Ana sayfa 135. Sayı Karanlık madde aydınlanıyor

Karanlık madde aydınlanıyor

184
PAYLAŞ

Çalışmamda 73 galaksi kümesinin XMM-Newton X-ışını teleskopuyla alınmış gözlemlerini üst üste bindirerek, karanlık maddeden gelebilecek çok zayıf ikincil ışınımlara duyarlı bir analiz metodu geliştirdim. Analiz neticesinde görünen maddeden kaynaklanması olasılık dışı bir ışıma yakaladık; bu ışımanın karanlık maddeden kaynaklanmış olabileceğini düşünüyoruz.

1933 yılında Fritz Zwicky tarafından ortaya koyulan “kayıp kütle problemi” üzerine astrofizik dünyasına giren karanlık madde, o tarihten beri karanlığını koruyor. Evrenin yüzde 23’ünü oluşturan ve kütleçekimi dışında etkileşmeye girmeyen gizemli karanlık maddeyi aydınlatmak için birçok aday ortaya koyulsa da, şimdiye dek net bir kanıt bulunabilmiş değil.

Esra Bülbül.

NASA, 2014 Temmuz ayında, “Perseus kümesindeki gizem” başlığı ile oldukça yankı uyandıran bir haber yaptı. Habere göre Perseus ve 73 galaksi kümesinde herhangi element ışımasına denk düşmeyen bir ışıma yakalanmıştı ve bildiğimiz hiçbir maddeye ait olmayan bu ışıma karanlık maddeye ait olabilirdi. Karanlık madde adayları arasında bu aralıkta ışıma yapabilecek parçacıkların mevcut olması da, bu olasılığı epeyce artırıyordu.

Karanlık madde arayışında önemli yeri olan, deyim yerindeyse astrofizik ve parçacık fiziği alanlarında çalkantı yaratmış çalışmanın bizim için ayrı bir önemi ise, çalışmanın sahibinin Türkiye’den yetişmiş bir fizikçi olması. Kendisine dijital ortamda ilettiğimiz soruları yanıtlayan Esra Bülbül’e teşekkür ederiz.

Galaksiler varlığını karanlık maddeye borçlu

– Kendinizden ve çalışma alanınızdan kısaca bahseder misiniz?

– Lise öğrenimimi Isparta’da tamamladıktan sonra, 1999’da ODTÜ Fizik Bölümü’nü okumak için Ankara’ya taşındım. Lisans ve yüksek lisans öğrenimimi ODTÜ’de tamamlayıp 2006’da NASA Marshall Uzay Üssü’nde doktora çalışmalarına başladım. 2010’dan beri de Harvard CFA’da görev yapmaktayım.

Uzmanlık alanım, evrenimizin devleri olan galaksi kümeleri. Bu kaynakların X-ışını ve radyo dalgalarındaki gözlemlerini inceleyip, evrenin en büyük gizemlerinden biri olan karanlık madde hakkında bilgi edinmeye çalışıyorum.

– Karanlık maddenin galaksi ve galaksi kümeleriyle ilişkisi nedir?

– Galaksi ve galaksi kümelerinin kütlelerinin çok büyük bir bölümü karanlık maddeden oluşuyor. Bu yapılardaki karanlık madde oranı, insan bedeninde veya dünya üzerinde bulunan suyun oranından bile fazladır. Aslında galaktik yapıların oluşma ve varlığını bütün halinde koruyabilmelerinin nedeni karanlık maddedir diyebiliriz.

– X ve radyo dalgalarındaki incelemeleri nasıl yapıyorsunuz? 

– X-ışını dalga boylarında araştırma yapmak aslında o kadar da zor değil. NASA’nın X-ışını teleskoplarının gözlemleri kendi web sitelerinde arşivleniyor. Arşivi tarayıp verileri bilgisayarıma indirdikten sonra, kendi geliştirdiğim bilgisayar kodları ile öncelikle gerekli temizleme-filtreleme işlemlerini gerçekleştiriyorum. Ardından temizlenmiş veriler üzerinde fiziksel modeller kullanarak; yoğunluk, basınç, sıcaklık gibi fiziksel nicelikleri tayin ediyorum.

