Karanlık Madde Nedir

Karanlık madde, adı itibarıyla karanlık bir şey. Aslında pek karanlık değil ama, biraz da bu isimlendirmenin geldiği Amerikan kültürü gereği böyle anılıyor.

Türk basınına göre, gördükleri her şeyde şaşkınlığa düşen Amerikalı gök bilimciler, tanımlayamadıkları bir şeyle karşılaştıklarında; hemen ona “dark“, yani “karanlık“ sıfatını eklemeyi pek seviyorlar. Kara delik, karanlık enerji vs gibi benzer adlandırmaları da biliyorsunuz. Ondan öyle, yoksa karanlık ya da aydınlık söz konusu değil. Sadece, henüz göremedik, bulamadık, keşfedemedik kendilerini…

Bu karanlık madde fikri de nereden çıktı?

Birkaç yüz yıldır, Kepler ve Newton sayesinde gök cisimlerinin yörüngelerini ve yörünge hareketlerini ölçümleyip tahmin edebiliyoruz. Bunun bir yığın rakamsal yazılımı, formülü vs mevcut. Tabii, bu yazımızda tüm bu hesap kitap işlerine girmeyeceğiz, rahat olabilirsiniz.

Dolayısıyla, bu matematiksel modeller sayesinde; herhangi bir gök cisminin, herhangi başka bir gök cismi ile etkileşimi sonucu yörüngesini, yörünge hızını ve kütlesini rahatlıkla belirleyebildiğimizi bilmek yeterli. Ama yine de, bir özet geçelim:

Kütlesini bildiğimiz büyük bir cismin çevresinde dönen başka gökcisimleri düşünün; mesela Güneş’i ve çevresindeki gezegenleri. Bu gezegenlerin daha yakın yörüngeye sahip olanları hızlı, daha uzakta olanları ise yavaş bir yörünge hızına sahiptir.

Karanlık Madde Nedir

Örneğin, Merkür gezegeni güneşin çevresinde fenafillah bir hızla dönerken, bizim Plüton veya Neptün hiç acelesi yokmuş gibi ağır ağır dönerler. Bunun da tüm sebebi, uzak cisimlerin kütle çekimsel nedenlerle (açısal momentum vs. gibi süslü anlatımları var) daha yavaş dönmeleri gerektiği. Matematiksel olarak; “dolanma süresinin karesinin, çevresinde döndüğü cisme uzaklığının üçüncü kuvvetine oranı“ gibi acayip de bir formülasyonu var.

Şimdiye kadar çevremizdeki gök cisimleri üzerine yaptığımız tüm gözlemler ve hesaplamalar, bu formülasyonun, yani Newton Kanunları’nın çok büyük oranda doğru sonuçlar verdiğini gösteriyor. Zorda kaldığımız yerlerde ise, Einstein’ın Görelilik Teorisi imdadımıza yetişiyor.

Bizler bu sayede uzaya uydular gönderebiliyor ve diğer gezegenleri ziyaret edebiliyoruz. Göktaşlarının ve kuyruklu yıldızların yörüngelerini hesaplayabiliyor ve zamanı doğru olarak ölçebiliyoruz. Şimdiye kadar bunun aksi bir durumla karşılaşmadık.

Şimdi üzerinde konuştuğumuz boyutları büyütelim:

Galaksimiz Samanyolu’nun içerdiği yıldızlar, gezegenler gaz ve toz, yani özetle kütlesi, merkez bölgesine doğru yoğunlaşır. Galaksideki Güneş de dahil, yaklaşık 400 milyar yıldız, bu kütle merkezi çevresinde dönerler. O halde şunu rahatlıkla söyleyebiliriz:

“Samanyolu’nun merkezine yakın yıldızlar hızlı, uzak olanlar ise daha yavaş hızlarda dönüyorlar”

Değil işte, söyleyemiyoruz…

Gözlemler gösteriyor ki, Samanyolu’nun merkezindeki yıldızların dönüş hızı, daha uzaktakilerden yavaş. Yani bu durum, bildiğimiz Newton yasalarına aykırı. “Lan bi sorun mu var hesaplarımızda?” veya “göreli“ durumlar mı söz konusu diye hemen Einstein’ın kütle çekim hesaplarına başvuruyoruz ama ı ıh! Einstein denklemlerine göre hesapladığımızda bile, ortada bir sorun var. Galaksi merkezinden uzak yıldızların daha yavaş dönmesi lazım ama bunlar maşallah, fişek gibi hızlara sahip yörüngelerde dolanıyorlar.

Samanyolu’nun “görünen kütlesini“, göremediğimizi düşündüklerimizi de içine katarak hesapladığımızda da yıldızların dönüş hızında bir sorun var. Sanki, bu hızı etkileyen çok başka bir şey söz konusu. Öyle ki, bazı yıldızların dönüş hızlarına baktığımızda, Samanyolu’nu terkedip gitmelerini gerektirecek kadar hızlı olduklarını görüyoruz. O kadar hızlılar ki, Samanyolu’nun hesapladığımız kütlesi, bu yıldızları yörüngelerinde tutmaya yeterli değil.

O halde elimizde iki seçenek var: Ya biz Samanyolu’nun kütlesini ve kütle dağılımını yanlış ölçüyoruz, yahut Einstein ve Newton’un kütle çekim kuramları yanlış.

