Ana sayfa Bilim Gündemi Karanlık madde ve karanlık enerji gizemi: Evrenin yüzde 95’i karanlıkta

Karanlık madde ve karanlık enerji gizemi: Evrenin yüzde 95’i karanlıkta

304
PAYLAŞ

Çeviren: Mehmet Salim

Evrendeki bütün kütle ve enerji hesaplandığında, karanlık enerji bu toplamın yaklaşık yüzde 68’ini oluşturuyor. Karanlık madde bu hesaplamalarda yaklaşık yüzde 27. Görünen gözlemlenen madde -bütün güneşler, gezegenler, bütün gaz bulutsuları ve insanlarla bildiğimiz evren- sadece yüzde 5 i oluşturuyor. Yani evrenin yüzde 95’i kelimenin tam anlamıyla hâlâ karanlıkta.

Sunuş

Prof. Laura Baudis ile söyleşi.

Okuyacağınız söyleşi Almanya’da çıkan Geokompakt dergisinin 51. sayısında yayınlandı. Arabaşlıklar bize ait.

İki büyük kuvvet evrene hükmediyor: Biri galaksileri bir arada tutan karanlık madde, diğeri evreni birbirinden uzaklaştıran karanlık enerji. Fizik Profesörü Laura Baudis, biliminsanlarının bu kuvvetler hakkında ne bildiklerini ve kompleks deneylerle bunu nasıl açığa çıkarmaya çalıştıklarını anlatıyor.

Profesör Baudis, evrenin en büyük gizemlerinden biri olan karanlık madde ile ilgileniyorsunuz. Neden?

Karanlık madde, maddenin özel bir biçimi. Işık yaymadığı için onu göremiyoruz. Bir yıldızın maddesinin tersine ne ışık yayıyor, ne de örneğin taştan, bulutlardan, bedenimizden oluşan görünen maddeden farklı olarak ışığı yansıtıyor. Bu nedenle karanlık madde tamamıyla saydam ve bizim için bütünüyle görünmezdir.

Prof. Laura Baudis / Zürich Üniversitesi Fizik Enstitüsü.

Görünen madde gibi karanlık maddenin de Büyük Patlama ile oluştuğunu ve daha başlangıçtan beri evrenin oluşumuna etkide bulunduğunu düşünüyoruz. Ama görünen maddenin tersine karanlık maddenin oluşumunu bilmiyoruz. Biz kompleks ölçümler aracılığıyla ancak karanlık maddenin evrende hangi büyüklükte yer kapladığını ve nasıl dağıldığını biliyoruz. Ama karanlık maddenin parçacıkların bir türünden mi oluştuğunu ya da farklı türlerinden mi oluştuğunu daha söyleyemiyoruz.

Neden karanlık maddeden yıldızlar oluşmadı?

Bu, başka şeylerin yanında karanlık madde parçacıklarının görünüşe göre bütünüyle görünen maddeden farklı hareket ettiğinden kaynaklanıyor. Bize tanıdık dünyada en küçük parçacıklar, örneğin kuarklar birbirleriyle çok yönlü etkileşim halindedirler. Örneğin kuarklar daha büyük parçacıklar olan protonlar ve nötronlara bağlanıyorlar. Öte yandan protonlar ve nötronlar atomların çekirdeğini oluşturuyorlar ve bunların yörüngesinde de küçücük elektronlar hareket ediyor. Çekirdek, yüksek basınç altında eriyor. Yıldızlarda böyle oluyor. Böylece başka elementler oluşuyor. Hidrojenden helyum, sonra lityum, daha sonra karbon, oksijen ve demir oluşuyor. Farklı elementler sonunda bileşime giriyorlar: Hidrojen ve oksijen örneğin suyu oluşturuyorlar.

Fakat karanlık maddenin parçacıkları birbirleriyle hiç etkileşime girmiyor. Muhtemelen daha parçacıklar düzeyinde kompleks yapılar oluşturmuyorlar. İdeal bir gazdaki parçacıklar gibi tek tek ve serbest olarak etrafta hareket ediyorlar.

