Karanlık Enerji ve Karanlık Madde Arayışları

Karanlık enerji kozmolojik olarak verileri açıklamak için kullanılan bir tür enerjidir. Evrende ki toplam karanlık enerji miktarı hem madde miktarından hem de karanlık madde bakımından çok daha fazladır.

Gözlenebilen evren, yaklaşık olarak %68,3 karanlık enerji %26,8 , karanlık madde %4,9 sıradan madde içerir.

Karanlık enerjinin varlığına dair en önemli veri evrenin genişleme hızındaki artıştır. Kütleçekim kuvvetinin maddeyi birbirine doğru çekmesinin pozitif bir basınca neden olduğu düşünülürse, evrenin genişlmesi ile artan karanlık enerji miktarının negatif bir basınç sebep olması gerekir.

Yani karanlık enerjinin varlığı, evrenin genişleme hızının artmasına neden olan itici bir kuvvetin kaynağıdır.

Karanlık enerjinin doğası ile ilgili öne sürülmüş en basit açıklama ise kozmolojik sabittir. Boş uzayın enerji yoğunluğuna karşılık geldiği için boşluk enerjiside denilen  u sabit uzaya sahip olmanın “bedeline” karşılık gelir. Kozmolojik sabit, negatif bir basınç sebep olarak evrenin genişleme hızının artmasına neden olur.

Karanlık Madde

Astronomi ve kozmoloji alanlarında yapılan birtakım deneysel çalışmalar, baryonik olmayan yani elektromanyetik etkileşime girmeyen bir maddenin var olabiliceğine dair güçlü kanıtlar ortaya koydu.

Karanlık maddenin var olduğuna dair ilk kanıt, 1933 yılında Fritz Swicky’nin yeryüzünden 321 milyon ışık yılı uzaklıktaki Saç Kümesi üzerine yaptığı gözlemler sonucunda geldi. Fritz, Saç Kümesi içindeki galaksilerin ortalama hızlarının kırmızıya kayma metoduyla ölçerek, galaktik kümenin kütlesinin tahmin edilenin çok üstünde olduğunu buldu.

O yıllarda bunu ileri sürmek pek kolay olmasa da, bunun ancak gözlemlenemeyen yeni bir madde formunun varlığıyla açıklanabileceğini savundu.

Fritz’den uzun bir süre sonra, 1970 yılında Vera Rubin karanlık maddenin doğasının ne olabileceğine dair ipuçları taşıyan birtakım gözlemlerde bulundu. Uzayın derinliklerine çevirdği teleskobuyla yaptığı çalışmalar sayesinde, NGC 3198 galaksisinin hızının merkezden uzaklaştıkça değişmeden kalan düz bir eğri olduğunu gözlemledi.

Bu sonuç bilim insanlarını, kütlesi olan küresel bir karanlık madde halesinin galaksiyi içine alacak bir biçimde sarması gerektiği fikrine götürüyordu. Daha sonraları kütleçekimsel merceklenme gözlemleri ile elde edilen veriler karanlık madde halesinin varlığına dair doğrudan kanıtlar sağladı. Deney Albert Einstein’ın 1916 yılında yayımladığı genel görelilik kuramına göre düşünülmüştü. Galaksilerin etrafını sardığı varsayılan karanlık madde halesinin, evrenin uzak bir noktasından yolculuğu başlayan ışığı(galaktik kümeler veya yıldız gibi) uzay-zamanda kütleçekimsel etki ile kendine doğru büküp ışığın kaynağını aslında olduğundan farklı bir noktada görmemize sebep olması gerekiyordu.

Bu kurama kanıt olması açısından, 1990’da Dünya’nın yörüngesine yerleştirilen Hubble Uzay Teleskobu ile araştırmalar yapan bilim insanları, galaksi kümelerinden yayılan ışığın, gerçekten de daha yakınımızdaki başka galaksi kümeleri tarafından büküldüğünü keşfetti. Sonuçlar karanlık madde halesinin varlığını doğrudan destekler nitelikteydi ve kümenin kütle merkezinin plazmanın dışında olduğunu gösterdi.

Karanlık Madde Nasıl Gözlemlenebilir ?

Karanlık maddenin varlığına dair kanıtların artmasıyla birlikte, doğasının ne olabileceği yönünde de çeşitli senaryolar ortaya atılmaya başlandı. Bir senaryoya göre karanlık madde kütlesi olan, göreli olmayan – yani yavaş olan – hızlarda hareket eden, diğer maddelerle sadece zayıf ve kütleçekimsel etkileşimde bulunabilen , yüksüz bir parçacık olmalıydı. Bu parçacığa WIMP ( Weakly Interacting Massive Particle ) adı verilmektedir. WIMP parçacıklardan oluşan karanlık maddenin Samanyolu Galaksisi’ni de içine alacak bir biçimde küresel bir dağılım gösteren, galaksilerin etrafında durgun halde bulunan haleler formunda olduğu tahmin edilmektedir.

WIMP’i keşfedebilmek için üç deney tipi önerilmektedir: Doğrudan gözlem, dolaylı gözlem ve çarpıştırıcı kullanmak. 1985 yılında ilk olarak Googman ve Witten WIMP parçacığının çok hassas detektörler tarafından keşfedilebileceğini fikrini ileri sürdü. Buna göre WIMP’in sıradan herhangi bir maddenin çekirdeğiyle zayıf etkileşimde bulunacağı ve elastik saçılmaya ve çekirdekte tepkimeye sebep olacağı varsayılmaktadır.

Çekirdek tepkimesinin ortaya çıkaracağı birtakım sinyaller detektörlerin veri elde etme sistemleri tarafından kaydedilebilir. Bu tarz deneysel çalışmalara “doğrudan karanlık madde araştırması” adı verilir.

Yeraltında Karanlık Madde Avı

Bu başlık belki çok şaşırtıcı ama bir o kadar değerli bir konu. Bu çalışmanın amacı, WIMP’i keşfedebilecek detektörlerde meydana gelebilecek arka plan olaylarını en aza indirmektir. Gökyüzünden gelen bazı kozmik ışınlar –çoğunlukla müonlar- detektörün  yakınında bulunan bazı maddelerin çekirdekleriyle etkileşime girip nötron parçacıkları koparabilir. Bu nötronlar da WIMP’in  oluşte benzeyen sinyaller oluşturabilir. Bu tip arka plan olaylarını en aza indirmenin yolu, detektörlerin yüksekliği birkaç kilometreyi bulan dağların altındaki yer altı laboratuvarlarında çalıştırılmasından geçer. Bir başka yöntem de, atom numarası yüksek bir takım malzemelerin (örneğin bakır,kurşun,polietilen) detektörün etrafına kalkan oalrak sarılması ve böylece nötronların oluşturabileceği arka plan sinyallerinin en aza indirilmesidir. Aktif Detökterlerin aktif malzeme olarak kullanılan kısmı WIMP ile etkişime girdği zaman oluşan tepkime enerjisi, fonon (ısı) sinyaline, iyonlaşma veya uyarılma sonucunda da sintilasyona (ışık) dönüşür.

Kaynaklar:

-Zwicky,F.,Helvetica Physics

-Rubin,V.C., The Astrophysical Journal

-Clowe,D.,The Astrophysical  Journal Letters

-ArDM web sayfası