Radyo santimetre dalga boylarındaki çalışmalarımı ise Şikago Üniversitesi’nin de üye olduğu CARMA enterfrometre teleskobu ile yapıyorum. Bunun için Kaliforniya’ya gidip gözlem yapmam gerekiyor ve verileri aldıktan sonra yine bu veriler için özel olarak geliştirdiğim kodlarla basıncı elde ediyorum.

Karanlık maddeden kaynaklanabilecek bir ışıma yakaladık

– Yaptığınız çalışmalar oldukça yankı uyandırdı; meşhur çalışmanızdan bahseder misiniz? 

– Galaksi kümeleri evrenimizdeki en büyük sistemlerdir ve çok büyük miktarlarda sıcak plazma ve karanlık madde içerir. Karanlık madde bilindiği gibi utangaç parçacıklardan oluşuyor; diğer maddelerle kütleçekim etkileşmesi dışında herhangi bir etkileşime girmiyor, ancak kendi arasındaki etkileşimlerden X-ışını yayma olasılığı var.

Ben de bu motivasyonla yola çıkarak, galaksi kümelerindeki X-ışını gözlemlerine daha dikkatli bakmaya karar verdim. Son yaptığım çalışmada ise 73 galaksi kümesinin XMM-Newton X-ışını teleskobuyla alınmış gözlemlerini üst üste bindirerek, karanlık maddeden gelebilecek çok zayıf ikincil ışınımlara duyarlı bir analiz metodu geliştirdim. Analiz neticesinde görünen maddeden kaynaklanması olasılık dışı bir ışıma yakaladık; bu ışımanın karanlık maddeden kaynaklanmış olabileceğini düşünüyoruz.

– Işınımın görünen maddeden gelmesinin olasılık dışı olduğunu nasıl anladınız? 

– Galaksi kümelerindeki görünen maddenin X-ışını dalga boylarında ne tip ışımalar yaptığını iyi biliyoruz. Bu ışınım bölgesi; Chandra, XMM-Newton ve Suzaku teleskoplarıyla yıllardır birçok astrofizikçi tarafından detaylı biçimde incelendi. Görünen ışınımın katkısını fiziksel modeller kullanarak hesapladık ve gördük ki, galaksi kümeleri 3,55 keV enerjili dalga boylarında böyle bir ışınım yaymıyorlar. Bildiğimiz hiçbir mekanizmaya ait olmayan bu ışımanın açıklaması bizi karanlık madde yoluna götürdü.

Karanlık madde hangi parçacık olabilir?

– Karanlık madde sonuçta bir parçacıktan meydana gelmeli; yaptığınız çalışmanın işaret ettiği bir parçacık var mı?

– X-ışını camiası steril nötrinoları bulabilmek için uzun yıllar çalıştı. Steril nötrinoların yoğun çalışmalara konu olması sebebiyle biz de ilk olarak onları gözlemlediğimizi düşündük. Ancak makalemiz yayımlandıktan sonra axion, gravitino gibi farklı parçacıkların da bu dalga boylarında ışıma yapabilecekleri teorisyenler tarafından gösterildi. Makalemiz şimdiye kadar 160’tan fazla atıf aldı; bunların büyük çoğunluğu gözlenen ışımayı steril nötrino dışındaki karanlık madde adaylarıyla açıkladılar.

– Diğer karanlık madde adayları ne durumda?

– Karanlık madde tek tip parçacıktan ibaret olmayabilir. Parçacık fizikçileri arasındaki en popüler karanlık madde adayı WIMP (zayıf etkileşimli kütleli parçacık) dediğimiz parçacıklar. Eğer bu parçacıklar karanlık maddeyi meydana getiriyorsa, birbirleriyle olan etkileşimleri sonucunda gama ışını yaymaları gerekir. Işınımı gözlemlemek için Fermi teleskobu ile yapılmış çalışmalar var; bazılarında bizim yakaladığımıza benzer, görünür madde ile açıklanamayan ışımalar gözlendi, ancak bunların karanlık maddeden kaynaklandığı henüz ispatlanamadı.

