Karanlık Madde nedir?

Büyük Patlama kendisiyle birlikte, evren üzerine inanılmaz düzeyde bir kavrayışı da getirdi. Ancak bunun yanı sıra, çok ciddi soruları da önümüze koydu. Örneğin Samanyolu gibi galaksilerin nereden geldiği gibi soruları.

Büyük Patlama’nın neden olduğu ateş topu, madde ve ışık parçacıklarının bir karışımıdır. Madde, ışığı etkilemiş olmalıdır. Örneğin madde öbeklere ayrılmış olsaydı, bu durum kendisini Büyük Patlama’dan geriye kalan ışıkta yansıtırdı. Bir diğer ifadeyle, bu ışık gökyüzünün her yerinde aynı olmaz, bazı noktalarda diğer noktalara nazaran daha parlak olurdu. Patlamadan geriye kalan ısı ve ışığın tüm gökyüzüne eşit dağılmış olduğu gerçeği, ateş topundaki maddenin aşırı düzenli bir şekilde dağılmış olduğu anlamına gelmektedir. Fakat tümüyle eşit bir şekilde dağılmış olamayacağını da biliyoruz. Sonuçta, yıldızlardan oluşan galaksiler, galaksi kümeleri ve aralarındaki büyük uzay boşluğuyla, bugünün evreni madde öbeklerinden oluşmaktadır. Dolayısıyla bir noktada, evrendeki madde, uzayda eşit bir şekilde dağılmaktan çıkarak kümelenmeye başlamıştır. Ve bu sürecin başlangıcı, kozmik ardalan ışımasında görülebilir olmalıdır.

Gerçekten de, 1992 yılında, Büyük Patlama’ dan geriye kalan ışığın parlaklığındaki çok ufak farklar, NASA’nın COBE uydusu tarafından saptandı. Bu kozmik dalgalar (hatta araştırmaya katılan bilim adamlarından biri, bu dalgaları “Tanrı’nın yüzü”ne benzetecek kadar canlı bir hayal gücüne sahipti), Büyük Patlama’nın 450.000 yıl sonrasında, evrenin bazı kısımlarının diğer kısımlarına nazaran biraz daha yoğun olduğunu gösterdi. Ve fark edilen bu madde öbeklerinin, yani yapının tohumlarının, bugün evrende gördüğümüz galaksi kümelerini oluşturacak şekilde büyümüş olması gerektiği düşünüldü. Ancak burada bir sorun söz konusu.

Madde öbekleri, kütle çekimi nedeniyle daha büyük öbekler meydana getirecek şekilde büyür. Temel olarak, bir kesim diğer bir kesme göre daha fazla maddeye sahipse, daha büyük olan kütle çekimiyle komşusu olan kesimden madde çalmaya devam eder. Bu bağlamda, tıpkı günümüz dünyasında zenginlerin zenginleştikçe fakirlerin daha da fakirleşmesi gibi, evrenin yoğun kesimleri daha da yoğunlaşmayı sürdürmüş ve en sonunda etrafımızdaki galaksileri oluşturmuşlardır. Ancak teorisyenlerin aklına takılan problem, kütle çekim kuvveti için 13,7 milyar yılın, COBE uydusu tarafından saptanan küçük madde öbeklerinden galaksilerin oluşmasına izin verecek kadar uzun bir süre olmamasıydı. Bunun tek yolu, evrende, yıldızlara bağlı görünebilir durumdaki maddeden çok daha fazla madde bulunması olasılığıydı.

Aslına bakılacak olursa, çok daha yakınımızda da kayıp maddeye dair güçlü göstergeler bulunuyor. Samanyolu gibi sarmal galaksiler yıldızlardan oluşan dev anaforlardır. Ancak yıldızların, galaksilerin merkezi etrafında aşırı hızlı bir şekilde döndüğü anlaşılmıştır. Bu yıldızların en sonunda yörüngelerinden fırlayarak galaksiler arası uzaya uçmaları gerekirdi, tıpkı aşırı hızlanan bir atlıkarıncadan fırlayıp düşmeniz gibi. Astronomların getirdiği olağandışı açıklama ise Samanyolu gibi galaksilerin yıldızlarda görünenden 10 kat daha fazla madde içerdiği oldu ve bu görünmez durumdaki maddeye “kara madde” dendi. Kimse kara maddenin ne olduğunu bilmiyor. Tek bildiğimiz, kara maddenin getirdiği ilave kütleçekiminin yıldızları yörüngelerinde tutarak galaksiler arası uzaya fırlamalarını engellediği.

