Karanlık Madde: Evrenin %27'sini Oluşturan Görünmez Güç

Karanlık Madde Nedir?

Karanlık madde, elektromanyetik radyasyonla etkileşmeyen — yani ışık yaymayan, soğurmayan veya yansıtmayan — hipotetik bir madde türüdür. "Karanlık" adı, onu göremememizden gelir.

Evrenin enerji-kütle bütçesi:

• %5: Normal (baryonik) madde — atomlar, yıldızlar, gezegenler, biz
• %27: Karanlık madde
• %68: Karanlık enerji

Yani bildiğimiz her şey — tüm galaksiler, yıldızlar, gezegenler, insanlar — evrenin sadece %5'i. Geri kalanı "karanlık" ve gizemini koruyor.

"Evrenin %95'ini anlamıyoruz. Bu, bilimde alçakgönüllü olmak için yeterli bir sebep."

— Neil deGrasse Tyson

Nasıl Keşfedildi?

Karanlık maddenin hikayesi 1930'lara uzanır.

Fritz Zwicky (1933)

İsviçreli astronom Fritz Zwicky, Coma galaksi kümesini inceledi. Galaksilerin hızlarını ölçtü ve şaşırtıcı bir sonuçla karşılaştı: galaksiler, görünür kütlenin açıklayabileceğinden çok daha hızlı hareket ediyordu.

Kümenin dağılmaması için görünenden çok daha fazla kütle olmalıydı. Zwicky buna "dunkle Materie" (karanlık madde) adını verdi.

Vera Rubin (1970'ler)

Amerikalı astronom Vera Rubin, galaksi dönüş eğrilerini inceledi. Kepler yasalarına göre, galaksi merkezinden uzaklaştıkça yıldızların hızı düşmeliydi — tıpkı Güneş'ten uzak gezegenlerin daha yavaş dönmesi gibi.

Ancak gözlemler tam tersini gösterdi: galaksilerin dış bölgelerindeki yıldızlar beklenenden çok daha hızlı dönüyordu. Bu, galaksilerin görünmeyen bir kütle "halo"su içinde olduğunu gösteriyordu.

Varlığının Kanıtları

1. Galaksi Dönüş Eğrileri

Yüzlerce galakside aynı anomali gözlemlendi. Dış bölgelerdeki yıldızlar, görünür kütleyle açıklanamayacak kadar hızlı dönüyor.

2. Kütle Çekimsel Mercekleme

Einstein'ın genel göreliliğine göre, kütle uzay-zamanı büker ve ışığı saptırır. Galaksi kümeleri, arkalarındaki galaksilerin ışığını büker — bu sapmadan toplam kütleyi hesaplayabiliriz. Sonuç: görünür kütlenin 6 katı daha fazla kütle var.

3. Kozmik Mikrodalga Arka Plan Işıması (CMB)

Big Bang'in kalıntısı olan CMB'deki dalgalanmalar, evrendeki madde dağılımının izlerini taşır. Bu dalgalanmaların deseni, karanlık maddenin varlığı olmadan açıklanamaz.

4. Büyük Ölçekli Yapı

Galaksiler rastgele dağılmamış — dev "filamentler" ve "duvarlar" oluşturuyorlar. Bilgisayar simülasyonları, bu yapının oluşabilmesi için karanlık madde "iskelesi"nin gerekli olduğunu gösteriyor.

5. Mermi Kümesi (Bullet Cluster)

İki galaksi kümesinin çarpışması sırasında, sıcak gaz (görünür madde) ve kütle çekimsel mercekleme (toplam kütle) farklı yerlerde gözlemlendi. Bu, karanlık maddenin normal maddeden bağımsız hareket ettiğinin doğrudan kanıtı.

