Karanlık Madde ve Karanlık Enerji -1

Fiz.Müh. Kenan Keskin
 

Bugünün bilimsel verileriyle, evrende görünmeyen güçlerin, görünen katı maddeyi nasıl oluşturup yönlendirdiğini daha net ve somut olarak görmeye başladık. Bu güçlerden biri de “Karanlık Madde” ile “Karanlık Enerjidir”. Bu yazımızda da “Karanlık Madde ve Enerjiyi” son bilimsel gelişmeler ışığında tanımlayıp, akabinde bunun “Mistik Alandaki” karşılığını görmeye çalışalım. 

Evrende toplam madde - enerji miktarı, uzay-zaman geometrisini, uzay-zaman geometrisi de madde ve enerjinin nasıl davranacağını belirler. Eğer evrende yeteri kadar madde varsa çekim gücü, evren genişlemesini bir gün durdurup kendi üzerine çökmesine neden olacaktır. Bu tür evrenin geometrisi, “Küre” şeklinde kendi üzerine kapalı olup sonlu ama sınırsız bir yapıya sahiptir (1). Bu yüzden, zaman boyutunda, yani 4. boyuta sanal bir yarıçapı bulunmaktadır (evreni iki boyutlu kürenin yüzeyi olarak düşünürsek, “zaman boyutu” kürenin yüzeyinden merkezine doğru giden “doğru çizgisi” olmaktadır). Herhangi bir kenarı, merkezi, başlangıç noktası da yoktur, tıpkı bir balonun yüzeyi gibi. Evreni, balonun yüzeyi, içindeki yıldızları, galaksileri de bu iki boyutlu yüzey üzerinde yer alan yapılar olarak düşünürsek evrenin, üçüncü (yani, dördüncü) boyut olan “zaman boyutunda” kapalı olduğunu görürüz. Bu evrenin bir noktasından yola çıktığımızda (ışık hızıyla milyarlarca yıl sürecek olsa da) tekrar aynı yere gelirsiniz. Böyle bir evrende zamanın, big-bang le bir başı olduğu gibi aynı zamanda, evrenin kendi içine doğru büzülmeye başlamasıyla evrensel bir “Karadeliğe” dönüşerek bir sonu da vardır. Yani, zamanın bir başlangıcı ve sonu mevcuttur.

Eğer evrenin genişleme hızı çekim gücüne eşdeğerde ise, o zaman evrenin eğriliği sıfır olur ve şekli de, “Düz (Öklit)” geometrisi olarak karşımıza çıkar. Böyle bir evrende çekim, evreni durdurup kendi üzerine çökmesini oluşturamasa da genişleme hızını yavaşlatmasına karşın ancak sonsuz bir zamanda durmasını sağlar. Buna karşılık çekime neden olan maddenin birbirlerinden kaçma hızı, çekim gücünden çok fazlaysa, yani genişlemeyi durduracak yeteri düzeyde evrende madde yoksa, o zaman evren artan bir hızla çok hızlı bir şekilde genişleyecektir ki, bu durumdaki evrenin uzay-zaman geometrisi, kürenin tam tersi olan negatif eğrilikte “Semer” (buna “Hiperbolik” veya “Lobachevski” modeli de denmektedir) biçiminde olur (big-bang içermeyen bu nedenle sonsuzdan gelip sonsuza giden benzerinden, bu yönüyle farklıdır). Sahip olduğu bu eğiklikten dolayı yine de sanal bir yarıçapı bulunmaktadır (hiperbolik şeklin birden fazla olası biçimleri de vardır).

“Hiperbolik” ve “Düz” evrenin, sonlu olmaksızın yine merkezi, sınırı, kenarı yoktur ve evrenin uçları da sonsuza doğru açıktır. Hiçbir şekilde ikiye ya da kendi üzerine katlanamaz. Böyle bir evrende bir kişi, başladığı noktaya da geri dönemez. Bununla birlikte “Öklid (Düz)” geometrisinde iki nokta arası çizilen çizgi düz iken, “Küre” yada “Hiperbolik” geometride iki nokta arasındaki düz doğru parçası, bir yay uzunluğudur. Düz uzayda bir doğruya, o doğru dışındaki her hangi bir noktadan tek bir paralel doğru çizilebilirken aynı durum, bir “Küre” üzerinde hiçbir şekilde çizilemez. “Hiperbolik” uzayda ise böyle bir doğruya, sonsuz sayıda paralel çizgi çizilebilmektedir. Elbette bu paralel çizgiden kasıt düz çizgi değil, eğik çizgilerdir.

