Saklı güçler: Karanlık madde ve karanlık enerji (Evren ilgilileri için popüler bir derleme)

Karanlık madde, ışık yaymayan ve ışıkla doğrudan etkileşmeyen, bu nedenle doğrudan gözlenemeyen bir madde türüdür; buna karşın kütle çekim etkisi gösterir. Karanlık enerji ise yine ışık yaymaz ve ışıkla etkileşmez; ancak kütle çekiminin tersine bir etki oluşturarak uzayın genişleme hızını artırır. Bu olgu, sıklıkla kullanılan balon metaforu ile kolayca anlaşılabilir: üzerine noktalar çizilmiş bir balon şişirildikçe noktalar birbirinden uzaklaşır, benzer biçimde, uzay genişledikçe gök cisimleri “itiliyormuş” izlenimi vererek birbirlerinden uzaklaşırlar. Karanlık madde ve karanlık enerji, doğrudan gözlenememelerine rağmen, gözlemsel veriler aracılığıyla varlıkları anlaşılabilen ve modern bilimin en güncel araştırma alanlarını oluşturan kavramlardır. Karanlık madde evreni “bir arada tutan”, karanlık enerji ise evreni “açan” temel bileşenler olarak düşünülmektedir.
Bu çalışma, karanlık madde ve karanlık enerjinin varlığına ilişkin kanıtları açıklamak amacıyla geliştirilen kuramları incelemeyi; karanlık bileşenlerin işlevlerini değerlendirerek evrenin yapısına ve evrimine dair daha bütüncül bir anlayış sunmayı amaçlamaktadır.
Kavramlara etimolojik bakış sağlayabilmek için evrenle ilgili çalışmalara başlamadan önce, kullanılan temel kavramların kökenlerini anımsayalım. Bu terimlerin büyük bölümü Yunanca kökenlidir. Astron “yıldız” anlamına gelir ve pek çok terimin temelini oluşturur. Buna lógos (söz, akıl, bilgi) eklendiğinde astroloji ortaya çıkar; astroloji, antik çağlardan beri gök cisimlerinin insan kaderiyle ilişkili olduğunu varsayar, ancak bilimsel bir disiplin değildir. Nómos (yasa, düzen) eklendiğinde astronomi, yani “yıldızların yasalarını” inceleyen bilim dalı ortaya çıkar. Phýsis (doğa) ile birlikte astrofizik, yıldızların, galaksilerin ve diğer gök cisimlerinin fiziksel yapısını ve işleyişini konu eder. Kósmos (düzenli evren) ve lógos sözcüklerinden türeyen kozmoloji, evrenin kökenini, yapısını, evrimini ve geleceğini inceleyen bilim dalıdır. Kozmogoni, kósmos ve génesis (doğuş) sözcüklerinden türemiş olup, büyük patlama örneğinde olduğu gibi evrenin nasıl ortaya çıktığını açıklamaya çalışann kuramları kapsar. Astrobiyoloji ise bíos (yaşam) ve lógos sözcüklerinden oluşur; evrendeki yaşamın kökenini, koşullarını ve olası biçimlerini araştırır. Özetle, astroloji yıldızları yorumlar, astronomi konumlarını ölçer, astrofizik nasıl çalıştıklarını açıklar, kozmoloji ise evrenin tamamını anlamaya çalışır.
