Kara Madde Nedir Ne Değildir?

Ethem hocam bu seferde gökbilimciler ve fizikçiler tarafından yoğun bir şekilde tartışılan bir konuyu ele alıyor: Kara madde...

Son zamanlarda astrofizikte evrenbilim çalışmaları önemli bir yer tutmaya başladı. Bilim insanları gözümüzle veya teleskobumuzla gördüğümüz evrendeki o ışıldayan yıldızlar ve gökadaların toplam kütlesi evrendeki maddenin çok küçük bir bölümünü oluşturuyor dediler. Bugüne kadar bildiğimiz Samanyolundaki milyarlarca yıldız ve evrendeki milyarlarca gökadanın kütle olarak bir hiç olduğunu öğrenmek bizleri epeyi şaşırttı. Görünen evrendeki madde evrendeki maddenin sadece %4'ü kadar. Bu görünmeyen maddenin %23'nü de kara madde oluşturuyor dediler. Peki nereden çıktı bu kavram, bu yazıda onu anlatmaya çalışacağım.

Bugün evrendeki kütle dağılımı

Bu konuya girmeden önce Güneş Sistemimizde gezegenlerin hareketlerini iyi bilmemiz gerekiyor. Yaklaşık olarak gezegen yörüngelerini dairesel kabul edersek buradan elde edeceğimiz hıza da ortalam hız deriz. Keplerin üçüncü yasası bir gezegenin dolanma döneminin karesinin Güneşe olan ortalama uzaklığının üçüncü kuvvetine oranı tüm gezegenler için aynıdır der ve bu aynı olan parametre de Güneşin kütlesini içerir. Diğer yandan bir gezegenin Güneş çevresinde aldığı yol ve bu yolu katetmesi için gereken zamanı bilirsek onun ortalama hızını bulabiliriz. Bu formül ile Kepler yasasını birleştirdiğimizde bir gezegenin yörüngesindeki hızın onun Güneşe olan uzaklığına ve Güneşin kütlesine bağlı olduğunu görürüz.

Bir sistemde hızın kütle ve yörünge yarıçapına bağlılığı. Newton yasası

Güneşin kütlesi sabit olduğuna göre uzaklık değiştikçe hızın düşmesi gerekiyor çünkü hız uzaklıkla ters orantılı. Bu sonuç gezegenlerin hızları ölçüldüğünde doğru çıktığı görülmüştür. Aşağıdaki şekle bakarsak yörüngesinde en hızlı dolanan Merkür, en yavaş dolanan Neptün gezegenleridir. Bu Newton yasasını doğal olarak evrenseldir. Her sisteme uygulanır, örneğin Dünya çevresindeki yapay uydulara veya doğal uydumuz Ay'a da uyguladığımızda M yerine yer kütlesini koyduğumuzda doğru çıktığını görürüz. Jüpiter ve uydularına da uyguladığımızda aynı sonuca varırız.

Güneş sisteminde gezegenlerin hız dağılımı. Newton yasalarına tam bir uyum vardır.

Gökbilimciler aynı yasayı gökadalara uygulamak istediler ve önce Samanyolundaki yıldızlara uyguladılar. Gökyüzünde gördüğümüz tüm yıldızlar Samanyolu'a aittir. Örneğin Güneş, bu gökadanın merkezine 30000 ışık yılı uzaklıkta ve bir turunu 225 milyon yılda tamamlarken hızı saniyede 220 kilometredir. Beynimiz hız birimi olarak km/saat kullanır, eğer çevirirsek 220*3600=792000 km/saat çıkar. Formula yarışlarında bir arabanın hızı yaklaşık 300 km/saat veya bir uçağın hızı yaklaşık 1000 km/saat olduğunu bildiğimize göre çok kolay karşılaştırma yapabiliriz. Farklı sarmal kollardaki bir çok yıldızın yörünge hızı ölçüldüğünde ve bunları bir grafiğe yerleştirdiğimizde aşağıdaki şekil ortaya çıkıyor.

İçinde bulunduğumuz Gökadada yıldızların yörünge hızları. Merkezden uzaklaştıkça hızlar artıyor sanki yıldızlar uçuyor.