Eğer evren, normal maddenin 10 katı kadar kara madde içeriyorsa, bu kara maddenin getireceği ilave kütleçekimi, 13,7 milyar yılda, COBE tarafından saptanan madde öbeklerinin günümüzün galaksilerine dönüşmesi için yeterlidir. Böylece Büyük Patlama fikri de korunmuş olur. Bunun bedeli ise nereden geldiği hiç kimse tarafından bilinmeyen çok fazla kara maddenin resme eklenmiş olmasıdır. Hiç kimse tarafından bilinmeyen mi? Neredeyse, hiç kimse tarafından desek daha doğru olacak sanırım. Çoğunlukla Zararsız (Mostly Harmless) kitabında Douglas Adams’ın söylediklerine kulak verelim: “Uzun bir zaman boyunca, evrenin şu kayıp maddesinin nerede olabileceğine dair çok fazla spekülasyon ve tartışma çıktı. Galaksinin her noktasında, belli başlı tüm üniversitelerin bilim kürsüleri, uzaklardaki galaksilerin kalbini, ardından da tüm evrenin merkezini ve en uç noktalarını araştırmak için, sürekli olarak daha çok ve daha karmaşık teçhizatlar satın alıyordu. Fakat en sonunda sondaj tamamlandığında, kayıp maddenin, teçhizatların içinde geldiği paketleme malzemesinden başka bir şey olmadığı ortaya çıktı!”

Neden gece karanlıktır?

Evrenin Büyük Patlama’yla oluştuğu gerçeği bir başka gizemi de açıklıyor: gökyüzünün gece neden karanlık olduğunu. Bu bilmeceyi çözen ilk kişi, 1610 yılında Alman astronom Johannes Kepler oldu.

Gözünüzün önüne, düzenli olarak serpiştirilmiş çam ağaçlarıyla sonsuza dek giden bir orman getirin. Düz bir çizgide koşarak ormanın içine dalacak olursanız, önünde sonunda bir ağaca çarpmanız kaçınılmazdır. Benzer şekilde, evren de düzenli bir şekilde serpiştirilmiş yıldızlarla kaplı durumdaysa ve sonsuza dek gidiyorsa, dünyanın neresinden bakacak olursanız olun, bakışlarınızın bir yıldıza takılacağı ortadadır. Bu yıldızlardan bazıları çok uzakta ve solgun olacaktır. Öte yandan uzakta olan yıldızlar, yakınlarda olanlara nazaran daha fazla sayıdadır. Aslında -önemli nokta da burası- uzakta olan yıldızların sayısı, solgunluklarını dengeleyecek şekilde artacaktır. Diğer bir ifadeyle, dünyadan belli bir mesafede olan yıldızlar, iki, üç ya da dört kat uzakta olan yıldızlarla aynı miktarda ışık verecektir. Dünyaya ulaşan tüm ışık toplandığında ise sonuç sonsuz miktarda ışık olur!

Bu açık bir şekilde anlamsız. Yıldızlar nokta benzeri şekiller değil, küçük disklerdir. Bu nedenle yakınlardaki yıldızlar, daha uzaklardaki yıldızlardan gelen ışığın bir kısmını keser. Tıpkı yakınlardaki çam ağaçlarının daha uzaklardaki ağaçların önünü kapatacağı gibi. Ancak bu etkiyi hesaba kattığımızda bile tüm gökyüzünün, aralarında hiç boşluk olmayacak şekilde yıldızlarla kaplanacağına dair kaçınılmaz sonuç ortadadır. Bu bağlamda, gece gökyüzünün karanlık değil, aksine tipik bir yıldızın yüzeyi gibi parıldıyor olması gerekir. Tipik yıldızla kastettiğimiz kırmızı cücedir; yani can çekişen bir kor gibi ışıldayan yıldızlar. Dolayısıyla gece yarısında gökyüzü kan kırmızısı olmalıdır. Ancak neden böyle olmadığı, 19. yüzyılın başlangıcında Alman astronom Heinrich Olbers tarafından ortaya konmuş ve bu durum Olbers paradoksu olarak adlandırılmıştır.

