Evrenin üçte birinden biraz daha fazlası (yaklaşık yüzde 31’i) maddeden oluşuyor. Yürütülen yeni bir hesaplamada ise bu sayı doğrulanıyor. Astrofizikçiler uzun bir süredir, içinde yaşadığımız gerçekliğin büyük bir bölümünün maddi cisimlerden başka bir şeyden oluştuğunu düşünüyordu. Peki o halde madde tam olarak nedir?
Albert Einstein’ın genel görelilik kuramının en ayırıcı özelliklerinden biri de kütle ve enerjinin ayrılmaz olduğunu söylemesi. Kütlenin tamamı içsel enerji barındırıyor. Einstein’ın meşhur E = mc2 denklemi de buradan geliyor. Evrenbilimciler evrenin ağırlığını tarttığında, hem kütleyi hem de enerjiyi aynı anda ölçüyorlar. Ölçülen bu miktarın yüzde 31’i, görünür ya da görünmez maddeden oluşuyor.
Aradaki fark büyük önem taşıyor: Maddenin hepsi aynı değil. Aslında maddenin çok küçük bir kısmı görüp dokunabildiğimiz cisimlerden oluşuyor. Evren, çok daha tuhaf madde örnekleriyle dolup taşıyor.
Madde nedir?
“Madde”yi düşündüğümüzde, gördüğümüz cisimleri veya bu cisimlerin temel yapı taşı olan atomu gözümüzde canlandırabiliriz.
Atom kavramı yıllar geçtikçe evrimleşti. Tarihteki düşünürlerin, var oluşun temel bileşenlerine ayrılabileceğiyle alakalı karışık fikirleri vardı. Fakat modern atom fikrini andıran bir şey vardı ki, İngiliz kimyager John Dalton’ın eseriydi. Dalton, 1808 yılında maddenin bölünemeyen parçacıklardan oluştuğunu ileri sürmüştü. Farklı temel bileşikler (elementler), farklı boyut, kütle ve özelliklere sahip atomlardan ortaya çıkıyordu.
Bir Quaker öğretmeni olan John Dalton, her elementin belli atomlardan oluştuğunu ve eşyalardaki atomların ağırlık oranının, tepkimeye giren maddelerin oranıyla aynı olacağını öne sürmüştü.
Bu elementlerin birleşimi, daha karmaşık kimyasal bileşenler ortaya çıkarıyordu. Kimyager Dimitri Mendeleev 1869 yılında ilkel bir periyot tablosu oluşturduğunda, içinde 63 element vardı. Bugün 118 elementi sınıflandırmış durumdayız.
Ancak keşke bu kadar basit olsaydı. 20’nci yüzyılın başlarından beri fizikçiler, atomların içinde daha küçük yapı taşlarının gezdiğini biliyordu: Negatif yüklü türbülanslı elektronlar ile pozitif yüklü protonlardan ve nötr nötronlardan oluşan, gizlenmiş çekirdekler vardı. Artık her elementin, belli sayıda proton içeren atomlara karşılık geldiğini de biliyoruz.
Fakat durum hâlâ bu kadar basit değil. Yüzyılın ortası itibariyle fizikçiler, proton ve nötronların aslında kuark adı verilen çok daha ufak parçacıkların bileşimleri olduğunu fark etmişlerdi. Daha detaylı konuşmak gerekirse protonlar ve nötronların her biri üç kuark içeriyordu: Fizikçiler bu dizilim şekline baryon adını veriyor. Bu sebeple protonlar, nötronlar ve bunların oluşturduğu maddeler (gündelik yaşamlarımızdaki şeyler) çoğu zaman “baryonik madde” biçiminde adlandırılıyor.
Gökyüzündeki tuhaf madde
Gündelik dünyamızda, baryonik madde genelde dört halden biri olarak karşımıza çıkıyor: Katı, sıvı, gaz ya da plazma.
Ancak yine madde bu kadar basit bir şey değil. Uç derecedeki koşullar altında, daha tuhaf hallere bürünebiliyor. Yeterince yüksek basınçta maddeler, aynı anda hem sıvı hem gaz olan süperkritik akışkanlar haline gelebiliyor. Yeterince düşük sıcaklıklarda ise birden fazla atom yekvücut oluyor ve Bose-Einstein yoğunlaşması meydana geliyor. Bu atomlar tek bir atom gibi davranıp, kuantum aleminin her türden ilginç davranışını sergiliyor.
Bu gibi egzotik durumlar laborutavara özgü değil. Bunun için nötron yıldızlarına bakmanız yeterli. Henüz pes etmemiş çekirdekleri, süpernova halinde patladıkları zaman çöküp kara deliklere dönüşecek kadar ağır değil. Bunun yerine, çekirdekleri büzüştükçe, yoğun kuvvetler atom çekirdeklerini parçalıyor ve ortaya çıkan bu enkazı havanda döver gibi eziyor. Sonuç olarak dev bir nötron topu meydana çıkıyor ve çok ama çok yoğun oluyor. Elektronları çeken protonlar da bu süreçte nötrona dönüşüyorlar. Sadece bir çay kaşığı kadar nötron yıldızının ağırlığı bir milyar ton tutar.
