesabın Türk bilim insanları tarafından yapılması, gelecek adına ümit verici.

SABAH
Prof. Dr. Caner Taslaman- Dr. Enis Doko