Karanlık Madde Parçacık Değil Dalga Gibi Davranıyor?
Fizikçiler, evrenin büyük bölümünün, yıldızlar ve gözlemlenebilir galaksiler üzerindeki dolaylı etkileriyle sadece bildiğimiz görünmez bir madde tarafından oluşturulduğuna inanmaktadır.
Çılgın değiliz! Bu “karanlık madde” olmaksızın, gördüğümüz evrenin mantığı olmazdı.
Ancak karanlık maddenin doğası uzun süredir devam eden bir bilmece. Yine de, Hong Kong Üniversitesi’ndeki Alfred Amruth ve meslektaşlarının, Nature Astronomy’de yayımlanan yeni bir çalışması, ışığın yerçekimi etkisiyle bükülmesini kullanarak, bu konuyu anlamamıza bir adım daha yaklaştırıyor.
Görünmez Ama Her Yerde Mevcut Karanlık maddenin var olduğunu düşünmemizin nedeni, galaksilerin davranışında yerçekiminin etkilerini görebilmemizdir. Özellikle, karanlık madde evrenin kütlesinin yaklaşık yüzde 85’ini oluşturuyor gibi görünmekte ve gözlemleyebildiğimiz uzak galaksilerin çoğu, gizemli maddenin bir halo ile çevrili görünmektedir.
Ancak karanlık madde olarak adlandırılmasının nedeni, ışık yaymaması, emmemesi veya yansıtmamasıdır, bu da onu tespit etmeyi son derece zor hale getirir.
Peki bu madde nedir? Bilinmeyen temel bir parçacık türü olması gerektiğini düşünüyoruz, ancak bunun dışında emin değiliz. Şimdiye kadar yapılan laboratuvar deneylerinde karanlık madde parçacıklarının tespit edilmesi başarısız oldu ve fizikçiler onun doğası üzerinde on yıllardır tartışıyor.
Bilim adamları, karanlık madde için iki öncü hipotetik aday öne sürdüler: nispeten ağır karakterlere sahip zayıf etkileşimli büyük parçacıklar (veya WIMPs) ve son derece hafif parçacıklar olan aksiyonlar.
Teoride, WIMPs belirli parçacıklar gibi davranırken, aksiyonlar kuantum girişimi nedeniyle dalgalar gibi davranır.
Bu iki olasılık arasındaki farkı belirlemek zor olmuştur – ancak şimdi uzak galaksilerin etrafında bükülen ışık, bir ipucu sunmuştur.
Karanlık Maddenin Özelliklerini Anlamak
Evrendeki ışık yolculuğu sırasında büyük bir kütleye sahip bir cisim olan bir galaksiye yaklaştığında, yörüngesi bükülür. Çünkü Albert Einstein’ın genel görelilik teorisi uyarınca, büyük kütleye sahip cismin yerçekimi etkisi etrafındaki zaman ve uzayı bozar.
Sonuç olarak, bazen uzaktaki bir galaksiye baktığımızda, arkasındaki diğer galaksilerin bozulmuş görüntülerini görebiliriz. Ve eğer her şey mükemmel bir şekilde hizalanırsa, arka plandaki galaksinin ışığı, daha yakındaki galaksi etrafında bir halka şeklinde dağılabilir.
Bu ışık bozulmasına “yerçekimi merceklemesi” denir ve bu durumun yaratabileceği halkalara “Einstein halkaları” denir.
Halkaların veya diğer merceklenmiş görüntülerin nasıl bozulduğunu inceleyerek, astronomlar daha yakın galaksiyi çevreleyen karanlık madde halo’sunun özellikleri hakkında bilgi edinebilirler.
Axionlar Karanlık Madde İçin Daha Muhtemel Adaylar
İşte Amruth ve ekibi, yeni çalışmalarında tam olarak bunu yapmışlardır. Özellikle HS 0810+2554 adlı bir sistem olmak üzere, ön plandaki merceklenen galaksi etrafında aynı arka plan nesnesinin birden fazla kopyasının görüldüğü birkaç sisteme baktılar.
Ayrıntılı modelleme kullanarak, karanlık maddenin WIMP’lerden yapılmış olması durumunda görüntülerin nasıl bozulacağını ve karanlık maddenin aksiyonlardan yapılmış olması durumunda nasıl olacağını hesapladılar. WIMP modeli gerçek şeye çok benzemiyordu, ancak aksiyon modeli, sistemin tüm özelliklerini doğru bir şekilde yeniden üretti.
Sonuç, aksiyonların karanlık madde için daha olası bir aday olduğunu gösteriyor ve lensleme anomalilerini ve diğer astrofiziksel gözlemleri açıklama yetenekleri, bilim insanlarını heyecanlandırıyor.
Yeni araştırma, karanlık maddenin daha muhtemel formu olarak aksiyonları işaret eden önceki çalışmalar üzerine kurulmuştur.
Örneğin, bir çalışma, aksiyon karanlık maddesinin kozmik mikrodalga arka plan üzerindeki etkilerine baktı, diğer bir çalışma ise cüce galaksilerdeki karanlık maddenin davranışını inceledi.
Bu araştırma, karanlık maddenin doğası hakkındaki bilimsel tartışmaya henüz son vermese de, test ve deney için yeni yollar açmaktadır. Örneğin, gelecekteki yerçekimi merceklemesi gözlemleri, aksiyonların dalga benzeri doğasını incelemek ve potansiyel olarak kütlesini ölçmek için kullanılabilir.
Karanlık madde hakkındaki daha iyi bir anlayış, parçacık fiziği ve erken evren hakkında bildiklerimiz için sonuçlar doğuracaktır. Ayrıca galaksilerin zaman içinde nasıl oluştuğunu ve değiştiğini daha iyi anlamamıza da yardımcı olabilir.
Derin Okuma
- Amruth, A., Niemeyer, J. C., & Schwabe, B. (2023). Probing the wave-like nature of axion dark matter with strong gravitational lensing. Nature Astronomy. [Yeni çalışmanın orijinal kaynağı]
- Marsh, D. J. E. (2016). Axion cosmology. Physics Reports, 643, 1-79. [Aksiyonların kozmolojisi üzerine genel bir inceleme]
- Safdi, B. R., Slatyer, T. R., & Xu, W. (2020). Indirect detection of axion dark matter through black hole superradiance. Physical Review Letters, 124(16), 161301. [Aksiyon karanlık madde ve kara delik süperradyansı üzerine bir çalışma]
- Calabrese, E., Hlozek, R., Battaglieri, M., Fedderke, M., Marsh, D. J. E., & Xu, W. (2021). Constraining axion dark matter with CMB spectral distortions. Physical Review Letters, 126(1), 011303. [Aksiyon karanlık madde ve kozmik mikrodalga arka plan üzerine yapılan bir çalışma]
- Bullock, J. S., & Boylan-Kolchin, M. (2017). Small-scale challenges to the ΛCDM paradigm. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 55, 343-387. [Karanlık madde ve cüce galaksilerin davranışları üzerine yapılan bir çalışma]
Orijinal Makale: https://theconversation.com/new-look-at-einstein-rings-around-distant-galaxies-just-got-us-closer-to-solving-the-dark-matter-debate-204109