“Eksik Kütle” sorunundan karanlık maddeye gidişi irdeleme aşamasında tarihsel olarak Newton mekaniğinde kütle çekimi, Einstein’ın genel görelilik kuramında ise uzay-zamanın eğriliği, cisimler arasındaki etkileşimleri açıklamak için kullanılmıştır. Ancak galaksi ve galaksi kümeleri ölçeğinde yapılan gözlemler, “eksik kütle” olarak adlandırılan bir sorunu ortaya çıkarmıştır: gözlenen hareketleri açıklamak için gereken kütle, görünen maddeden çok daha fazladır. Einstein’ın ünlü E = mc² denklemi, kütle ile enerjinin eşdeğerliğini göstererek evrendeki enerjinin yalnızca görünen maddeden kaynaklanmayabileceği fikrini güçlendirmiştir. Bu fark, zamanla “görünmeyen ama etkisi hissedilen” bir maddenin varlığına işaret etmiş ve karanlık madde kavramının doğmasına yol açmıştır. Bu yaklaşım, bilimsel yöntemin temel ilkeleriyle uyumlu kabul edilmektedir: Doğrudan gözlenemese de ölçülebilir etkiler doğuran bir varlık, bilimsel olarak anlamlıdır. “Soğuk karanlık madde” ifadesindeki soğuk sözcüğü burada ışıktan daha yavaş bir hareket hızını ifade eder, yavaş olduğu için özellikle küçük yapıları sıkıca tutabilen görünmez maddedir, evrenin başlangıç dönemlerinde yavaş hareketi ile küçük madde kümelerinin dağılmadan kalmasını sağlamıştır. Bu kümeler zamanla galaksileri ve büyük kozmik yapıları oluşturmuşlardır.
Evrenin erken dönemlerinde görünen maddenin oranı oldukça yüksekti. Evren genişledikçe bu madde seyrelmiş ve göreli olarak önemi azalmıştır. Galaksi dönme eğrileri, kütle çekimsel merceklenme ve kozmik mikrodalga arka plan ölçümleri gibi yöntemler, evrenin yaklaşık %5’inin baryonik (görünen) madde, %27’sinin karanlık madde ve %68’inin karanlık enerji olduğunu göstermektedir. Elbette, tamamı doğrudan gözlemlenemeyen (baryonik olmayan) bir yapının bu oranlarla ifade edilmesi, metodolojik açıdan tartışmaya açık bir konudur ve kozmolojide süregelen eleştirel tartışmaların merkezinde yer alır.
Karanlık madde ve kara delikler benzeşmezler
Karanlık madde ile kara delikler her ne kadar kütle çekimiyle ilişkilendirilse de etki biçimleri tamamen farklıdır. Kara delikler aşırı yoğun, yerel ve yutucu yapılardır; etkileri sınırlı bir bölgede yoğundur. Karanlık madde ise galaksilerin çevresine yayılmış, zayıf ama geniş ölçekli bir çekim etkisiyle kozmik yapıları bir arada tutar. Bu fark, sıklıkla “kara delik bir iğne ucuna sıkıştırılmış dağ, karanlık madde ise bir kente yayılmış sis” metaforuyla anlatılır.
Karanlık enerji, Kozmolojik sabit ve evrenin kaderi modern kozmolojinin en büyük gizemlerindendir, negatif basıncı nedeniyle uzay-zamanın genişlemesini hızlandıran, kütle çekimin etkisini baskılayan bir kozmolojik bileşendir. Karanlık evren, bilimin karşılaştığı bir engel olmayıp bilginin ufkunu genişleten en güçlü itici kuvvetlerden biri olarak görülmelidir.1920’lerde Edwin Hubble, evrenin genişlediğini göstermiş; 1998’de yapılan gözlemler ise bu genişlemenin hızlandığını ortaya koymuştur. Bu hızlanma, kütle çekiminin tersine etki eden gizemli bir enerji türünün varlığı olan karanlık enerjiyi ortaya koymuştur. Karanlık enerji, uzayın her noktasına eşit dağılmıştır; evren genişledikçe seyrelmez, buna karşılık görünen madde ve ışık evren genişledikçe seyrelir. Bu nedenle erken evrende önemsiz olan karanlık enerji, zamanla baskın hale gelmiş; bugün evrenin genişlemesini belirleyen ana unsur olmuş, evrenin kaderi madde tarafından değil, karanlık enerji tarafından belirlenir olmuştur. Karanlık enerjinin maddeyi geçmeye başladığı dönemin ~5–6 milyar yıl önce başlamış olabileceği varsayılmaktadır. Gelecekte tamamen baskın olacağı, galaksilerin birbirinden daha hızlı uzaklaşacağı, evrenin daha soğuk ve yalnız bir durum alacağı öngörülmektedir. Bu keşif, 2011 yılında Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt ve Adam G. Riess’e Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırmıştır. Karanlık enerji genellikle (kozmolojik sabit =Λ) ile ifade edilir.1917’de Einstein, evrenin durağan olamayacağını fark ederek denklemlerine (Λ) simgesini eklemiş, ancak bunu fiziksel olarak tatmin edici bulmamış ve “yapay” bir ekleme olarak görmüş, “Hayatımın en büyük hatası” diyerek rahatsızlığını yansıtmıştır. Ne var ki, günümüzde Λ (kozmolojik sabit), evrenin hızlanan genişlemesini açıklayan en başarılı modelin merkezinde yer almaktadır.