Fakat daha önce söylediğimiz gibi, biz bu kuramların doğru olduğunu Güneş Sistemi ve yakın çevresindeki yıldızların hareketlerini ölçümleyerek bulduk, bunlar hakkında en ufak bir şüphemiz dahi yok. Yani bu yasalar yanlış olamaz. Mecburen geriye tek seçenek kalıyor; Samanyolu’nun kütlesini doğru ölçemiyoruz!

Tabii yılmadık… Samanyolu’nun kütlesini tekrar tekrar, defalarca ölçümledik. Sonuç aynı çıktı; görebildiğimiz Samanyolu kütlesi, yıldızların bu anlamsız hareketlerini açıklamaya izin vermiyor. Geriye kalan tek seçenek; Samanyolu dahilinde bizim göremediğimiz (daha doğrusu elimizdeki gözlem araçlarının belirleyemediği) bir “kütle” daha mevcut olması.

Tüm Samanyolu’nu kaplayan bu madde, yıldızların yörünge hareketlerini etkiliyor. Üstelik, bu etkiyi yaratabilmesi için bilmediğimiz bu maddenin miktarının, galaksimizdeki “toplam” kütlenin yüzde 90’ı kadar olması gerekiyor. Daha başka bir ifadeyle, biz onca uğraşımıza rağmen Samanyolu’ndaki toplam kütlenin sadece yüzde 10’unu hesaplayabilmişiz. Kalan yüzde 90’ını göremiyoruz.

Oldu mu şimdi, Samanyolu’nun yüzde 90’ının bilinmeyen, “karanlık” bir maddeden oluşması? Olmadı tabii, çünkü bu maddeyi göremediğimiz için hiçbir şekilde tespit edemiyoruz. Göremiyoruz ama, kütle çekim ölçümleri karanlık maddenin galaksimizin yüzde 90’ını oluşturması gerektiği fikrini bize dikte ediyor. Artık elimiz mahkum, Samanyolu’nda göremediğimiz çok büyük miktarda maddenin homojen olmayan bir biçimde varlığını kabul etmek zorundayız.

Dahası var, uzak galaksileri (daha doğrusu galaksi kümelerini) gözlemlediğimizde, bu galaksilerin hareketlerinin ve oluşan “kütle çekimsel mercek” etkilerinin de karanlık maddeyi hesaba katmadan açıklanamadığını fark ediyoruz. Demek ki, gözlemleyebildiğimiz evrenin büyük çoğunluğu; göremediğimiz bu karanlık maddeden oluşuyor.

Artık buna eminiz. Eğer, “hayır” dersek, Newton ve Einstein fiziğini bir kenara atmak zorundayız. Böyle bir şey de mümkün değil şu an için. Çünkü yerlerine koyacak başka “daha iyi” bir teorimiz yok.

Peki bu karanlık, göremediğimiz madde “ne”den müteşekkil?

İşte bunu bilmiyoruz. Aslında elimizde birkaç “fail” var. Nötrino‘lar mesela. Bunlar hemen hemen maddeyle hiçbir şekilde etkileşmeyen, yani görünmesi çok zor parçacıklar. Fakat nötrinoları ölçümlemek o kadar zor ki, karanlık maddenin faili olup olmadıklarını anlamamız çok zor. Üstelik, hesaplarımıza göre “olması gereken” nötrino miktarı “şu anki bilgimizle” karanlık madde için çok ama çok yetersiz kalıyor.

Yine, bazı ağır atomaltı parçacıklar ve gözlemlenmesi “biraz zor” olan kırmızı cüce yıldızlar veya kahverengi cüceler de karanlık madde için aday. Ayrıca, kahverengi cüce dahi olamamış Jüpiter büyüklüğünde gök cisimleri de adaylar arasında. Buna, göremediğimiz gaz ve toz miktarının da ekleyebiliriz. Tüm bunlara rağmen olmuyor işte, hiçbiri bu devasa karanlık madde miktarını açıklamaya yetmiyor.

Göremediğimiz bir şeyler var: Hayatında “cam” görmemiş birinin, tıpkı bir pencere camının yerinde boşluk olduğunu sanması gibi bir şey aslında bu. Evrende, “bildiğimiz” tüm ışınımı geçiren “cam” gibi bir madde mevcut. O halde, onu göremememiz, sadece kütle çekim etkisini fark edebilmemiz normal.

Tüm bunlara rağmen o kadar da çaresiz değiliz bu konuda. Bazı açıklamalar da yok değil. Örneğin, geçtiğimiz dönemlerde küreresel yıldız kümeleri üzerine yapılan bazı araştırmalar; bu uzak kümelerde göremeyeceğimiz kadar soluk yıldızların varlığını ortaya çıkardı. Öyle ki, bu yıldızların miktarı, küresel kümelerdeki yıldızların ancak karanlık madde ile izah edilebilen hareketlerini açıklama imkanına kavuşmamıza neden oldu.

Yani, “bazı” küçük ölçeklerde, bazı sorunları karanlık madde olmadan artık izah edebiliyoruz. Fakat bunu, Samanyolu ve diğer galaksiler gibi büyük ölçeklerde henüz yapamıyoruz. Eğer Samanyolu ölçeğinde bu açıklamayı tıpkı küresel kümelerde olduğu gibi yapabilirsek, karanlık madde varsayımına gerek kalmayacak. Bunu başarabilecek kişi veya ekip de Nobel Ödülü’nü kapacağı gibi, yüzyılın en saygı duyulan astronomları arasına girip, tarih ve ders kitaplarında en az iki bin yıl adının anılmasını garantileyecek…

Fakat bunu yapamazsak, karanlık maddeyi oluşturan yapıyı aramayı biraz daha sürdüreceğimiz açık…