Sadece Samanyolu galaksisinde yüz milyonlarca nötron yıldızı olabilir. Bazı bilim insanları, bu yıldızların derindeki merkezlerinde nötronları da parçalayacak kadar yüksek basınç ve sıcaklıkların olduğunu düşünüyor. Bu nötronlar, kendilerini oluşturan kuarkları koparabilir.
Fizikçiler nötron yıldızları üzerinde çalışarak, bu cisimler hakkında ve evrenin başlangıcında ne gerçekleştiğine yönelik daha fazla şey öğrenmeye çalışıyor. Etrafımızda gördüğümüz madde her zaman yoktu; Büyük Patlama’nın sonrasında oluştu. Atomlar oluşmadan önce, protonlar ve nötronlar evrende yalnız başına geziyordu. Çok daha öncesinde, proton ve nötronlar henüz yokken ise her şey, süper sıcak bir kuark bulamacıydı.
Bilim insanları bu manzarayı parçacık hızlandırıcılarda belli bir biçimde yeniden oluşturabiliyor. Fakat saniyenin çok küçük bir bölümü kadar süren bu durum, birdenbire ortadan kayboluyor. Olağanüstü derecede uzun ömürlü nötron yıldızlarıyla kıyaslanamaz bile. San Diego Eyalet Üniversitesinde çalışan fizikçi Fridolin Weber, “Aslında sonsuza kadar var olan bir laboratuvarınız varmış gibi” diyor.
Evrenin büyük tablosunda madde
Gökbilimciler, geride bıraktığımız onlarca yılda evrenin temel parametlerini anlamak için çeşitli yollar geliştirdiler. Evrenin büyük ölçekli yapısını inceleyebiliyor ve görebildikleri maddenin yoğunluğunda meydana gelen hafif dalgalanmaları belirleyebiliyorlar. Cisimlerin kütleçekiminin, geçen ışığı nasıl büktüğünü izleyebiliyorlar.
Madde yoğunluğunu (evrendeki görünür ve görünmez madde oranını) ölçmenin belli bir yolu da, büyük patlamadan kozmik mikrodalga arka plan ışımasını ayırmak. Avrupa Uzay Ajansının Planck Gözlemevi, 2009’dan 2013 yılına kadar bu art ışımanın haritasını çıkararak madde yoğunluğunun şimdiye kadarki en iyi hesaplamasını sundu: Yüzde 31.
Yapılan en son araştırmada, kütle zenginlik ilişkisi adı verilen farklı bir yöntem kullanıldı. Bu çalışmada bilim insanları galaksi kümelerini inceleyerek, her bir kümede ne kadar galaksi bulunduğunu saydı ve yaptıkları bu hesaplamayı her grubun kütlesiyle karşılaştırarak, madde yoğunluğunda ters mühendislik uyguladı. Yöntem yeni olmasa da, şimdiye kadar ham kalmış ve geliştirilmemişti.
Riverside – California Üniversitesinde çalışan ve 13 Eylül’de The Astrophysical Journal bülteninde yayımlanan makalenin yazarlarından olan astrofizikçi Gillian Wilson, “Bildiğim kadarıyla çalışmamızı yürüttüğümüzde, Planck ile çok iyi uyuşan bir sonuç ilk defa kütle zenginlik ilişkisi kullanılarak ortaya çıkarılmıştı” diyor.
Fakat unutmayın, iş o kadar basit değil. Sadece küçük bir kısım (maddenin yaklaşık yüzde 15’i veya evrenin yüzde 3’ü olduğu düşünülüyor) görülebiliyor. Geri kalanı ise çoğu bilim insanına göre karanlık madde. Karanlık maddenin kütleçekimde bıraktığı dalgalanmaları tespit edebiliyoruz. Fakat bunu doğrudan gözlemleyemiyoruz.
Sonuç olarak, karanlık maddenin ne olduğunu pek bilmiyoruz. Bazı bilim insanları karanlık maddenin baryonik madde olduğunu, sadece kolaylıkla göremeyeceğimiz bir halde bulunduğunu düşünüyor: Belki de, örneğin evrenin ilk zamanlarında oluşan kara deliklerdir. Diğerleri ise tanıdığımız maddeyle neredeyse hiç etkileşime girmediği düşünülen parçacıklardan oluştuğuna inanıyor. Bazı bilim insanlarına göre de ikisinin karışımından meydana geliyor. Bazılarıysa karanlık maddenin hiç var olmadığı görüşünde.
Eğer varsa onu, evrenin çok daha büyük bölümlerini tarayabilen ve kozmik tarihteki farklı zamanlarda çok daha geniş bir galaksi çeşitliliğini görebilen eROSITA, Rubin Rasathanesi, Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu ve Euclid gibi yeni nesil teleskoplarla görebiliriz. Riverside – California Üniversitesinde çalışan ve makalenin yazarlarından biri olan Muhammed El Haşaş, “Bu yeni gözlemler, evrenin tamamına ve onu oluşturan maddeye daha farklı bakmamızı sağlayabilir” diyor. “Kişisel olarak ben bunu bekliyorum.”
Yazar: Rahul Rao/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