Bilimde bir kuramın “çalışıyor” olması, mutlak doğruluğa ulaşıldığı anlamına gelmemektedir. Bilim, her zaman mutlak doğruları değil, en iyi açıklamaları üretir. Gözlemlenemeyen bir olgu, ölçülebilir sonuçlar doğuruyorsa bilimsel olabilir. Elektronlar, genler ve yerçekimi doğrudan görülmez; ancak etkileri ölçülür. Bu bağlamda bilimsel yöntem, görünmeyen olguları dolaylı gözlem üzerinden kabul eder.
Tip Ia süpernovalar, gerçek parlaklıkları bilindiği için evrenin mesafelerini ölçmede kullanılır ve“kozmolojinin altın anahtarı” olarak kabul edilir. 1998’de bu süpernovaların beklenenden daha sönük görünmesi, evrenin geçmişte daha yavaş, bugün ise daha hızlı genişlediğini göstermiştir. Ayrıca, galaksilerin evrende belirli aralıklarla dizilmesi, evreni ölçmek için bir “kozmik cetvel” gibidir. Kırmızıya kayma, evrenin genişleme hızı ve yaşı hakkında bilgi verir. Evrenin genişleme hızını ifade eden kriterlerden olan Hubble sabiti, farklı ölçüm yöntemleriyle farklı değerler vermektedir. Bu uyumsuzluk Hubble gerilimi olarak adlandırılır ve karanlık enerjinin gerçekten sabit olup olmadığı sorusunu gündeme getirir.
JWST (James Webb Space Telescope) da karanlık madde ve karanlık enerjiyi doğrudan gözlemleyemez; ancak galaksilerin oluşumunu, büyüme hızlarını ve erken evreni yüksek hassasiyetle inceleyerek bu bileşenlerin dolaylı etkilerini ölçer. Bu yönüyle, mevcut kozmolojik paradigmanın sınırlarını test eden ve yeni kuramların önünü açabilecek temel bir araçtır.
Devasa büyüklükteki evrenin bugüne kadar anlaşılabilmiş çok küçük bir kısmını değerlendirmeye çalışırken bilim ve teknolojinin henüz bu noktalarda çok ileride olmadığını görmekteyiz. Her iki anlamıyla da hala çok karanlık olan evrenin bugünkü durumu, bilginin ufkunu genişleten güçlü itici kuvvetlerden biri olarak yerini korumaktadır. Parçacık fiziği deneyleri gibi geleceğin pek çok çalışması, karanlık maddenin mikroskobik doğasını ve diğer bilinmeyenleri aydınlatmayı hedeflerken, belki bir gün bilinmeyen ve görünmeyenleri görünür duruma getirme başarısını gösterecek bilimsel sonuçları ortaya çıkaracaktır.
Güneş sisteminde kütle çekimi, galaksilerde karanlık madde, galaksiler arası boşlukta ise karanlık enerji baskındır. Evrenin kaderi artık görünen madde tarafından değil, karanlık enerji tarafından belirlenmektedir.
Karanlık evren, bilimin önünde bir engel değil; bilginin ufkunu genişleten en güçlü itici kuvvetten biridir.