Olbers paradoksundan çıkışımız, evrenin ezelden beri var olmadığı, Büyük Patlama’yla oluştuğunu fark etmemizle oldu. Evrenin oluşumunun ilk anından itibaren, uzaklardaki yıldızların ışıklarının bize ulaşması için yalnızca aradan 13,7 milyar yıl geçmiştir. Bu nedenle, şu anda gördüğümüz tüm yıldız ve galaksiler, ışıkları bize bu süre zarfında ulaşabilmiş olanlardır. Öte taraftan evrendeki yıldız ve galaksilerin birçoğunun bize olan mesafeleri, 13,7 milyar yıl gibi bir sürede ışıklarının bize ulaşamayacağı kadar büyüktür. Bu cisimlerin ışıkları halen yoldadır.

Gökyüzünün gece karanlık olmasının nedeni, evrendeki birçok cismin ışığının bize henüz ulaşmamış olmasından başka bir şey değildir. İnsanlık tarihinin ilk anlarından itibaren, evrenin bir başlangıç noktasının olduğu gerçeği, gecenin karanlık gökyüzünden gözlerimizin içine bakıp durmuş. Şapşallığımızdan bu kadar geç fark edebiliyoruz.

Bir milyar yıl kadar daha varlığımızı sürdürebilecek olursak, ışığı bize 14,7 milyar yılda ulaşan yıldız ve galaksileri de göreceğiz. Buradaki soru şu: eğer trilyonlarca yıl daha varlığımızı sürdürürsek ve çok daha uzaklardaki birçok yıldız ve galaksinin ışıkları bize ulaşırsa, gece gökyüzünün kırmızı olup olmayacağı. Cevap ise hayır. Kepler ve Olbers’in akıl yürütmesi yanlış bir varsayım olan yıldızların varlıklarını sonsuza dek sürdüreceği üzerine şekillenmişti. Ancak en uzun ömürlü yıldızlar bile 100 milyar yıl gibi bir sürede tüm yakıtlarını tüketerek yok olurlar. Bu da, dünyanın gökyüzünü tamamen kırmızıya boyamaya yetecek miktarda ışığın bize ulaşacağı zamandan çok daha önce gerçekleşecek bir şeydir.

Sıcak Büyük Patlama Sonrası

Bir şeyi daha küçük bir hacmin içine (örneğin havayı bisiklet pompasının içine) sıkıştırdığınızda madde ısınır. Dolayısıyla Büyük Patlama da sıcak bir olaydır. Bunu ilk fark eden kişi Ukrayna kökenli Amerikalı fizikçi George Gamow oldu. Gamow’a göre, Büyük Patlama’nın sonrasındaki ilk anlarda evren, nükleer bir patlamanın yarattığı kor halindeki ateş topuna benzeyen bir şeydi.

Ancak patlamanın ardından geçen saatler ve günler içinde, nükleer bir ateştopunun ısı ve ışığı atmosferin içine dağılıp yok olurken, Büyük Patlama’nın neden olduğu ateş topundan kaynaklanan ısı ve ışık için bu durum geçerli değildir. Evren, tanım olarak, var olan her şeyi içerdiğinden, patlamanın sonrasında oluşan ısı ve ışığın gidebileceği hiçbir yer yoktu. Bu yüzden, Büyük Patlama’nın kalıntıları evrenin içine sıkışıp kaldı. Bunun anlamı, Büyük Patlama’dan geriye kalan ısı ve ışığın, görünebilir bir ışık olarak değil (çünkü patlamanın ardından geçen zaman içinde evrenin genişlemesiyle birlikte büyük ölçüde soğumuştur), çok soğuk cisimlerin yaydığı görünmez bir ışık türü olan mikrodalgalar halinde var olması gerektiğidir.

Devamını oku “Sıcak Büyük Patlama Sonrası”

Büyük Patlama Evreni Nasıl oluşturdu?