‘Bedenimizden de geçiyorlar ama hissetmiyoruz’

Gizemli karanlık madde hakkında daha neler biliniyor?

Çok az şey. Evrendeki maddenin yüzde 80’inden daha fazlası karanlık madde olmasına ve kanıtlamaya yönelik birçok proje bulunmasına rağmen şimdiye kadar karanlık maddenin tek bir parçacığını bile doğrudan bir detektörün yardımıyla izlemek başarılamadı.

Uzun süre araştırmacılar karanlık maddede gerçekte küçücük temel parçacıklar olan nötrinoların söz konusu olduğunu düşündüler. Bu parçacıklar yaklaşık olarak ışık hızıyla hareket ediyorlar ve aynı zamanda alışılmış maddenin içinden hızla geçiyorlar. Ama şimdi nötrinoların toplam kütlesinin karanlık maddenin etkisini açıklamak için yetmediğini biliyoruz.

Yani tamamıyla bilinmeyen parçacıklar olmalı karanlık maddenin arkasında.

En duyarlı karanlık madde dedektörü.

Karanlık madde nerelerde görülüyor?

Evrenin her yerinde. Bütün evrende dolanıyor. Karanlık madde Dünya’da da mevcut. Hatta karanlık maddeyi oluşturan parçacıklar bizim bedenimizden de akıp gidiyorlar. Bunu hissetmiyoruz.

Neden parçacıkların bedenimizden geçip gitmesini fark etmiyoruz?

Çünkü parçacıklar bedenimizi oluşturan atomlarla etkileşime girmiyorlar, daha doğrusu hiç girmiyorlar. Bundan dolayı hissetmiyoruz. Sensörlerimiz olmadığı için onları algılamıyoruz. Ama karanlık madde devamlı orada.

Bu parçacıklardan ne kadarı bedenimizden geçiyor?

Bildik bir teoriye göre ortalama olarak bir saniyede başparmağın tırnağı kadar bir alandan yaklaşık yüz bin karanlık madde parçacığı geçiyor. Bu sayı çok görülebilir ama aslında oldukça az. Çünkü gözle görülen maddenin çok yoğun olduğu Dünya’da havanın yoğunluğu karanlık maddenin yoğunluğundan yaklaşık yirmi kez daha büyüktür. Bundan dolayı karanlık maddenin kütlesi bedenimiz üzerinde önemli bir çekim kuvveti yapmıyor. Etkisi ancak büyük ölçüde -galaksiler düzeyinde- hissediliyor.

Karanlık maddenin varlığı nasıl biliniyor?

Karanlık madde bizim bildiğimiz dünyadan çekilmiş görünüyor. Peki, fizikçiler onun varlığını nasıl biliyorlar?

Daha 1930’lu yıllarda İsviçreli astrofizikçi Fritz Zwicky, maddenin görünmeyen bir biçiminin varlığını öngörüyordu. Biliminsanları, bir tür topluluk oluşturan çok çok uzak birçok galaksinin hızını gözlemlediler. Çok kompleks hesaplamalarla Zwicky, galaksilerin gerçekte birbirlerinden hızla uzaklaşmaları gerektiğini hesapladı. Sadece görünen madde olsa, yani esas olarak gazın ve yıldızların kütlesi arasında sadece görünen madde olsa galaksi kümeleri oluşmamalıydı. Onların çekim kuvveti, yıldız takımadalarını birbirine bağlamaya yetecek büyüklükte değildi.

Zwicky bu sonuca nasıl ulaştı?

Görünen maddeden çok daha fazla bir şey olduğunu düşündü. Yani galaksileri bir arada tutan bir tür yapıştırıcı gibi bir şey. Ama Zwicky’nin tezi arkadaşları tarafından gülümsemeyle karşılandı ve keşfi uzun süre görmezlikten gelindi.