Samanyolu’nda da aynı ışımaya rastlandı

– Parçacık fizikçileri çalışmanız hakkında ne düşünüyor?

– Bilimciler karanlık madde gizemini çözebilmek için yoğun bir çaba harcıyor. Haliyle bu tip çalışmalar hem astrofizikçileri hem de parçacık fizikçilerini oldukça heyecanlandırıyor. Çalışmamız, parçacık fiziği alanında yoğun bir gündem yarattı. Makalenin yayımlandığı tarihten bu yana birçok parçacık fiziği bölümünden ve konferanslardan davet aldım.

– Sizden sonra yapılan benzer çalışmaların ulaştığı sonuçlar nedir?

– Çalışmamız sonrasında diğer astrofizikçiler de yakaladığımız bu sinyali karanlık maddenin yoğun olduğu başka kaynaklarda, tüm X-ışını teleskoplarının gözlem verilerini kullanarak aramaya başladılar. Galaksi kümelerinde aranan sinyal; Suzaku, XMM-Newton ve Chandra teleskoplarıyla üç ayrı grup tarafından yakalandı. Ancak karanlık maddenin yoğun olduğu galaksilerde ise durum biraz karmaşık: Bazı galaksilerde sinyal gözlenirken bazılarında ise gözlenemedi. Son olarak kendi galaksimiz Samanyolu’nda da bu ışınıma rastlandı.

Daha detaylı gözlemlerle bulmacayı çözeceğiz

– Bizi nasıl bir gündem bekliyor? Gelecekte ne tür sınamalar yapılacak?

– Karanlık maddeyi bulmak için çaba sarfeden çok sayıda fizikçi

3,55 keV’lik ışıma ve Perseus kümesi.

var. Ben ise bu büyük grubun X-ışını kanadındayım. Bundan sonra yapmamız gereken, gözlenen ışınımların gerçekten karanlık madde olup olmadığını çok daha detaylı gözlemlerle sınamak. Fakat uzaydaki X-ışını teleskopları bunun için yeterli çözünürlüğe sahip değiller ve halihazırda en ayrıntılı veri analizini 2014 yılında biz gerçekleştirdik.

Doğru bir sınama için yüksek çözünürlüklü yeni bir teleskobun ilgili dalgaboyuna bakarak ışımayı gözlemlemesi gerekiyor. İyi haber şu ki gelecek yıl bunu başarabileceğiz: Ocak ayında fırlatılacak olan Japonya-Amerika ortak yapımı X-ışını teleskobu Astro-H, şimdikilerden 20 kat daha yüksek çözünürlüklü olacak. Astro-H takımı olarak önümüzdeki sene Perseus galaksi kümesini gözlemleyip bu bulmacayı çözmeyi planlıyoruz.

– Karanlık maddenin steril nötrino olduğu kanıtlanırsa, fizikte neler değişecek?

– Dördüncü tip nötrino olan steril nötrino, teorik egzotik bir parçacıktır ve evrenin standart kozmolojik modelinde yer almaz. Henüz varlıklarına dair herhangi bir kanıt da gözlemlenebilmiş değil. Eğer steril nötrinolar bulunursa, evreni iyi tanımladığını düşündüğümüz standart kozmolojik modele bir ek yapılması gerekecek. Bu da günümüz fiziğinin değişmesi ve kitaplarımızın bazı bölümlerini tekrardan yazmamız gerektiği anlamına geliyor. En heyecan verici nokta ise evrenin yüzde 23’ünü oluşturan gizemin hangi parçacıktan oluştuğunu öğrenecek olmamız. Bu da içinde yaşadığımız evreni anlamak açısından çok büyük bir adım.