Artık evrenin genişlediğini bildiğimizden dolayı, kaçınılmaz bir çıkarım da gözlerimizin önüne dek gelmiş oldu: O halde evrenin boyutları geçmişte daha küçüktü. Genişleme süreci, tıpkı geriye sarılan bir film gibi geçmişe doğru takip edildiğinde, astronomlar bundan 13,7 milyar yıl önce tüm evrenin düşünülebilen en küçük taneciğin içine sıkışmış olduğu sonucuna ulaştılar. Birbirlerinden uzaklaşan galaksilere bakarak, her ne kadar yaşlı olsa da, evrenin ezelden beri var olmadığı gerçeğini anladık. Zamanın bir başlangıcı vardı. Yalnızca 1 3,7 milyar yıl önce, tüm madde, enerji, uzay ve zaman, dev bir patlamayla, yani Büyük Patlama’yla oluşmuştu.

Kozmik genişlemenin şaşırtıcı ölçüde basit bir kanuna riayet ettiği anlaşıldı. Her bir galaksi, mesafesiyle doğru orantılı bir hızda Samanyolu’ndan uzaklaşıyordu. Yani Samanyolu’na iki kat daha uzak olan bir galaksi iki kat daha hızlı uzaklaşmaktaydı ya da 10 kat uzaktaki bir galaksi 10 kat hızlı. Hubble yasası olarak bilinen bu bağıntının, boyutları genişleyen ve hangi galaksiden bakarsanız bakın aynı görünen tüm evrenler için kaçınılmaz bir şekilde geçerli olduğu ortaya çıktı.

İçinde kuru üzüm taneleri olan bir kek düşünün. Eğer küçülerek bu üzüm tanelerinden herhangi birinin üzerine kurulabilecek olsaydınız, manzaranız diğer herhangi bir tanecikten görünecek manzarayla aynı olurdu. Dahası, kek bir fırına konarak kabartılsaydı, yalnızca diğer taneciklerin sizden uzaklaştığını görmekle kalmaz, aynı zamanda size olan mesafeleriyle doğru orantılı hızlarla uzaklaştıklarını da fark edebilirdiniz. Hangi üzüm taneciğinin üzerinde olduğunuzun da hiçbir önemi olmazdı; seyredeceğiniz manzara her zaman ve her noktadan aynı olurdu (buradaki tek şart, her zaman kenardan uzakta olmanız için, kekin büyük bir kek olmasıdır). Genişleyen bir evrendeki galaksiler de, kabarmakta olan bir kekin içine dağılmış üzüm tanelerine benzetilebilir.

Ancak tüm galaksilerin bizden uzaklaştığinı gördüğümüzden dolayı, evrenin merkezinde bulunduğumuza ve Büyük Patlama’nın da kozmik arka bahçemizde gerçekleştiğine dair bir varsayımda bulunamayız. Samanyolu değil de bir başka galakside olsaydık da, göreceğimiz manzara değişmezdi; diğer tüm galaksiler yine bizden uzaklaşıyor olurdu. Büyük Patlama burada, şurada ya da evrenin herhangi bir noktasında olmamıştır. Aynı ayda her yerde olmuştur. 16. yüzyıl filozofu Giordano Bruno’nun dediği gibi: “Evrende, merkez ya da çevre olarak adlandırılabilecek bir yer yoktur, çünkü her yer merkezdir.”

Aslına bakılacak olursa, Büyük Patlama terimi gerçekleşen olayı tanımlamada bir parça yanlış kaçıyor. Çünkü aşina olduğumuz hiçbir türden patlamayı andırır bir tarafı yok. Mesela bir dinamit infilak ettiğinde, patlama sabit bir noktadan çıkar ve etkisi, halihazırda var olan bir uzayda genişleyerek ilerler. Büyük Patlama ise tek bir noktada olmamıştır ve patlamadan önce var olan bir uzay yoktur! Her şey -uzay, zaman, enerji ve madde- Büyük Patlama’yla oluşmuş ve aynı anda her yönde genişlemeye başlamıştır.

