İnsanoğlu uzaya doğru baktığı, gök cisimlerini gözlemlediği en ilkel dönemlerden beri evrenin, her zaman görebildiği cisimlerden oluştuğunu ve bunların arasında geniş bir ‘uzay boşluğu’ bulunduğunu düşündü. Fakat gerçek zannettiği kadar basit değildi. Aslında uzaydaki boşluk düşüncesi kulağa hoş geliyordu fakat işin içine matematiksel denklemler girince, hesapta her zaman bir eksiklik olduğu fark edildi. Evrendeki mevcut kütle çekim kuvveti, sadece bizim bildiğimiz formuyla madde kavramının oluşturamayacağı kadar devasa boyuttaydı.
Örneğin; içinde bulunduğumuz Samanyolu Galaksisi bile olması gerekenden yaklaşık 10 kat daha ağırmış gibi hareket ediyordu. Yıldızların ve diğer gök cisimlerinin beklenmedik kütle çekimsel hareketlerine anlam verilememesi her şeyi daha da karışık hale getirdi. Söz konusu ‘uzayın karanlık tarafı’ olunca aslında hiçbir şey teoriden öteye gidemiyordu. İşte bu noktada denklemlerde hesaba katılmamış, bildiğimiz maddeden farklı olan bir şeyler olması gerektiğine ve bunun da bu kütle çekim kuvvetine sebep olduğuna kanaat getirildi. Karanlık maddenin insan zihninde doğuşu bu şekilde oldu. Aslında biz tabir-i caizse, karanlık maddenin ne olduğunu değil ‘ne olmadığını’ biliyoruz.
Karanlık Madde ve Karanlık Enerji Aynı Şeyler midir?
Karanlık madde ve karanlık enerji birbirinden farklı şeylerdir. Teoride karanlık madde evrenin %24’ini oluştururken, karanlık enerji %71’ini oluşturur. Bizim gördüğümüz, dokunduğumuz ve bildiğimiz evreni meydana getiren madde ise sadece %5 civarındadır.
Bu noktada öncelikle karanlık enerjiyi tanımlamak ve üzere bir kaç şey söylemek konu bütünlüğü açısından daha uygun olacaktır.
Karanlık Enerji Nedir?
Evrenin sürekli genişlediği hepimiz tarafından bilinen bir fenomen. Kütle çekim yasalarına göre evrendeki tüm maddelerin birbirini çekmesi ve evrenin genişleme hızını yavaşlatması bekleniyordu. Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması ya da SDSS bünyesinde yapılan SDSS-III-Baryon Osilasyon Spektroskopik Araştırmasına katılan bilim adamları, evrenin genişleme hızının büyük patlamadan beri her 44 milyon yılda bir %1 oranında arttığı saptadı. O zaman bildiğimiz kütle çekim yasası yanlış mıydı? İşte bu noktada yeni bir kavrama ihtiyaç duyuyoruz ve karanlık enerji kavramı bizi bu durumdan kurtarıyor.
Karanlık madde kütle çekim kuvvetine rağmen evrenin genişleme hızını pozitif olarak ivmelendiriyordu. Fakat bunu gerçekleştirebilmesi için evrendeki bilinen tüm maddelerin enerjisinden çok daha fazla, yaklaşık evrenin yaklaşık %71’ünü oluşturacak kadar, olması gerekiyordu. Nitekim denklemlerdeki boşluk, karanlık enerjinin ve karanlık maddenin denklemlere teorisyenler tarafından dahil edilmesiyle kapatıldı. Fakat göremedikleri ve varlığını teoriden öteye götüremedikleri için adını ‘karanlık’ olarak koydular.
Karanlık Madde Nedir, Ne Değildir?
Bizim bildiğimiz şekliyle madde ışıkla etkileşime girer ve yansıttığı ışığın gözümüze ulaşması sayesinde onu görürüz. Fakat; karanlık madde hiçbir şekilde ışıkla etkileşime girmez. Bu da onu görünmez kılar. Yine de bizim onu göremememiz orada olmadığı anlamına gelmez. Bu size neyi hatırlattı diye sorarsam bir çoğunuzun aklına aynı şey gelecektir. Kara delikler!
Eğer biz karanlık maddeyi göremiyorsak, onun orda olduğunu nereden biliyoruz?
Basit. Diğer gök cisimlerine uyguladığı kütle çekim sayesinde. Bildiğiniz gibi kara delikler devasa kütlelerin(en düşük kütleli ilksel karadelikler 10^14 kg ila 10^23 kg civarında kütleye sahiptir) dar alanlara çökmesiyle oluşan gök cisimleridir ve bu muazzam kütleler, muazzam kütle çekim kuvvetleri oluşturur. Bu muazzam kütle çekim kuvveti, karadeliğin olay ufkundan(event horizon) öteye geçen herhangi bir şeyin geri dönüşünü engeller. Bu çekim o kadar büyüktür ki; ışığın bile kendinden kaçmasına izin vermez. Dolayısıyla kara delikten gelen ışık, içerideki herhangi birşeyle ‘etkileşmiş olsa bile’ oradan kaçıp gözümüze gelemediği için kara deliğin içini asla göremeyiz. Dolayısıyla kara deliğin orada olduğunu anlamanın başka yollarını aradık. Bunun içinse kara delik ‘orada varolduğu’ için etrafına yaptığı çeşitli etkilerden faydalandık.