Nasıl ki dünya üzerindeki bizler, dünyanın eğikliğini düz olarak algılıyorsak aynı şekilde, genel anlamda düz olmasına karşın nesneler dolayısıyla, yerel bazda var olan uzayın eğikliğini ya da olması halinde “Küre” veya Hiperbolik” bir evrenin eğikliğini algılayamazdık. “Küre” şeklindeki uzay-zamanda, iki paralel ışın demeti gönderdiğimizde bu ışınlar milyon yada milyarlarca ışık yılı uzaklıktaki bir noktada birleşir, kesişirler. Bu geometrik evren yüzeyine bir üçgen ile (r) yarıçaplı bir çember çizmiş olsak üçgenin iç açıları toplamı, 180 dereceden büyük (öyle ki her üç açı 90 derece de olabilmektedir), çemberin çevresi, 2(pi)r den küçük olurdu. Buna karşılık negatif eğriliğe sahip hiperbolik uzay-zaman geometrisinde ise, yine böyle mesafedeki bir noktada, ışınlar birbirlerinden uzaklaşmaya başlardı. Bu geometrideki üçgenin iç açıları toplamı da, 180 dereceden küçük, böyle bir çemberin çevresi ise, 2(pi)r den büyük olurdu. Düz evrende de bu ışınlar sonsuza değin paralellik durumunu korurlar. Buna karşılık Öklid (düz) uzay üzerindeki bir üçgenin iç açıları toplamı, 180 dereceyi, (r) yarıçaplı çember de tamı tamına 2(pi)r yi gösterecektir.

Evrenin hareketini daha iyi tasavvur edebilmemiz için, yukarı doğru atılan bir taş örneğiyle şöyle düşünebiliriz. Birinci durumda havaya bir taş attığımızda eğer taşın hızı kaçma hızından fazla değilse taş yere düşer. Eğer taşın hızı, dünyadan kaçma hızından büyükse o zaman taş (ivmeli olarak) artan bir hızla hareketine devam eder. Bununla birlikte taşın hızı, dünyadan kaçma hızına eşitse taş asla dünyaya geri dönmez, kıl payı kaçmayı başarır. Evrenin davranış biçimini, evren yoğunluğuyla karşılaştırarak da ifade edebiliriz. Böylece “Düz Evrenin” yoğunluğu, kritik yoğunlukta olup bu yoğunluğun üstünde, galaksilerin birbirlerinden kaçma hızı yeterli olmadığından evren kapalı modeli bize verirken, evren yoğunluğu kritik yoğunluğun altında ise, galaksiler birbirlerinden artan bir hızla uzaklaşacağı modeli bize gösterir. Bu durumda da evrenin geometrisi “Hiperbolik” şekli alacaktır.

Geçmişte ise, Newton’a göre evren, sabit ve hareketsizdi (durağandı). Çünkü yine ona göre, evren sonsuz ve homojen olduğundan cisimler birbirlerine uyguladıkları çekim gücü dolayısıyla, birbirlerini dengelemekteydi (bu ise birçok paradoksa sebep olmaktaydı). Hatta Einstein bile ilk zamanlarda kendi kurduğu denklemlerin aksine, evrenin “statik (durgun)” olduğunu düşündü ve daha sonra bunun kariyerinin en büyük hatası olduğunu dile getirdi. Oysa evren, “De Sitter” tarafından yapılan hesaplamalar sonucunda sadece boş uzayda yani, hiçbir madde ve enerjinin bulunmadığı bir evren için bu durgunluk gerçek olabilirdi ki, eğer madde varsa mutlaka evren hareketli olmak zorundaydı. Bu boş uzaya aynı zamanda “Einstein - De Sitter” uzayı adı verilmektedir. Ancak Edwin Hublle tarafından yapılan gözlemlerle evrenin, tıpkı şişen bir balon yüzeyi gibi, o yüzey üzerinde düşündüğümüz tüm galaksilerin birbirinden hızla uzaklaştığı yani, uzayın genişlediği ispatlanmıştır. Ayrıca evrenin genişlemesi, uzayın genişlemesi olduğundan, evren “Planck Boyutlarında” (big-bang in 10 üzeri (-43) saniye, 10 üzeri (-33) cm de) iken madde ve enerjinin yoğun halde bulunması, aynı zamanda bildiğimiz uzayın kendisinin de o noktada yoğunlaştığı anlamına gelir (teorik olarak Planck altında da uzay-zaman var ama yine denklemlere göre burası uzay-zamanın çalkalanması sonucu geometrisi tamamen bozulduğundan, farklı deyişle “Kuantum Köpüğü” dediğimiz kaotik yapıya dönüştüğünden bunu “Planck Boyutlarıyla” sınırlandırarak anlattım). Yani kısacası, “big-bang” olmadan önce, bildiğimiz uzayın, ve dolayısıyla zamanın kendisi de yoktu. Bunun bir kanıtı da evrendeki tüm kütle ve bunların hareket enerjilerinin toplamı ile çekim gücünün oluşturduğu enerjinin birbirine eşit olmasıdır. Yani, evrenin toplam enerjisinin sabit oluşudur.