Genişleyen Evren

Fakat zaman içinde Einstein’ın içgüdülerinin yanlış olduğu ortaya çıktı. Evrenin yapı taşlarının galaksiler olduğunu ilk kez ortaya koyan Amerikalı astronom Edwin Hubble, 1929 yılında çarpıcı bir keşfin duyurusunu yaptı. Galaksiler, tıpkı kozmik şarapneller gibi, birbirlerinden uzaklaşmaktaydı. Durağan olmak bir kenara, evrenin boyutları sürekli genişliyordu. Einstein, Hubble’ın genişleyen evren keşfini duyar duymaz, kozmik geri tepme teorisinin geçersiz olduğunu açıklayarak, bunun hayatındaki en büyük yanılgısı olduğunu belirtti.1 Einstein’ın esrarengiz geri tepme kuvveti, galaksilerin uzayda hareketsiz durmalarını hiçbir zaman sağlayamazdı. Arthur Eddington’ın 1930 yılında ortaya koyduğu gibi, durağan bir evren aslında niteliği gereği dengesiz ve kararsız bir durumdadır – tıpkı kendi ucu üzerinde dengede duran bir bıçak gibi. Genişlemeye veya daralmaya başlaması için küçücük bir etki yeterli olacaktır.

Bilim adamları Einstein’ın hatasını yinelemedi. 1922 yılında Rus fizikçi Aleksandr Friedmann, Einstein’in kütleçekim teorisini evren üzerinde geçerli olacak şekilde yeniden ele aldı ve evrenin ya genişlediği ya da daraldığı sonucuna ulaştı. Beş yıl sonra bağımsız bir araştırma sürecinin sonunda, Belçikalı Katolik papaz Georges-Henri Lemaitre tarafından ulaşılan sonuç da Friedmann’ınkiyle aynıydı.

John Wheeler’ın dediği gibi: “Einstein’ın kütleçekimini uzay-zamanın eğriliği olarak açıklaması, tüm zamanların en önemli öngörüsüne ulaşmamızı sağladı: Evrenin kendisi de hareket halindeydi.” Einstein’ın kendi teorisindeki bu inanılmayacak ölçüde önemli mesajı kaçırması ise ironik bir durumdur

Evrenin Bilimi

Einstein’ın kütleçekim, yani genel görelilik teorisi kütlelerin nasıl diğer kütlelere çekildiğini açıklamaktadır. Bildiğimiz en büyük madde bileşimi, evrenin kendisidir. Hiçbir zaman bilimin can sıkıcı ciddi sorunlarından kaçmayan bir bilim adamı olarak, Einstein 1916 yılında kütleçekim teorisini evrenin tümü için geçerli olacak şekilde yeniden ortaya koydu. Böylece evrenin kökeni, evrimi ve nihai kaderi üzerine yoğunlaşan evrenbilim alanının da (bir diğer ifadeyle, her şeyin biliminin) kapıları açılmış oldu.

Her ne kadar Einstein’ın kütleçekim teorisinin ardındaki fikirler insanı aldatacak ölçüde basit olsa da, teorinin matematiksel karşılığı kesinlikle basit sayılamaz. Maddenin belli bir dağılımının uzay-zamanı tam olarak nasıl büktüğü konusu üzerinde çalışmak aslında ciddi anlamda zordur. Mesela uzay-zamanda, dönmekte olan bir kara deliğin neden olduğu çarpılmanın hesaplanması, ancak Einstein’ın genel görelilik teorisini yayımlamasından bir yarım yüzyıl sonra, 1962 yılında, Yeni Zelandalı fizikçi Roy Kerr tarafından gerçekleştirilebildi.

Tüm evrenin uzay-zamanı nasıl büktüğü hakkında fikir yürütmek, maddenin uzayda nasıl dağıldığına yönelik basitleştirici varsayımlar yapmaksızın imkansız olurdu. Einstein, gözlemcinin evrenin neresinde bulunduğunun bir önemi olmadığını varsaydı. Diğer bir ifadeyle, nerede bulunursanız bulunun evrenin aynı özelliklere sahip olduğunu ve nereden bakarsanız bakın, her yönden az çok aynı görüneceğini.

Devamını oku “Evrenin Bilimi”

Evren ne renktir?

Şapkadan beyaz bir tavşan çıktı. Ancak inanılmaz büyüklükte bir tavşan olduğundan, numaranın tamamlanması milyarlarca yıl sürdü.