Benzer şekilde karanlık maddenin de orada olduğunu biliyoruz. Çünkü; etrafına kütle çekim kuvveti uyguluyor ve matematiksel denklemlerdeki eksiği kapatıyor. Onu göremiyor oluşumuz, orada olduğu gerçeğini değiştirmiyor.
Peki karanlık madde olma potansiyeli taşıyan parçacıklar nelerdir?
Karanlık maddenin ne olabileceği ile ilgili bilim adamları ve teorisyenler tarafından çeşitli görüşler ortaya atıldı. Bunların atom altı parçacık da denilen kuark çeşitleri olabileceği öne sürüldü. Bu parçacıklardan ilki WIMP yani; Weakly Interacting Massive Particle (Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacık). Bu parçacık aslında tek bir parçacık değil, bir parçacık türü. Bilinen parçacıklar gibi yüklü olan, fakat kütle olarak bir proton ile ‘bin’ proton kütlesi arasında olabilen bu parçacıklar, maddeyle zayıf etkileşim göstermesi ve kütlesinin diğer kuarklardan fazla olması sebebiyle iyi bir karanlık madde adayı. Fakat bu parçacıklar, halen CERN ve benzeri deneyler sırasında gözlemlenemedi. Öte yandan WIMP parçacığı araştırılırken elbette boş durulmadı, başka alternatif görüşler de öne sürüldü.
Bunlardan bir diğeriyse ‘steril nötrinolar’dı. Nötrinolar kütleleri ve maddeyle etkileşimi 0’a yakın olan parçacıklardır. Madde etkileşimleri o kadar düşüktür ki evrende büyük patlamayla uzaya saçılmış ve o zamandan beri hiçbir maddeyle hiçbir şekilde etkileşime girmeden yoluna devam eden nötrinolar bulunduğu öne sürülebilmektedir. Şuan standart modelde 3 tip nötrinvo çeşidi kabul edilir. Karanlık maddeyle ilgili ortaya atılan ve 4. nötrino tipi olan ‘steril nötrino’ parçacıkları ise halen gizemini korumaktadır. Bir diğer potansiyel parçacık ise Axion parçacığıdır. Adı ilk kez 1977 yılında anılmıştır. Ortaya atılış nedeni ise özünde karanlık maddeyle ilgili değildir. İlk makalelerde bu parçacığın ‘yük-eşleniklik’ denen başka bir atom altı fenomeni çözümlemek için kullanıldığı görülür. Bazı bilim adamlarına ve teorisyenlere göreyse karanlık madde olmak için gayet iyi bir aday. Fakat yine bu parçacık ile de ilgili somut bir veri henüz elde edilememiştir. Nötralino parçacığı, SIMP(strongly interacting massive particles) ve benzeri şekilde çoğaltılabilecek potansiyel adaylar da öne sürülmüştür. Fakat şuan için hangisinin veya hangilerinin karanlık madde olduğunu/olmadığını bilemiyoruz.
Soğuk Karanlık Madde ve Sıcak Karanlık Madde Kavramları Nelerdir?
Varsayımsal olarak ele alındığında karanlık maddenin 2 fazı olduğu iddia edilmiştir. Bunlar; soğuk karanlık madde (CDM) ve sıcak karanlık maddedir (HDM).
Soğuk karanlık madde olarak öne sürülen parçacıklar genellikle WIMP parçacıklarıdır. Göreceli olarak yavaş hareket eden ve madde etkileşimi az parçacıklar olarak bilinirler. Büyük Patlamadan uzun süre sonra meydana geldikleri ve evrenin nispeten soğumuş olduğu varsayıldığı için bu şekilde anılırlar.
Sıcak Karanlık madde olarak varsayılan parçacıklar ise ışık hızına yakın hareket eden parçacıklar olarak varsayılır. Bunlar 3 ana tip nötrino ve 4.tip sayılan ‘steril nötrino’ kuarklarıdır. Bu parçacıkların ise evrenin ilk zamanlarında meydana geldikleri varsayılır ve bu şekilde anılırlar.
Peki Olması Gereken İdeal Karanlık Madde Parçacığı Nasıl Olmalıdır?
Karanlık maddeyi meydana getiren parçacık, yarattığı kütle çekim kuvveti sebebiyle ağır olmalı, direkt ve dolaylı yollardan görülemediği için ışık saçmamalı ve normal madde ile etkileşime girebilmelidir. Davranışı bir nötrino gibi, kütlesi bir WIMP parçacığı gibi olmalıdır. Eğer bir gün buna benzer bir parçacık keşfedersek, evreni çevreleyen karanlık gücü büyük ihtimal ile bulmuş oluruz.