İlk kez 1970’lerde Amerikalı Fizikçi Vera Rubin, nihayet astrofizikçiler tarafından dünya çapında da ciddiye alınan devrim niteliğinde başka gözlemler yaptı. Rubin, yıldızların bir galaksinin merkezi etrafında hangi hızla hareket ettiğini belirledi. Bunun yanında Rubin, gök cisimlerinin farklı hızlarının ancak büyük, bilinmeyen bir kütleyle açıklanabileceğini belirledi. Sadece görünen madde olsaydı bir galaksinin merkezinden uzak bulunan o yıldızlar, fiziğin yasalarına göre gerçekte hareket ettiklerinden daha yavaş hareket etmeliydiler.

Karanlık maddenin varlığı hakkında başka bilgiler var mıydı?

Evet, örneğin kütleçekimsel merceklenme. Galaksilerin çevresini kuşatan karanlık madde, kendi olağanüstü kütlesiyle ve çekim kuvvetiyle, arkasında duran çok uzak gökcisimlerinden gelen ışığı saptırıyor. Dünyadan baktığımızda galaksilerin arkasındaki gökcisimleri çarpıtılmış olarak görülüyor. Sanki onları bir mercekle gözlemliyormuşuz gibi.

Laura Baudis, CERN bünyesinde bir konuşma yaparken.

Karanlık maddenin varlığına ilişkin başka bir kanıt da bütün uzayı kaplayan bir ışınım. Bu ışınım evrenin erken dönemlerinde oluşuyor ve Büyük Patlama’nın bir çeşit yankısıdır: Kozmik mikrodalga arka plan ışıması. Bunun kesin hesaplanması ile evrenin ilk başta ne kadar kütlesi olduğu hesaplanabilir. Bu fiziksel nicelik, bizim algıladığımız dünyadan -örneğin yıldızlar, gezegenler, asteroitler, gaz bulutları- oldukça yüksek kütleden oluşuyor. Sanki evreni tartmışız da büyük oranda madde eksik gibi.

Evrenin evriminde karanlık maddenin rolü

Evrende ne kadar karanlık madde bulunuyor?

Karanlık madde evrenin yüzde 85 ini oluşturuyor, kalan ise gözlemlediğimiz madde.

Karanlık madde evrenin gelişimini nasıl etkiledi?

Evrenin oluşumunda neredeyse temel bir rol oynadı. Çünkü evrene yapısını karanlık madde verdi. Evrende gözlemlediğimiz galaksiler, galaksi kümeleri, ya da binlerce galaksi kümelerinden oluşan ağsı birliklerin hepsi karanlık maddenin kuvveti olmadan açıklanamaz.

Bu arada fizikçiler gelişmiş bilgisayar simülasyonları yardımıyla evrenin yapısını ve özellikle galaksilerin oluşumunu daha detaylı kurabiliyorlar. Bu simülasyonlar, karanlık madde olmadan yapılamıyor.

Simülasyonlarda karanlık maddeyi dışta bıraktığımızda evren nasıl görülüyor?

Araştırmacılar, simülasyon hesaplamalarında yalnızca görünen maddeyi oluşturan parçacıkları dikkate aldıklarında bunların miktarı ne yıldızları ne de galaksileri oluşturuyor. Karanlık maddesiz evren bugün gerçekten ıssız bir yer olurdu. Gerçi atomlar, hidrojen ve helyum olurdu. Ama kozmos karanlık olur, güneş ışımaz, etrafında gezegenler dönmezdi. Evren çoğunlukla hidrojen olan, çok hafif bir gazla dolu olurdu.

Karanlık madde evrene nasıl bir biçim verdi?

