Görmediğimiz madde

Kanca

Arizona'da bir gözlemevi. Gökbilimci Vera Rubin (okunuşu "vera rubin") ve meslektaşı Kent Ford, Andromeda Galaksisi'nin farklı uzaklıklardaki gaz bulutlarının hızını ölçüyor. Bekledikleri tablo açık: Güneş Sistemi'nde olduğu gibi, merkezden uzaklaştıkça yıldızlar ve gaz yavaşlamalı. Rubin sonradan şöyle yazacaktı: daha ilk gecenin sonunda dönme eğrisinin biçimi karşısında şaşkındık.

Galaksinin kenarındaki bulutlar yavaşlamıyordu. Merkeze yakın olanlar kadar hızlı dönüyorlardı. Görünen yıldızlar ve gaz, bu hızda dönen bir galaksiyi bir arada tutmaya yetmezdi; galaksi çoktan dağılmış olmalıydı. Galaksiler, görünen maddeye göre olması gerekenden hızlı dönüyor.

Merkezi soru

Hiç ışık saçmayan, hiçbir teleskopla doğrudan görülemeyen bir maddenin var olduğunu nereden biliyoruz; onu gösteren kanıtlar neler, ve evrendeki toplam maddenin ne kadarını oluşturuyor?

Anlatım

Görünmeyeni hareketten tartmak

Ders 15.1'de bir cismin yörünge hızının içeride kalan kütleye bağlı olduğunu görmüştük: v = √(G·M / r). Sesli okunuşu: hız, kütleçekim sabiti ile içerideki kütlenin çarpımının uzaklığa bölümünün kareköküdür. Bu formülün gücü şurada: bir şeyi görmesek bile, çevresinde dönenlerin hızından onu tartabiliriz.

Güneş Sistemi'nde kütlenin neredeyse tamamı merkezdedir, bu yüzden uzak gezegenler yakınlardan yavaş dolanır. Galaksi kütlesi de yalnızca görünen yıldızlarda ve gazda olsaydı, onların çoğu merkeze yakın toplandığı için galaksinin dış kısımları da aynı biçimde yavaşlamalıydı. Buna düşen dönme eğrisi denir.

Çözümlü problem: Düz bir eğri ne söyler?

Önce beklentiyi hesaplayalım. Kütlenin hepsi içeride toplanmışsa ve bir gaz bulutu dört kat uzaktaysa, hızı √(1/4), yani yarıya düşmeli. Sesli okunuşu: dört kat uzakta hız, dördün karekökü kadar, yani iki kat azalır.

Şimdi formülü tersine çevirelim: M = v² r / G. Sesli okunuşu: içerideki kütle, hızın karesi çarpı uzaklık bölü kütleçekim sabitidir. Rubin'in bulduğu gibi hız hiç düşmüyorsa, v² sabit kalır ve içerideki kütle uzaklıkla birlikte doğrusal büyür: dört kat uzakta dört kat kütle. Oysa o bölgelerde yıldız ve gaz neredeyse bitmiştir. Demek ki galaksinin dış kısımlarında ışık saçmayan büyük bir kütle var.

Carnegie Science'a göre Rubin ve Ford ilk bulgularını Andromeda için 1970'te yayımladı, ardından on yıl boyunca galaksi galaksi ölçtüler. 1980'deki makalelerinde düz eğriyi yirmi bir sarmal galakside gösterdiler ve Rubin şunu yazdı: görünen galaksinin ötesinde ışık saçmayan madde bulunduğu sonucundan kaçış yok.

Zwicky'nin unutulan uyarısı

Aslında ilk uyarı çok daha önce gelmişti. İsviçreli gökbilimci Fritz Zwicky (okunuşu "fritz tsviki") 1933'te Almanca yayımlanan bir makalesinde Saç Kümesi'ndeki (Coma) galaksilerin hızlarına baktı. Kümede yaklaşık 800 galaksi olduğunu, her birinin yaklaşık bir milyar Güneş kütlesinde olduğunu varsaydı ve bu kütlenin tutabileceği hızları hesapladı: saniyede yaklaşık 80 kilometre.