Gökadamızın merkezinden uzaktaki yıldızların hızları merkeze yakın olan yıldızlardan daha fazla olduğunu görüyoruz. Öyleki nerdeyse gökadayı terkedip kaçacak limit hıza çok yakınlar. Bu yüksek hızı ne Newton ne de Einstein denklemleri açıklayamıyor. Yukarıda verdiğim formüle dikkat ederseniz hız büyük olduğuna göre onunla doğru orantılı olan kütlenin de büyük olması gerekiyor. Hızı ve merkeze olan uzaklığı doğru ölçtüğümüze göre gökadamızda ya eksik bir kütle var ya da Newton'un çekim yasası doğru değildir. İkinci görüşü çok önceleri test ettiğimize göre birinci görüş doğru demektir. Yani tüm Samanyolunda, özellikle de onu saran ama görünmeyen bir kütle var demektir. Ne kadar kütleye gereksinimimiz var diye formüle koyduğumuzda gökadamızın %90 kütlesini göremediğimiz ortaya çıkmaktadır. İşte bu görünmeyen maddeye “Karanlık Madde” adı verilmektedir. Görmüyoruz ama var.

Başka gökadalarda bulunan yıldızların da hızlarını ölçtüğümüzde benzer bir şekil ile karşılaşıyoruz. Burada 4 farklı gökada için bulunan değerler görülmektedir.

1781 yılında Uranüs gezegeni Sir William Herschel tarafından keşfedildi. Yaklaşık 100 yıl önce Newton hareket yasasını ve çekim yasasını ortaya koymuştu. O zaman gökbilimciler hemen Uranüs'ün yörüngesini çalışmaya başladılar. İlginç bir şekilde Uranüs'ün yörüngesi Newton yasalarına tam uymuyordu. Yine hemen iki çözüm önerildi; ya daha dışarıda bir gezegen vardı veya Newton hatalıydı. Gökmekanikçiler Newton'un yasalarına güveniyorlardı ve başladılar bu tedirginliği ne yaratabilir diye ve sonuç olarak matematiğin büyük bir zaferi olarak 65 yıl sonra 1846'da Neptün keşfedildi. Demek ki gördüğün bazı hareketlerden görmediğin bazı şeyler öğrenebilirsin. Verdiğimiz bu örnekte Uranüs'ün yörünge hareketinden görmediğimiz ama var olan Neptün gezegeni bulundu. Benzer bir olayda Merkür'de yaşandı. Onun da yörünge hareketi Newton yasalarına uymuyordu. Yörüngesindeki bu sapmaya bir gezegen neden olmaktadır diye uzun süre araştırmalar yapıldı. Uranüs'ün gizeminden çok daha farklı bir çözüme ulaşıldı. 1915 yılında Einstein Newton'un çekim yasasına getirdiği küçük bir düzeltme ile sorunu çözdü, kayıp gezegen yoktu. Olağan olmayan bazı hareketlerin, doğa yasalarının tam olarak anlaşılmadığını işaret ettiğini görüyoruz.

Karanlık maddenin gökada kümelerini de çevrelediği görülmektedir.

Uranüs'ün yörüngesini çalışan gökmekaniği uzmanı matematikçiler en sonunda teleskobu şu koordinatlara yönlendirirseniz kayıp gezegeni bulabilirsiniz dediler ve Neptün bulundu. Aynı şekilde gökadamızda teleskobumuzu çeviriyoruz ama yıldızlardan ve gaz bulutlarından başka bir şey göremiyoruz. Yani o kütle yok veya filmlerdeki görünmeyen adam gibi ışık içinden geçiyor ama siz onu göremiyorsunuz. Görünmeyen madde fikri o kadar da çılgın değil, örneğin ışık kaynağı ile aramızda bir cam olsa biz ışığı görürüz ama camı görmeyiz. O nedenle yeni yapılarda camlar takıldıktan sonra işçiler camı görmeyip de aşağı düşmesinler diye bant yapıştırırlar. Cam gibi bir malzeme ışık gibi bir şeyi geçirir ama başka bir şeyi geçirmez. Karanlık madde ise her şeye karşı şeffaf. Ondan yapılmış bir duvarın içinden geçebilir, onun içinde yürüyebilirsiniz ama onu hiç bir zaman hissetmezsiniz. Aslında kara madde bir araya gelip de birbirine yapışıp duvar bile olmuyor ki içinde yürüyebilesiniz.