Evrenin ilk dönemlerinde karanlık madde eşit bir şekilde dağılmamıştı. Bazı bölgelerde daha fazla vardı ve orada karanlık madde parçacıkları biraz daha yoğun hareket ediyorlardı. Parçacıklar bir kütleye sahip olduklarında çekim kuvvetini geliştiriyorlar ve zamanla -çekim kuvveti tarafından sürüklendiklerinde- yoğun olan bölgelerde daha fazla karanlık madde toplandı. Böylece kocaman bir küre biçiminde toplanan karanlık madde oluştu. Bunlara galaksi haleleri deniliyor.

Bu küreler çok yüksek çekim kuvvetine sahipler ve aynı zamanda görünen maddeyi de kendine çekiyor. Galaksi haleleri etrafta bulunan ve zamanla çok büyük bulutları oluşturan hidrojen atomlarını da soğurdu.

Hidrojen toplandıktan sonra evrenin gelişimi için önemli bir çekim kuvveti oluşturdu. Devamında bazı bulutlarda büyük miktarda hidrojen gazı toplandı ve bu atom fizyonuna neden oldu; böylece ilk yıldızların oluşumu başladı.

Işıldayan gökcisimleri sonunda -aynı zamanda karanlık maddenin muazzam çekim kuvveti tarafından yönetilen- evrende milyarlarcası bulanan galaksileri, o parlak yıldız adalarını biçimlendirdi.

Karanlık maddenin izi nasıl sürülüyor?

Biliminsanları hangi yöntemlerle karanlık maddenin gizemli parçacıklarının izini sürüyorlar?

Yöntemlerden biri karanlık maddeyi yeniden oluşturmaktan ibaret. Bu, CERN gibi büyük parçacık hızlandırıcıların yardımıyla başarılmaya çalışılıyor. Araçlarda örneğin iki proton neredeyse ışık hızına yakın getiriliyor ve çarpıştırılıyor. Çarpışmada birçok yeni parçacık oluşuyor. Tahminen bu yeni parçacıklar arasında karanlık maddenin de bir parçacığı bulunuyor.

Bu ölçülüyor mu?

Evet, ama elbette sadece dolaylı olarak. Bu parçacık şu anlama geliyor. Yeni oluşan parçacıkların kendisi, aletin içinde çarpışma noktasında kurulan kocaman detektörlerden geçen karanlık maddenin bütün parçacıkları gibi uçup kaybolabilirler. Sensörler onu kayıt altına alamayabilirler.

Çarpışmada oluşan diğer birçok parçacık -nötrinolar hariç- detektörlerde yakalanabilir. Elde edilen verilerden böyle bir sonuç okunabilir. Böylelikle fizikçiler çarpışmada bir şeyin kaybolup kaybolmadığını tespit edebilirler. Ayrıca bu durum karanlık madde parçacıklarının bazı özellikleri hakkında bize bir şeyler söyleyebilir. Örneğin ne kadar ağır oldukları hakkında. Ya da -basitleştirerek söylersek- ne kadar hızlı şekilde kendi etraflarında döndükleri hakkında bilgi verebilirler.

Parçacıkları tespit etmek için başka yöntemler var mı?

Gerçi biz karanlık maddenin görünen maddeyle neredeyse hiç etkileşime girmeyeceğinden hareket ediyoruz.

Bazen iki parçacığın çok nadir çarpışabileceği tahmin ediliyor. Çünkü bunlar reaksiyona çok az meyilli. Bundan dolayı araştırmacılar, karanlık maddenin varsayılan parçacıklarını aynı zamanda ‘WIMP’, zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacık (Weakly Interacting Massive Particle) olarak tanımlıyorlar.

Gerçekte karanlık maddenin parçacıklarında WIMP söz konusu olduğunda, bazen böyle zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacıkların bir atom çekirdeği ile çarpışması meydana gelmeli. Tam da bunu kaydetmek için İtalya’da Gran-Sasso bölgesinde yeraltı laboratuvarında bulunan detektörlerimiz var. Dünyada kendi çapında en büyüğü.

Bu alet nasıl işliyor?