Oysa ölçülen hız farkları saniyede 1000 kilometreyi aşıyordu. Hız 12,5 kat fazlaysa ve kütle hızın karesiyle orantılıysa, kütle 12,5² ≈ 156 kat fazla olmalıdır. Sesli okunuşu: on iki buçuğun karesi, yaklaşık yüz elli altı. Zwicky kendi varsayımlarıyla kümenin yoğunluğunun ışıklı maddeden en az 400 kat büyük olması gerektiğini yazdı ve buna "karanlık madde" (dunkle Materie) dedi.

Üçüncü kanıt: ışığın bükülmesi

Ders 15.7'de kütlenin ışığı büktüğünü görmüştük. Bir galaksi kümesinin arkasındaki galaksilerin görüntülerindeki yaylar ve çarpılmalar, önde duran bütün kütlenin haritasını çıkarır; ışık saçıp saçmadığına bakmaz. Bu haritalar da ışık saçan maddenin, tüm kütlenin ancak küçük bir dilimi olduğunu gösterir.

En çarpıcı örnek Mermi Kümesi (Bullet Cluster) diye bilinen, çarpışan iki galaksi kümesidir. Douglas Clowe ve ekibi 2006'da şunu gösterdi: çarpışmada kümelerin sıcak gazı, yani sıradan maddenin en büyük kısmı, sürtünüp ortada yavaşladı; galaksiler ise birbirinin içinden geçip gitti. Kütleçekimi haritası gazı değil, galaksileri izliyordu; toplam kütlenin merkezi, sıradan maddenin merkezinden sekiz sigmalık bir güvenle ayrıydı. Ekip bunun kütleçekim yasasını değiştirerek açıklanamayacağını ve sistemdeki maddenin çoğunun görünmediğini yazdı.

Dördüncü kanıt: kozmik muhasebe

Ders 18.5'teki döteryum terazisi, protonların ve nötronların kritik yoğunluğun yalnızca yaklaşık yüzde beşini oluşturduğunu söylüyordu. OpenStax'a göre bugünkü en iyi döküm şöyle: yıldızlar ve galaksilerdeki ışıklı madde yüzde birden az, yıldızlararası ve galaksilerarası hidrojen ve helyum yaklaşık yüzde dört, karanlık madde yaklaşık yüzde 27, karanlık enerji ise yaklaşık yüzde 68.

Yani karanlık madde, sıradan maddenin 27 / 5 ≈ 5,4 katı. Sesli okunuşu: yirmi yedi bölü beş, yaklaşık beş virgül dört. Evrendeki her altı birim maddenin yalnızca biri, bizim tanıdığımız atomlardan yapılmış.

Beşinci kanıt: galaksiler zamanında nasıl oluştu?

OpenStax bir kanıt daha verir. Kozmik arka plandaki yoğunluk farkları, yalnızca sıradan madde olsaydı galaksileri bu kadar erken oluşturmaya yetmeyecek kadar küçüktür. Çünkü ışık, sıradan maddeyi evren saydamlaşana kadar itip dağıtıyordu. Karanlık madde ise ışıkla etkileşmez; o sırada kendi yoğunlaşmalarını büyütmüş olabilir.

OpenStax bunu bir konvoyla anlatır: polis eşliğindeki bir araç konvoyu kırmızı ışıklarda durmadan geçer. Polis ayrılınca araçlar kırmızı ışıklarda birikir. Evren saydamlaşınca sıradan madde de, önceden hazırlanmış karanlık madde tuzaklarına düşüp hızla toplandı.

Peki neyden yapılmış?

İlk akla gelen, sönük ya da karanlık sıradan cisimlerdi: kara delikler, gezegenler, beyaz cüceler. Ama döteryum sıradan maddeye üst sınır koyar; eksik kütle bu kadar büyük olamaz. Bu yüzden en çok konuşulan aday, henüz yakalanmamış bir parçacıktır. OpenStax'ın örneğiyle, kütlesi protonun 60 katı olan bir parçacık türü, zayıf etkileşen kütleli parçacıklar (WIMP), uzattığın elinin içinden her saniye yaklaşık on milyon tane hiçbir etki bırakmadan geçerdi.