Bununla birlikte, geniş bir açıdan evrene baktığımızda evren yapısının homojen (üniform) olduğu ortaya çıkmıştır. Yani evrenin her yerinde yoğunluk, eşit olduğundan evren oldukça düzgündür. Homojen olan evrenin içindeki her bir cisim (galaksi), aralarındaki uzaklıkla doğru orantılı olarak genişlediğinden evrenin hangi galaksisinden bakılırsa bakılsın evren, yine aynı şekilde görünür (buna İzotrop özelliği de denir). Ve yine aynı zamanda evrenin hangi noktasından bakılırsa bakılsın bakana nispetle gözlemci, kendisini evrenin merkezinde görür. Galaksilerin birbirlerinden kaçma (dolayısıyla evrenin genişleme) hızı ise (tam olarak bilinemese de yaklaşık olarak), 3,26 milyon ışık yılı için saniyede 55-70 km dir. 6,52 milyon ışık yılı içinse bu, 110 - 140 km dir, ...vs.

Şimdi ana konumuza gelirsek, bugün yapılan çok hassas ölçümler evrenin artık artan bir hızla genişlemekte olduğunu ve “Düz” bir geometriye sahip bulunduğunu göstermektedir (bu çelişki gibi gelse de bunun nedenini, ikinci bölümde açıklayacağım). Yani evrenimizdeki madde, kritik yoğunluğun hemen altındaki bir değerde olup bu sebeple ivmeli bir biçimde sonsuza doğru genişlemektedir. Ancak burada bir sorun ortaya çıkmaktadır. O da, yine yapılan detaylı gözlemlerle evrendeki toplam madde ve enerji yoğunluğunun bu kritik yoğunluğun çok çok altındaki bir değerde olduğunu göstermesidir. Yani evrenimiz sahip olduğu hıza karşın, şu anki gözlemlenen madde ve enerji miktarıyla çoktan parçalanıp dağılması gerekirken, fazla bir maddeye, daha doğrusu madde ve enerjiye sahipmiş gibi davranmaktadır. Bu da, şu anda görünen evrende, kritik hızın biraz üzerinde genişlemesini sağlayacak düzeyde fazladan bir maddenin, yani görünmeyen “Karanlık Madde ve Enerjinin” var olduğunu bize göstermektedir.

Sadece bu değil yapılan çeşitli gözlemlerle de mesela, bir galaktik küme içerisindeki galaksilerin toplam kütlesinin, onları bir arada tutan kütle çekim kuvvetini yaratacak düzeyde olmadığı gösterilmiştir. Yani, gözlemlenen çekim kuvveti, olması gerekenden çok daha fazladır. Bu ise galaksilerin sahip oldukları hızlar hesaplanarak tespit edilmiştir. Bunu biraz daha açarsak, kütle çekim kuvveti, nesneler arası mesafenin karesi ile ters, kütlelerin büyüklüğü ile doğru orantılıdır. Ayrıca yine bir matematiksel eşitliğe göre, dönme hızıyla, çekim kuvveti, dolayısıyla kütleler arasında da bir bağıntı vardır. Bu sebeple, çekim ne kadar yüksekse, bir cismin diğer bir cisim çevresindeki veya iki cismin beli bir merkezi nokta etrafındaki dönme hızları da o kadar fazla olur. Dolayısıyla galaksi kümeleri üzerinde yapılan incelemeler, galaksilerin bir merkez etrafındaki yörünge hızlarının, olması gerekenden çok daha yüksek olduklarını göstermiştir.

