Karanlık madde ve karanlık enerji

Göremediğimiz evren

Gökbilimciler gözlenebilen tüm yıldızları, gazı ve tozu topladığında toplam, kütleçekimin orada olması gerektiğini söylediği miktarın çok altında kalıyor. Üstelik evrenin bütün olarak büyüme biçimi, yalnızca sıradan maddenin yapacağıyla uyuşmuyor.

Bu boşlukları iki ad karşılıyor. Karanlık madde, çeken ama ışımayan fazladan kütledir. Karanlık enerji ise evreni zamanla daha hızlı genişlemeye iten şeyin adıdır.

Buradaki "karanlık", bilinmeyen ve teleskoplara görünmeyen anlamına gelir. Samanyolu fotoğraflarında gördüğünüz koyu toz bulutlarıyla aynı şey değildir.

Karanlık madde için kanıtlar

1933'te Fritz Zwicky, Coma Kümesi'ndeki galaksileri ölçtü ve onların görünür maddenin bir arada tutamayacağı kadar hızlı hareket ettiğini buldu. 1970'lerde Vera Rubin ve Kent Ford sarmal galaksilerdeki yıldızların yörünge hızlarını ölçtü. Merkezden uzaktaki yıldızlar içerdekiler kadar hızlıydı; bu ancak her galaksi büyük ve görünmez bir kütle halesinin içindeyse anlam taşıyordu.

Kütleçekim ışığı da büker; buna kütleçekimsel merceklenme denir. Büyük galaksi kümeleri arkalarındaki galaksilerin görüntülerini yaylara dönüştürür ve bükülmenin miktarı, görünür maddenin sağlayabileceğinden çok daha fazla kütleyi ortaya koyar.

2006'da ayrıntılı incelenen Mermi Kümesi (Bullet Cluster), birbirinin içinden geçerek çarpışmış iki galaksi kümesidir. X ışını görüntüleri, normal maddenin çoğunu taşıyan sıcak gazın ortada yavaşladığını; merceklenme ise kütlenin büyük bölümünün ileri doğru yoluna devam ettiğini gösterir. Bu ayrışmayı karanlık madde olmadan açıklamak zordur.

Karanlık madde ne olabilir?

Karanlık madde ışık yaymıyor, soğurmuyor ya da yansıtmıyor gibi görünüyor; ama kütleçekimi var. Bilim insanlarının çoğu onun henüz tanımlanmamış parçacıklardan oluştuğunu düşünüyor.

Öne çıkan adaylar arasında neredeyse hiçbir şeyle etkileşmeyen ağır parçacıklar olan WIMP'ler ve son derece hafif parçacıklar olan aksiyonlar var. Yer altındaki dedektörler, parçacık hızlandırıcıları ve uzay araçları on yıllardır arıyor; 2026 itibarıyla doğrulanmış bir sinyal yok.

Daha küçük bir araştırmacı grubu ise kütleçekimin galaksi ölçeğinde farklı davrandığı fikrini, yani değiştirilmiş kütleçekimi inceliyor. Ancak şimdiye kadar böyle bir kuram, özellikle Mermi Kümesi gibi örneklerde, tüm kanıtları karanlık madde kadar iyi açıklayamadı.

Karanlık enerji ve hızlanan evren

1920'lerden beri evrenin genişlediği biliniyor. Çoğu bilim insanı kütleçekimin bu genişlemeyi zamanla yavaşlatacağını bekliyordu.

1998'de iki ekip, parlaklığı öngörülebilen patlayan beyaz cüceler olan Tip Ia süpernovaları kullanarak uzak galaksilerin uzaklığını ölçtü. Uzak süpernovalar beklenenden sönük görünüyordu; bu, genişlemenin son birkaç milyar yıldır hızlandığı anlamına geliyordu. Keşif 2011 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.

En basit açıklama, uzayın kendisine işlenmiş sabit bir enerjidir; bu, Einstein'ın bir zamanlar önerdiği "kozmolojik sabite" yakındır. DESI gibi son taramalar karanlık enerjinin zamanla değişebileceğine dair ipuçları verdi; ama 2026 itibarıyla bu hâlâ sınanıyor.

Toplam: %5, %27, %68

Büyük Patlama'nın soluk artçı ışıması olan kozmik mikrodalga arka planının ölçümleri, galaksi ve süpernova taramalarıyla birleştirildiğinde dikkat çekici ölçüde tutarlı bir bütçe çıkıyor. Normal madde toplamın yaklaşık %5'i, karanlık madde yaklaşık %27'si, karanlık enerji ise yaklaşık %68'idir.

Bu paylar yaklaşıktır ve bugünkü evreni anlatır. İlk evrende karanlık enerjinin rolü çok daha küçüktü ve madde baskındı.

Başka bir deyişle evrenin yaklaşık %95'i, etkilerini tarif edebildiğimiz ama henüz adını koyamadığımız şeylerden oluşuyor.

Euclid ve diğer görevler

ESA'nın Euclid uzay teleskobu Temmuz 2023'te fırlatıldı; kızılötesi dedektörlerini NASA sağladı. Dünya'dan yaklaşık 1,5 milyon km uzaktaki konumundan gökyüzünün yaklaşık üçte birinde milyarlarca galaksinin biçimini ve uzaklığını haritalıyor.

Galaksi biçimlerindeki küçük bozulmalar, bizimle onlar arasındaki karanlık maddenin izini sürer; galaksilerin zaman içindeki dağılımı da karanlık enerjinin uzayı nasıl gerdiğini kaydeder. İlk görüntüleri 2023'te, ilk tarama verileri 2025'te yayımlandı.

Şili'deki Vera C. Rubin Gözlemevi ve 2027 civarında fırlatılması beklenen NASA'nın Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu gibi projeler de tabloya katkı sağlıyor.

Açık sorular

Karanlık madde, eğer bir parçacıksa, hangi parçacık? Karanlık enerji gerçekten sabit mi, yoksa değişiyor mu? Daha derin bir kütleçekim kuramı ikisini birbirine bağlayabilir mi?

Bu sorulardan herhangi birinin yanıtı fiziği büyük olasılıkla yeniden biçimlendirir. Şimdilik karanlık madde ve karanlık enerji, nedenleri bilinmeyen ama ölçülmüş gerçek etkiler için kullanılan kesin etiketler olarak görülmeli.