On milyon kere bir günün 86.400 saniyesi, yaklaşık 8,6 × 10¹¹, yani günde bir trilyona yakın parçacık. Sesli okunuşu: sekiz yüz altmış milyar. Bu parçacıkları yakalamak için derin madenlerde, mutlak sıfıra yakın soğutulmuş dedektörler kuruldu. Bunların en duyarlılarından LZ deneyi 2024'te, 280 günlük veride beklenen arka planın üstünde bir fazlalık bulmadığını bildirdi. Aday parçacıkları ve kütleçekimi değiştiren alternatif kuramları ilerideki bir derste ayrıntılı tartışacağız.

Aslında…

Büyük resim

Karanlık madde, gökbilimin en büyük tartısının sonucu. Birbirinden bağımsız beş yol, yani galaksilerin dönüşü, kümelerdeki hızlar, ışığın bükülmesi, hafif elementlerin miktarı ve galaksilerin oluşma hızı, aynı sonuca varıyor: evrende gördüğümüzden çok daha fazla madde var.

Bu, bilimin görünmeyeni nasıl ele aldığını da gösteriyor. Neptün de önce Uranüs'ün yörüngesindeki sapmadan, kâğıt üzerinde bulunmuştu. Karanlık madde için o sapma her ölçekte tekrar ediyor; eksik olan, kâğıttaki şeyin teleskopta ya da dedektörde görünmesi.

Özet

1. Galaksilerin dış kısımları, görünen maddeye göre yavaşlaması gerekirken aynı hızla döner; Rubin ve Ford 1970'ten itibaren bunu ölçtü. M = v² r / G'ye göre düz bir dönme eğrisi, içerideki kütlenin uzaklıkla doğrusal büyüdüğü, yani görünmeyen bir kütle olduğu anlamına gelir.
2. Zwicky 1933'te Saç Kümesi'nde beklenen 80 km/s yerine 1000 km/s'yi aşan hızlar ölçtü; merceklenme haritaları ve Mermi Kümesi'nde kütlenin sıradan gazdan sekiz sigma ayrışması da görünmeyen bir madde gösterir.
3. Karanlık madde kritik yoğunluğun yaklaşık yüzde 27'si, sıradan maddenin yaklaşık 5,4 katıdır; ne olduğu bilinmiyor ve LZ gibi deneyler henüz onu yakalayamadı.

Görev

Quiz

1. Düz bir dönme eğrisi neden görünmeyen bir kütleye işaret eder?
2. Kütlenin tamamı merkezde toplanmışsa, dört kat uzaktaki bir cismin hızı ne olmalıdır?
3. Zwicky Saç Kümesi'nde ne buldu?
4. Mermi Kümesi neden karanlık madde için güçlü bir kanıt sayılır?
5. OpenStax'ın dökümüne göre karanlık madde kritik yoğunluğun yüzde kaçıdır ve sıradan maddenin kaç katıdır?

Cevaplar

1. Çünkü M = v² r / G'ye göre hız sabitse içerideki kütle uzaklıkla birlikte büyür; oysa dış bölgelerde yıldız ve gaz neredeyse yoktur.
2. Yarısı; hız uzaklığın kareköküyle ters orantılı düşer.
3. Galaksilerin hızlarının, görünen kütlenin tutabileceği yaklaşık 80 km/s yerine 1000 km/s'yi aştığını ve kümenin yoğunluğunun ışıklı maddeden en az 400 kat büyük olması gerektiğini.
4. Çünkü çarpışmada sıradan maddenin çoğunu taşıyan sıcak gaz ortada kalırken kütleçekimi haritası galaksileri izledi; kütle ile sıradan madde sekiz sigmalık bir güvenle ayrıştı ve bu, kütleçekim yasasını değiştirerek açıklanamadı.
5. Yaklaşık yüzde 27; sıradan madde yaklaşık yüzde 5 olduğundan yaklaşık 5,4 katı.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Kozmik dökümde karanlık maddeden de büyük bir kalem vardı: yaklaşık yüzde 68'lik karanlık enerji. Madde, ister görünsün ister görünmesin, kütleçekimiyle çeker ve genişlemeyi yavaşlatmalıdır. Oysa uzak süpernovalar genişlemenin hızlandığını gösterdi. Evreni iten bu gizemli şey nedir, ve onu ölçmek neden bu kadar zor?