Doğada aslında böyle bir madde var, nötrinolar. Güneş merkezinde hidrojenin helyuma dönüşmesi sırasında bu parçacıklar ortaya çıkar. Güneşten çıkan bu parçacıklar 8 dakika sonra dünyadan geçerler. Sadece insan vücudundan değil yerin de içinden geçerler. Vücudunuzdan her saniyede bir trilyon nötrinonun geçtiğini biliyor musunuz? Fakat bunların bedeninizden geçerken bir atomla etkileşimi ancak 75 yılda bir olabilir. Görünmeyen maddenin güzel bir örneği nötrinolardır. Ama kara maddenin tersine nötrinolar labaratuarlarda gözlenmiştir. Yeraştına yapılan büyük nötrino detektörlerinde az da olsa saptanmış ve onların varlığı kesin olarak bilinmektedir. Bu parçacıkların varlığı ilk kez belirli nükleer tepkimelerde kayıp enerjinin olduğunu gören Wolfgang Pauli tarafından öngörüldü.

Karanlık maddenin varlığı sadece gökadaların dönme profilinden değil, farklı yollardan da bilinmektedir. Chandra uydusunun çektiği bu fotoğrafta bir galaksi kümesini saran yoğun X-ışını saptanmıştır. Bu ışınıma kara maddenin neden olduğu gösterilmektedir.

Dönen sarmal gökadalar kara maddenin varlığının hissedildiği yagane yerler değil. Eğer gerçekten kara madde varsa evrende başka nerelerde onun etkisini görebiliriz sorusunu son 20 yıldır Gökbilimciler araştırıyorlar. Sonuçta da bir çok kanıt bulundu. En belirgin örnek ise çekimsel mercekler. Çok uzaklardaki qusarların veya gökadaların ışıkları onun önünde bulunan ama görünmeyen bir kütle tarafından bükülmekte ve çoğunun görüntüsü yay parçaları şeklinde görmekteyiz. Bu da evrenin kara madde ile dolu olduğunun bir başka kanıtı olarak ortaya çıkmaktadır. Birkaç kanıt daha var ama son olarak gökada kümelerindeki toplam kinetik enerji ile ilgili kanıtı yazalım ve fazla ayrıntıya girmeyelim. Meşhur bir Virial teoremi vardır; Bir sistemde toplam kinetik enerji ancak çekimsel bağlanma enerjisinin yarısı olur der. Fakat yapılan gözlemler kinetik enerjinin hesaplanandan çok fazla olduğunu ortaya koymuştur, bu ise yine bir kayıp kütleden kaynaklanır. Benzer durum yıldız kümeleri için de bulunmuştur.

Bileşimini bilmediğimiz, göremediğimiz, koklayamadığımız bu ne olduğu belirsiz “Karanlık Madde”yi bugün tüm gökbilimciler çeşitli yöntemler ile araştırmaya devam ediyorlar. Bunlardan sadece bir tanesi son Endeavour uzay mekiği ile uluslararası uzay istasyonuna götürülen ve 2 milyar dolara malolan Alpha Magnetic Spectrometer detektörüdür. Ama bir yandan da kuramsal çalışmalar devam etmektedir. Bu gizemli maddeyi iki farklı çeşitte inceleyen, yani “Sıcak Karanlık Madde” ve “Soğuk Karanlık Madde” tanımları yapılıyor. Bunlardan sadece soğuk olanını gözlemenin olası olduğunu ileri süren bilim insanları var. Sonuçta “Karanlık Madde” hakkında daha yazılacak çok şey var ama notumuzu burada bitirelim ve bitirirken de şu soruyu soralım, siz bu maddeyi bulmak istemez misiniz? Büyük olasılıkla bulan Nobel ödülü alacak.

Prof. Dr. Ethem Derman, Ankara Üniversitesi, Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölüm Başkanı