Detektörün kalbi, 3,3 ton ağırlığında yüksek saflıkta sıvı ksenon bulunan bir büyük tanktır. Ksenon, atomları son derece kararlı, atom çekirdeği çok büyük ve ağır olan kimyasal bir elementtir. Eğer karanlık maddenin parçacıkları ksenon atomları ile çarpışırsa -iki bilardo topu gibi- bizim hesaplamalarımıza göre çok çok zayıf bir ışık yıldırımı oluşması gerekiyor.

Geliştirilmiş bir mekanizmayla bu ışık yıldırımını milyonlarca defa güçlendirebiliriz. Bizim sensörlerimiz tek tek ışık parçacıklarını -bir fotonu- kesin ölçecek kadar hassastırlar.

İşin zor tarafı bunu etkileyen bütün olası faktörleri ortadan kaldırmaya yönelik çalışmalardır. Bundan dolayı detektörleri bir dağın içine yerleştirdik. İçine yerleştirdiğimiz kayalık, aleti kozmik ışınımdan koruyor. Ayrıca ksenon mümkün olduğu kadar temiz olmalı. Çünkü her kirlenme bozucu bir etkiye sahip olur.

Ksenon tankını korumak için on metre kalınlığında su tabakası ile kapladık ve çok güçlü biçimde dış dünyadan izole ettik. Ama tüm bunlara rağmen olumsuz etkileyen nedenler olabilecektir.

Henüz aranılan herhangi bir parçacığı bulmayı başaramadınız.

Aletimiz daha birkaç haftalık. Detektörde 3,3 ton ksenon bulunmasına rağmen en fazla yılda bir avuç çarpışma bekliyoruz. Sonraki sorun bu sonuçları kaydedebilmek ve etkilerden ayırt edebilmek. Bunun için daha karmaşık simülasyonlar ve bilgisayar programları geliştiriyoruz.

Anlaşılan çarpışmaları kaydedemiyorsunuz. Peki, ne yapıyorsunuz?

Daha büyük bir dedektör planladık. Sekiz tonluk büyüklükte. Gelecekte elli tonluk bir ksenon tankı düşünüyoruz. Çünkü dedektörlerimizle parçacıkları ilk kez kaydetsek bile büyük bir alet daha fazla veri toplamaya yardımcı olur. Parçacıkların yapısı hakkında daha fazla bilgi için buna ihtiyacımız var.

Bir parçacığın bulunması durumda bu ne anlama gelecek?

Sansasyon olur! Gerçi karanlık maddenin kendisini kanıtlamayacağız. Bununla birlikte büyük bir keşif olacaktır bu. Karanlık maddenin bilinmeyen yeni parçacıklardan oluştuğunu gösterirsek, onun niteliklerin ilişkin giderek daha fazla bilgi edineceğiz ve sonra galaksilerin oluşumu hakkında yeni modeller geliştirebileceğiz.

Ama özellikle bizim dünyamızın en küçük parçacıklarının niteliklerini tanımlayan parçacık fiziğinin standart modeline büyük ölçüde meydan okuyacaktır bu keşif. Çünkü şimdiye kadar parçacık fiziğinde karanlık maddenin hiçbir parçacığı öngörülmedi. Standart model yalnızca görünen maddenin parçacıklarına dayanıyor ve bu nedenle genişletilmesi gerekiyor.

Bir de karanlık enerji var

Fizikçileri uğraştıran bir diğer gizemli fenomen ise karanlık enerji. Karanlık enerji deyince ne anlaşılıyor?

Karanlık enerji karanlık maddeden tamamıyla farklı. Enerjinin bu biçiminin ne olduğu henüz bilinmiyor. Ama evrende kesin olarak bulunduğu düşünülüyor. Alışılmamış bir etkiye sahip. Karanlık enerji mekânı sürekli birbirinden uzaklaştırıyor. Evrenimizin genişlemesinde itici bir güç oluşturuyor. Evrende etkisi giderek artıyor. Bunun sonucu olarak mekânın genişlemesi giderek hızlanıyor.