Keza benzer bir durum galaksilerin kendi içlerinde de gözlemlenmiştir. Mesela sarmal bir galaksiye bakıldığında ışıldayan yıldız miktarının, galaksi merkezine yakın yerlerde daha yoğun, galaksi merkezinin uzaklarında ise, daha az yoğun olmaktadır. Dönme hızının, cisimlerin sahip olduğu kütle ile doğru orantılı olarak artması dolayısıyla, galaksi merkezine yakın bölgelerin dönme hızının yüksek, merkezden uzak daha seyrek olan kısmının ise, daha yavaş olması gerekir. Oysa durum böyle olmayıp galaksinin dönme hızının, galaksinin her yerinde aynı olduğu, dolayısıyla merkezden uzaklaştıkça yıldızların olması gerekenden çok daha hızlı oldukları görülmektedir. Öyle ki, dış kısmına yakın yıldızlar neredeyse galaksiden ayrılacak düzeyde yüksek hızda dönmektedirler.

Bununla birlikte, merkeze yakın yıldızların da olması gerekenden çok daha hızlı dönmekte oldukları, bunların da çoktan galaksi dışına çıkmaları, fırlamaları gerekirdi. Yani, bunların da görünen kütleleri bu hızlarda hareket etmeleri için yeterli değildir. Dolayısıyla yapılan hesaplamalar ve gözlemlemeler sonucunda galaksilerde, “Karanlık Maddenin” varlığı yanında, yine tüm galaksilerden her birinin “Karanlık Madde” tarafından bir hale içinde çevrili olduğu ortaya çıkmaktadır. Yani galaksilerin etrafında, o galaksileri dağılmasını engelleyecek ve eşit hızlarda döndürecek miktarlarda “Karanlık Madde” bulunmaktadır (her bir galaksinin dönme hızları da birbirinden farklıdır) (2). Sonuç olarak evrende bilinen madde ve enerji, var olanın ancak %4’ ünü teşkil ederken, % 96’ sı da gözlemlenmeyen ama etkileri ölçümlenen karanlık madde ve enerjiden oluşmaktadır. Bu %96’ lık dilimin de %73’ nü “Karanlık Enerji”, % 23’ nü ise “Karanlık madde” oluşturmaktadır. Bu arada, “karanlık Madde” ifadesindeki “madde” kelimesi de bildiğimiz anlamda madde değildir. Daha çok kütlesi olan enerji parçacığı olarak düşünülmektedir.

“Karanlık Madde ve Enerji”, ışık yayımlamadığı gibi, ışığı soğurmamaktadır da. Yani, ışıkla ve diğer Elektromanyetik dalgalarla hiçbir şekilde etkileşime girmemektedir. “Karanlık Madde”, aynı anda hem kendi cinsi olan “Karanlık Madde” ile hem de görünen (bilinen) maddeyle sadece Kütle Çekimsel (Gravitasyonel Kuvvet) olarak etkileşirken, kümeleşebilirken, evrenin her yerinde homojen (düzgün dağılmış) olarak bulunan “Karanlık Enerjinin” tanecikleri de, birbirlerini itmekte böylece, evreni genişletmektedirler (“Karanlık Enerjiyi” bir sonraki bölümde inceleyeceğiz). Böylece diğer tanecikler gibi Big- Bang’ le yaratılan “Karanlık Madde”, bilinen madde ile kümeleşebildiğinden galaksileri meydana getirebilmiştir. Çünkü evren ilk zamanlarında hidrojen ve helyumdan oluşan tek bir gaz bulutu halinde idi. Bu yüzden eğer “Karanlık Madde” olmasaydı, evren o kadar homojen olurdu ki kümeleşme oluşmayacağından gezegenler, yıldızlar, galaksiler meydana gelemeyeceklerdi.