Jostein Gaarder

Bunlar yüksek teknoloji ürünü gözlükler. Normalde insan gözünün göremediği her türden ışığı görmek için üretilmiş. Yalnızca çerçevesi üzerindeki bir düğmeyi döndürerek gözlüğünüzü “ayarlayabilirsiniz.” Yıldızlarla kaplanmış soğuk bir gecede, bu gözlükleri de yanınıza alarak kendinizi dışarı atıyorsunuz.

Gördüğünüz ilk şey, güneşten çok daha sıcak yıldızlardan kopup gelen ışıkların kapladığı, morötesi bir gökyüzü oluyor. Aşina olduğunuz bazı yıldızlar ortalıktan kaybolmuşken, daha önce hiç görmediğiniz yenileri, etraflarında bulutsu oluşumlarla görüntüye dahil olmuş. Ancak gökyüzünün en etkileyici tarafı, çıplak göz için de etkileyiciliğini koruyan özelliği.

Gökyüzü çoğunlukla siyah.
Eliniz gözlüğünüzün düğmesine gidiyor.
Artık kara delikler gibi egzotik cisimlerin üzerinde girdap oluştururken, yüzbinlerce dereceye ulaşacak kadar ısınan gaz tarafından yayılan yüksek enerjili ışığı, yani X-ışınlarını görebiliyorsunuz. Bir kez daha, gökyüzünün en çarpıcı tarafı, çoğunlukla siyah olması.

Düğmeyi ters yönde tekrar çevirdiğinizde, morötesi ve normal modu geçerek, gözlüğünüz kızılötesi moduna geçiyor. Artık, güneşten çok daha soğuk yıldızlardan yayılan ışığı görebiliyorsunuz. Şimdi baktığınız gökyüzü, sönmüş yıldızlardan geriye kalan korlarla süslenmiş durumda. Çok yakın zamanlarda doğdukları için, halen titrek bir ışık veren plasenta gazlarıyla sarılı durumda yıldızlara ve ölüm ıstırabı çeken şişmiş kırmızı devlere bakıyorsunuz. Ancak gökyüzü yeni bir yıldız nüfusu tarafından aydınlanmış olsa da, en çarpıcı özelliği aynı. Çoğunlukla siyah.

Düğmeyi döndürmeye devam ediyorsunuz. Artık, radarlarda, mobil telefonlarda ve fırınlarda kullanılan mikrodalgalara bakıyorsunuz. Ancak tuhaf bir şey oluyor. Yoksa gökyüzü mü daha bir parlaklaştı ? Hatta yalnızca bir parçası da değil, tümü!

Gözlüğü çıkarıp gözlerinizi ovuşturuyor ve ardından yeniden takıyorsunuz. Fakat değişen hiçbir şey yok. Şimdi gökyüzü, bir ucundan diğer ucuna, inci gibi bir beyazlıkla aydınlanıyor. Düğmeyi çevirmeye devam ediyorsunuz, ancak değişen tek şey, gökyüzünün daha da parlaması oluyor. Sanki uzayın tamamı kızışıyor. Kendinizi dev bir ampulün içinde hissediyorsunuz.

Yoksa gözlükler mi bozuk? Hayır hayır, mükemmel durumdalar. Gördüğünüz şey, kozmik ardalan ışımasından (cosmic background radiation) başka bir şey değil; yani evrenin 13,7 milyar yıl önce doğduğu ateştopundan geriye kalan gösteriye bakıyorsunuz. İnanılmaz bir şekilde halen uzayın her bir gözeneğine nüfuz edebiliyor. Fakat evrenin genişlemesiyle epey bir soğumuş durumda olduğundan, görünebilir ışık olarak değil, düşük enerjili mikrodalgalar olarak kendisini açığa vuruyor. İster inanın ister inanmayın, ardalan ışıması günümüzün evrenindeki tüm ışığın yüzde 99’unu oluşturmaktadır. Ve aynı zamanda, evrenin devasa bir patlamayla oluştuğuna yönelik tartışılmaz bir kanıttır.

Kozmik ardalan ışıması 1965 yılında keşfedildi. Ancak Büyük Patlama’ya yönelik fikrimiz daha öncesine dayanıyor. Aslında ilk adım Einstein tarafından atıldı.