Karanlık Madde Adayları

Karanlık maddenin ne olduğunu bilmiyoruz, ama birkaç güçlü aday var:

WIMP'ler (Weakly Interacting Massive Particles)

• En popüler aday
• Zayıf nükleer kuvvetle etkileşir, elektromanyetik kuvvetle etkileşmez
• Protondan 10-10.000 kat daha ağır
• Süpersimetri teorisinden öngörülen "nötralino" olabilir

Aksiyonlar

• Çok hafif, elektriksel olarak nötr parçacıklar
• CP simetri problemini çözmek için önerilmişti
• Eğer karanlık maddeyi oluşturuyorsa, "aksyon alanı" olarak davranır

Steril Nötrinolar

• Bilinen nötrinolardan daha ağır
• Sadece kütle çekimiyle etkileşir
• "Ilık karanlık madde" adayı

İlkel Kara Delikler

• Big Bang'den kalma küçük kara delikler
• LIGO/Virgo gözlemleri bu olasılığı kısmen dışladı

MACHO'lar (Massive Astrophysical Compact Halo Objects)

• Kahverengi cüceler, nötron yıldızları gibi sönük cisimler
• Mikro mercekleme taramaları bu olasılığı büyük ölçüde dışladı

Tespit Deneyleri

Dünya genelinde onlarca deney, karanlık maddeyi doğrudan tespit etmeye çalışıyor:

Doğrudan Tespit

Karanlık madde parçacıklarının normal atomlarla nadir çarpışmalarını yakalamaya çalışır:

• LUX-ZEPLIN (ABD): 10 ton sıvı ksenon dedektörü
• XENONnT (İtalya): Gran Sasso yeraltı laboratuvarında
• PandaX (Çin): Sichuan'da derin yeraltında

Dolaylı Tespit

Karanlık maddenin yok olmasından (annihilation) kaynaklanan sinyalleri arar:

• Fermi-LAT: Gama ışını teleskop
• AMS-02: Uluslararası Uzay İstasyonu'nda
• IceCube: Antarktika'da nötrino dedektörü

Çarpıştırıcı Üretimi

CERN'deki LHC, karanlık madde parçacıklarını üretmeye çalışıyor. "Kayıp enerji" sinyalleri aranıyor.

Aksyon Araştırmaları

• ADMX: Aksiyonların fotona dönüşümünü arıyor
• ABRACADABRA: Manyetik alan kullanarak aksyon tespiti

Alternatif Teoriler

Karanlık madde yerine, belki de yerçekimi teorimiz yanlış?

MOND (Modified Newtonian Dynamics)

Mordehai Milgrom tarafından 1983'te önerildi. Düşük ivme rejimlerinde Newton'un yerçekimi yasasını değiştirir. Galaksi dönüş eğrilerini açıklayabilir, ancak:

• Kütle çekimsel merceklemeyi açıklayamaz
• Bullet Cluster gözlemleriyle çelişir
• CMB verilerini açıklamakta zorlanır

Entropi Yerçekimi

Erik Verlinde'nin önerisi: Yerçekimi temel bir kuvvet değil, entropik bir olgu. Karanlık maddeye gerek kalmadan galaksi dinamiklerini açıklayabilir mi? Hâlâ spekülatif.

Geleceğe Bakış

Karanlık madde araştırmaları hız kazanıyor:

Yakın Gelecek

• LUX-ZEPLIN ve XENONnT tam kapasiteye ulaşacak
• LHC yüksek parlaklık yükseltmesi (HL-LHC)
• Yeni aksyon deneyleri

Orta Vadeli

• Vera Rubin Gözlemevi: 2025'te açılacak, kozmik yapıyı haritalayacak
• Euclid: ESA'nın karanlık evren misyonu
• Nancy Grace Roman: NASA'nın geniş alan teleskop

Olası Senaryolar

• Tespit: Parçacığı buluruz, fizikte devrim olur
• Dışlama: Tüm adayları dışlarız, tamamen yeni fizik gerekir
• Karma: Birden fazla karanlık madde türü olabilir

"Karanlık madde, ya 10 yıl içinde keşfedilecek ya da 100 yıl içinde. Eğer ikincisi olursa, bugünkü teorilerimiz temelden yanlış demektir."

— Lisa Randall, Harvard fizikçisi