Oysa tam tersine ve de mükemmel bir biçimde, ışık hızının altında yavaş hareket eden, hantal soğuk “Karanlık Maddenin” tanecikleri (ki bize göre yine yüksek hızlıdırlar), rastlantısallığın adının bile geçerli olamayacak şekilde tıpkı bir inşaatın yapı iskeleti gibi, evrenin iskelesini oluşturmuş, adeta bir örümcek ağına benzer biçimde tüm evreni sarmış ve bilinen maddeyi çevreleyerek (aradaki boşluklarda çekim etkisiyle düzenleyerek) ince ayarlı olan evrendeki şaşmaz düzeni meydana getirmiştir. Sonuç olarak, “Karanlık Madde” yıldızların, gezegenlerin ve yeryüzündeki yaşamın oluşumu için hayati bir önem teşkil etmiş ve hala etmektedir (3).

“Karanlık Maddenin” parçacıkları, insan bedeninden, nesnelerin ve gezegenlerin, yıldızların içinden madde atomları ve parçacıklarıyla etkileşmeksizin (onlarla çarpışmaksızın) geçip gitmektedirler, tıpkı görünmez bir insanın duvarın öbür tarafına geçmesi gibi. Öyle ki bu parçacıklar bir iğne ucu kadar yerden on, yüz milyarlarca sayıda geçmektedirler. Eğer elimizde bir avuç “Karanlık Madde” tutmuş olsaydık onun bir ağırlığa sahip olduğunu hisseder, parmaklarımızın arasından, elimizin derisi içinden geçerek yerin içine girdiğini, hiçbir şeyle (topraktaki sayısız parçacıklarla) etkileşmeksizin ve onlarla çarpışmaksızın dünyanın diğer tarafından çıkıp gittiğini görürdük.

Varlığın her bir noktasına sirayet etmiş ve her bir taneciğin ihmal edilecek düzeyde bir kütleye sahip olmuş olsa da (diğer bilinen parçacıklara nispetleyse ağırdır), bunların etkileri yığınsal olarak daha büyük boyutlarda görülmekte olup tüm galaksileri ve galaksi içi yıldız gruplarını, sahip oldukları kütle çekimi ile yönlendirmektedirler.

Mahiyetinin ne olduğu bilinemese de, artık etkilerinden dolayı varlığı kesin olarak ispatlanan “Karanlık Maddenin” ne olabileceğine ilişkin birçok neden gösterilmiştir. Bunlardan bazıları sırasıyla, sanılandan fazla olduğu düşünülen “Karadelikler” ve bilhassa güneşten milyon kat büyüklükteki “Dev Karadelikler”, tahminlerin ötesinde hesaba katılmayan “Gezegenler”, Macho denilen sönük yıldızsı nesneler, “kahverengi cüceler” (4) gibi, “Astroitler”, “Kuyruklu Yıldızlar” yada farklı olan ve ihmal edilebilecek kütlelere sahip olmalarına karşın çok büyük yığınsal kütleye, dolayısıyla kütle çekim gücüne sahip “nötrinolar” ile bugün için bilemediğimiz (Axion, … gibi) farklı türden, garip, tuhaf ve gizemli parçacıklardır. Ancak, bunlar hesaba katılsa bile, yine de kütle açığının çok gerisinde bulunulmaktadır. Bunun yanında aday tanecikler, “Karanlık Maddeyle” uyuşmayan bir takım özelliklere de sahiptirler. En önemlisi de bilinen ve düşünülen parçacıkların, “kararsız” olmalarından ötürü belli bir süre sonra “protana” dönüşmeleridir. Oysa “Karanlık Madde Parçacıkları” tamamıyla kararlı olup hiçbir şeye dönüşmemektedirler. Bu nedenle “Standart Model” içinde bilinen hiçbir parçacığa benzememektedir.

Bugün “Karanlık Maddeye” olabilecek en büyük aday olarak, onunla mükemmel düzeyde ortak özelliklere sahip olan “Wimp” denilen tanecikler gösterilmektedir. Bu parçacıklar “Standart Modelin” dışında öngörülen (dışında olmasa bile uç noktalarında varsayılan) ve “protonun” kütlesinden büyük ama maddeyle çok, çok zayıf etkileşimde bulunan (yani, yok denecek kadar etkileşmektedirler) taneciklerdir. Zayıf Nükleer ve Kütle Çekimi ile etkileşmesine karşın, Güçlü Nükleer ve Elektromanyetik kuvvet etkileşimine girmediğinden teleskoplarla tespit edilmesi imkansız parçacıklardır. Ancak yine de bu taneciklerin varlığı kesin değildir, sadece varsayım olarak düşünülmektedir.