Einstein’ın denklemlerinde bundan söz ediliyor. Orada enerji terimi, ‘kozmolojik sabit’ anlamına geliyor ve çekim kuvvetinin karşıtı olarak etkisini gösteriyor.

Karanlık enerjiyi nasıl düşünmek gerekiyor?

Karanlık enerji görünmeyen bir alan gibi bütün evreni dolduruyor. Bir magnetik alanla karşılaştırılabilir. Kozmozda bütün yapıları birbirinden uzaklaştıran bir enerji alanı. Düşünün yukarı bir elma atıyorsunuz ve bu geri gelmek ve dünyaya düşmek yerine sürekli yukarı hareket ediyor.

Karanlık enerji de karanlık madde gibi evrenin bazı yerlerinde daha yoğunluklu ve etkili mi?

Hayır. Karanlık enerji evrende eşit bir şekilde dağılmış durumda. Bir yer, başka bir yere göre daha yoğun ya da daha hızlı genişlemiyor. Mekân her yerde aynı biçimde genişliyor.

Karanlık enerjinin ne olduğunu kanıtlamanın bir yolu var mı?

Bunu kanıtlamak karanlık maddeden çok daha zor. Çünkü karanlık enerji sadece dolaylı olarak, örneğin uydu deneyleri ya da dünyadaki büyük teleskoplarla ölçülebilir. Sadece çok büyük skalalarda kendini gösteriyor. Yani sadece uzaya baktığımızda bunu anlayabiliriz. Karanlık enerji kozmik yapıların büyümesinde etkili oluyor. Etkisinin eskiden bugüne göre daha farklı olduğu tespit edilmeye çalışılıyor. Yanıtı verilemeyen bir soru da karanlık enerjinin mekânın sabit bir niteliği mi olduğu, yoksa zamanla mı değiştiği.

Karanlık enerjinin evrendeki payı?

Evrendeki bütün kütle ve enerji hesaplandığında, karanlık enerji bu toplamın yaklaşık yüzde 68’ini oluşturuyor. Karanlık madde bu hesaplamalarda yaklaşık yüzde 27. Görünen gözlemlenen madde -bütün güneşler, gezegenler, bütün gaz bulutsuları ve insanlarla bildiğimiz evren- sadece yüzde 5 i oluşturuyor.

Yani evrenin yüzde 95’i kelimenin tam anlamıyla hâlâ karanlıkta.

Evrenin geleceği üzerinde karanlık enerjinin hangi etkileri bulunuyor?

Eskiden evrenin genişlemesinin bir sonu olduğu tahmin ediliyordu. Çekimden dolayı bütün galaksilerin gelecekte birbirlerini yeniden çekeceği ve yeniden küçüleceği düşünülüyordu. Evren bir gün Big Crunch (Büyük Çöküş) ile sonlanacaktı.

Karanlık enerjiden dolayı tam tersi bir durum söz konusu. Yeni senaryo şu şekilde: Evren sürekli olarak çok büyük hızda genişleyecek ve sonra galaksiler arasındaki mekân, ışık hızından daha hızlı büyüyecek. Bu durumda A dan B’ye hiçbir şekilde bilgi ulaşamayacak. Örneğin komşu galaksiler birbirinden hızla uzaklaşacak ve birinin ışığı diğerine ulaşamayacak. Ve böylece bir gün gökyüzü de karanlığa gömülecek. Böylece her şey birbirinden kesilmiş olacak. Büyük bir karanlık, hiç… Galaksiler içinde de ayrı ayrı mekânlar birbirinden kesilmiş olacak. Sonra her şey çözülecek. Hiçbir şey kalmayacak. Daha sonra bugün hakkında hiçbir şey bilmediğimiz bir kuvvet, her şeyin üzerinde üstünlük kazanacak: Sonsuza kadar karanlık enerjinin zamanı olacak.

Kaynak: Bilim ve Gelecek, Sayı:161, Temmuz 2017, s.62-65