Muamma Dosyası #1: Karanlık Madde

Hollandalı astronom Jacobus Kapteyn tarafından 1922'de yıldızların hızları üzerine yapılan bir çalışma sırasında "görünmeyen bazı maddelerin varlığı" şeklinde ilk defa dillendirilen Karanlık Madde, modern bilimin içinden çıkılması güç problemlerinden birisidir. Hakkında günümüzde birçok araştırmanın devam ettiği, çeşitli alanlara mensup bilim insanlarının üzerinde kafa yorup çalışma yaptıkları bir muamma. Evrendeki toplam madde miktarının yaklaşık %84’ünün -yani normal maddelerin beş katı kadarının- bu "karanlık madde"den oluştuğu düşünülünce, bu muamma çok daha içinden çıkılmaz ve mühim hale geliyor elbette. Bu yazıda, karanlık maddenin bilindiği kadarıyla ne olduğunu ve tabiri caizse "nereden çıkarıldığını" aktarmaya çalışacağız. İlk olarak isminin 'karanlık madde' olmasının sebebi en basit ifadesiyle onu görememizdir. Karanlık maddeye dair hiçbir direkt gözleme sahip değiliz. Fakat elimizde onlara dair iki dolaylı gözlem var.

Birinci Gözlem: Gök Cisimlerinin Hareketleri

Bunlardan birisi gök cisimlerinin hareketleriyle ilgili. On yedinci yüzyıldan bu yana gök cisimlerinin hareketlerini, yörüngelerini ve hızlarını; merkeze uzaklıklarına, onların ve çevresinde döndükleri merkezin kütlelerine göre tahmin edebiliyoruz. Bunları tespit edebilmek için elimizde Newton ve Einstein'dan kalma birçok formül ve kanun mevcut. Güneş Sistemi'nden örnek vermek gerekirse Merkür, yani Güneş'e en yakın olan gezegen çok hızlı bir biçimde dönerken; bilakis Güneş'e en uzak gezegen olan Neptün daha yavaş bir hızla dönmektedir. Bütün bu denklemler bize uydu gönderme, gezegen ziyaretleri gibi birçok noktada başarılı şekilde yol aracılığı da yapıyorlar.

[caption id="attachment_6011" align="alignright" width="400"] 250 milyar yıldıza ev sahipliği yapan Samanyolu Galaksisi[/caption]

"Bu ve benzeri birçok gözlem bize Newton ve Einstein'ın kütle-çekim sistematiklerinin herhangi bir pürüz olmaksızın işlediğini gösteriyor." Demeyi çok isterdik. Fakat elimizdeki bölgeyi biraz daha büyüttüğümüzde, yani Samanyolu Galaksisi'ni incelemeye koyulduğumuzda bir sorunla karşılaşıyoruz. Galaksideki gök cisimlerinin içinde bulundukları gök adaların merkezleri etrafındaki dönme hızlarının gök adaların merkezine olan mesafeye bağlı olarak değişiminin açıklanabilmesi için sadece ışıkla etkileşen madde yani tabiri caizse "ak madde" kütlesi yeterli olmuyor. Başka bir deyişle, biz tıpkı Güneş Sistemi'ndeki gibi merkeze uzak cisimlerin yavaş, yakın cisimlerin hızlı dönmeleri gerektiğini varsayabiliriz. Bu varsayım kabul ettiğimiz kanunların bir gereği olacaktır. Fakat maalesef bariz gözlemlerle örtüşmüyor, hatta neredeyse tam aksi bir durum söz konusu; kimi yakın yıldızlar yavaş dönerken, uzak yıldızlar yörüngelerinde hızlı bir akışla ilerliyorlar. Bu şartlar altında bu problemi iki yolla çözebileceğiz:

  1. Samanyolu Galaksisi'nin mevcut kütlesini yani içerdiği "madde" miktarını yanlış ölçüyoruz.
  2. Newton ve Einstein'ın kütle-çekim kuramları hatalı.