Karanlık Madeninin yığınsal etkisi, uzay- zamanı, dolayısıyla yanından geçen (bu uzay – zamanda hareket eden) ışığı büktüğünden dolayı “Kütle Çekim mercek Etkisine” neden olmakta bu da bilim adamlarına “Karanlık Maddenin” uzaydaki konumlarının (nerede kümelendiklerinin) haritasını rahatlıkla çıkartılmasını sağlamaktadır (5).

“Karanlık Maddenin” varlığını somut olarak ispatlamak için girişilen bir yöntem de, toprağın 700 metre altında, sıfırın altındaki bir sıcaklıkta çok yoğun “Germanyum” atomlarından oluşmuş plakalar (kristaller) yerleştirilerek, “Karanlık Madde” parçacıklarının bu plakalarla çarpışmasını, etkileşime girmelerini beklemektir. “Karanlık Madde” parçacığı çok, çok az etkileşime girmiş olsa da eğer bir tanesi bu atom çekirdekleriyle kafa kafaya çarpışacak veya etkileşecek olursa ortaya çıkacak olan ısı, ortamda ısı farklılığını ölçen aletler yardımıyla tespit edilebilecektir. Ancak on yıla yakın bir süredir böyle bir parçacık gözlemlenememiştir. Aynı şekilde, parçacık hızlandırıcılarında ve bilhassa Cern’ de gerçekleştirilmeye çalışılan ünlü bir dizi deneylerde de, bu parçacıkların varlığı tespit edilmeye ve mahiyetleri anlaşılmaya çalışılmaktadır.

Devam Edecek…

 

(1). http://www.phy.syr.edu/courses/modules/LIGHTCONE/
pics/curved.jpg

http://www.learner.org/courses/mathilluminated/images/
units/8/1811.png

http://library.thinkquest.org/27930/media/curvature.jpg

http://scienceblogs.com/startswithabang/upload/2010/01/
the_greatest_story_ever_told_-/space-shape-4.jpg.gif

http://www.turkcebilgi.com/b%C3%BCy%C3%BCk_patlama/resimleri/end-of-universe

http://2.bp.blogspot.com/_jfT5ucHXk7Y/RhlpBI8e0QI/
AAAAAAAAABM/Gc8Jusmgz28/s400/Riemann
_geometry_deformation.jpg

(2). http://blog.lib.umn.edu/gray0239/architecture/
dark%20matter.bmp

(3). http://www.mpa-garching.mpg.de/HIGHLIGHT/
2002/fig0206_1.jpg

http://asymptotia.com/wp-images/2007/01/dark_matter_millenium_simulation.jpg

http://eands.caltech.edu/articles/LXX1/Dark-Matter-in-3D-Sized.jpg

http://www.cbc.ca/gfx/images/news/photos/
2008/12/16/darkenergy.jpg

(4). Eğer gaz ve toz bulutları Güneşin kütlesinin % 8’ den daha az ise, kütle çekim kuvveti bir nükleer reaksiyonu başlatacak ısı ve basıncı oluşturamayarak sınır değerin altında kalır ki, bu tip yapılara da “Kahverengi Cüce” adı verilir. Buna en iyi örnek Jüpiter gezegenidir. Eğer Jüpiter, %8’ lik sınır değerin üstünde bir kütleye sahip olsaydı, o zaman bir gaz gezegeni değil, Güneşin ortağı olarak bir çift yıldızlı sistem oluşturmuş olurlardı.

(5). http://www.lsst.org/files/img/xxnyt.jpg

Not: Bu iki bölümlük yazı dizisi, “Evrenin Geometrisi, Karanlık Madde ve Boşluk Enerjisi” başlıklı makalenin yeni eklemelerle yeniden düzenlenmesiyle oluşturulmuştur.

 

 
 

Kenan Keskin
İstanbul - 18.06.2011
hologramk@yahoo.com
http://sufizmveinsan.com