Fakat ikinci yolu kabul ederek, Güneş Sistemi'nin içinde tamamiyle tutarlılık göstermiş olan, gezegen hareketlerini tamamiyle doğru şekilde hesaplamış olan bu formülleri elimizin tersiyle itmemiz mümkün değil. Bu formüllerin doğruluğundan neredeyse şüphemiz yok, fakat onlar üzerinde modifiyeler yapabiliriz, ve dahi yaptık da. Ama bunların henüz sadece teorik modifiyeler olduğunu da belirtmek gerekiyor, ek olarak çözdükleri problemlerin yerine çok daha fazlasını getiriyor bu modifiyeler. O halde geriye birinci yol kalıyor: Samanyolu Galaksisi'nin kütlesini hesaplayamıyoruz. Defalarca yapılan ölçümler sonucu değiştirmiyor. Galaksinin içindeki ışıkla etkileşen "ak madde" kütlesi bu hareketleri açıklamak için yeterli değil. Tam da bu durumdan hareketle "ak madde"ye alternatif olabilecek bir ikinci yapıyı, "karanlık madde"yi ortaya atıyoruz: Göremediğimiz, fakat kütlesiyle gök cisimlerinin hareketlerini etkileyen ikinci bir madde türünü.

İkinci Gözlem: Işıkların Bükülmesi

Bir diğer gözlemsel tespit de ışığın uzayda bükülmesi ile ilgili. Genel Görelilik kuramına göre kütle uzayı eğmektedir. Işıkların bu eğilmeden etkilenerek bükülmesi bazı gök cisimlerinin olduklarından büyük ve hatta tamamiyle değişik şekilde görünmesine sebep olur. Merceklerin de cisimlerin olduğundan büyük görünmesine sebep olmalarından dolayı bu duruma da kütleçekimsel mercekleme adı verilmiştir.

[caption id="attachment_6012" align="aligncenter" width="647"] Kütle-Çekimsel Mercekleme, kaynaktan çıkan ışığın kütle çevresinde bükülmesi[/caption]

Bu olgu sayesinde bir yapının sadece geometrisini inceleyerek kütlesini hesaplayabilmekteyiz. Aynı sistemi gök adalara uyguladığımızda yine sorunlarla karşılaşıyoruz, gök adalar görülenden çok daha fazla kütle içermeliydiler, çünkü galaksilerin oluşturdukları kütle-çekim mercek etkisi, hesapladığımız “ak maddesel” kütlelerine oranla olması gerekenden çok daha fazla görünüyor. Bu kütleyi de yine var olması gereken alternatif bir "karanlık madde" kütlesine başvurarak açıklıyoruz.

Karanlık Madde, 'Ne'den Meydana Geliyor?

Malesef bu soruya verilebilecek bir cevaba sahip değiliz. Bu hususta ortaya atılmış birkaç tahmin olsa da, net bir bulgu söz konusu bile değil. Sadece bu da değil, Karanlık Madde'nin yerine çözüm olarak getirilen "nötrinolar"ın, "kırmızı cüce yıldızlar"ın veya "kahverengi cüceler"in herhangi birinin, bilinen maddenin dört katı kütlesinde mevcut olduğu düşünülen bu karanlık maddenin yerini tutabilecek kadar fazla olmaları, şuanki bilgimizle söz konusu görünmüyor. Henüz alternatif bir çözüme de sahip değiliz.

[caption id="attachment_6016" align="alignleft" width="223"] Büyük Hadron Çarpıştırıcısı[/caption]

Günümüzde karanlık maddeye dair, parçacık çarpıştırıcılarından uzay mekiklerine kadar, pek çok farklı alanda ve şekilde çalışmalar devam ediyor. Bunlardan elde edilecek sonuçların ve üretilecek çözümlerin, belki yüz yıl belki de on yıl sonra bu meseleyi adamakıllı aydınlatacağını ummak haricinde elimizde olan çok şey yok.

Fakat bu maddeye yönelik belirsizliği, daha önce hiç şeffaf nesne görmemiş bir kişinin "suyun aslında varolmadığını ve bardağın boş olması gerektiği şeklindeki düşüncesine, fakat bardağın ağırlığının ve içindeki su hareketliliklerinin sebebini kavrayamamasına" benzetebiliriz. Böyle bir benzetme bizi "merak etmeye, araştırmaya, öğrenmeye" itecektir, ya da Medeniyetin Alfabesi'ne mi demeliydik?

 

Kaynakça,

  1. http://www.kozmikanafor.com/tag/kutlecekim/?print=print-search
  2. http://www.kozmikanafor.com/category/genel/astrofizik/page/6/?print=print-search

 

İlgili Makaleler

Başlık

Açıklama