Karanlık madde teorisi evrensel bir sabit ile çürütülebilir mi?

Galaksilerin dinamiğinde bilim insanlarının ilgisini çeken nedir?
Modifiye Newton Dinamiği
Yeni bir evrensel sabit olabilir mi?
Yorumlar

1970’lerde, galaksilerin dinamik özelliklerinin araştırma konusu olarak popüler olmadığı bir zamanda, Amerikalı kadın astronom Vera Rubin spiral galaksilerin dış katmanlarındaki yıldızların hız profillerinde Newton dinamiğine uymayan bazı gariplikler olduğunu gözlemlemişti. Spiral galaksilerin dış kollarındaki yıldızlar beklenenden çok daha yüksek hızlarda hareket etmesine rağmen galaksi dağılmıyor ve bu yıldızlar galaksilerdeki yörüngelerini koruyorlardı. Rubin, sürpriz sayılabilecek nitelikte veriler ortaya koymuştu ve bu beklenmedik durum kısa sürede bilim insanlarının dikkatini çekmeyi başardı.

Galaksilerin dinamiğinde bilim insanlarının ilgisini çeken nedir?

Hepimiz, eğitim hayatımızın bir bölümünde Newton’un, gezegenlerin hareketlerini matematiksel olarak açıkladığı hareket yasalarını görmüşüzdür. Evrende kütleye sahip tüm nesneler birbirini çekmektedir ve bu çekim kuvveti nesneler arasındaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır. Buradan yola çıkarak bir sistemdeki kütle merkezine yakın olan cisimlerin daha hızlı hareket ettiğini, kütle merkezine uzak nesnelerin ise daha yavaş hareket ettiğini kestirmekteyiz. Rubin’in gözlemleri doğrultusunda galaksilerin kütle merkezine uzak olan yıldızların, kütle merkezine yakın olan yıldızlarla benzer hızlara sahip olması yukarıda bahsettiğimiz kestirimlere tamamen ters düşmektedir. Problemin bir diğer ayağı ise Newton’un ikinci yasası (F=m.a) gereği kütle merkezinden uzak olan dış katmandaki yıldızların bu hız ve ivmeler ile galaksilerden nasıl kopmadığıdır. İşte Rubin’in çalışmaları sonucu bilim insanlarını bu alanda çalışmaya iten, bu problemlerdir.

Rubin’in gözlemlerinin hemen ardından birçok bilim insanı farklı galaksilerdeki yıldızların hareket profillerini incelemeye başladı. Gözlem sonuçları Rubin’in önceden yaptığı gözlemlerle ve son olarak hipotezini kanıtladığı Andromeda Galaksisi’ndeki yıldızların hareket profilleriyle büyük oranda örtüşüyordu. Fizikçilerin nur topu gibi bir gizemleri olmuştu. Bilim insanları bir süre sonra bu gizemi belirli hipotezler ile açıklama yoluna gittiler. Zaman içinde bu hipotezlerden iki tanesi ön plana çıktı. Bunlardan ilki ve en popüleri dış yörüngedeki yıldızların hızlarını ve galaksinin dağılmadan kalmasını sağlayan kayıp kütle hipotezidir. Bu hipoteze göre galaksiler, evrende var olan fakat elektromanyetik dalgalarla etkileşime girmeyen, sadece kütle çekimsel etkisini gözlemleyebildiğimiz; yani doğrudan değil dolaylı olarak gözleyebildiğimiz bir madde barındırıyordu. Bu maddeye ismiyle müsemma karanlık madde adı verildi. Hipoteze göre galaksilerin kütlesini büyük oranda karanlık madde oluşturmaktaydı. Bilim insanları bu hipotez doğrultusunda dış kollardaki yıldızların hareketini ve galaksilerin neden dağılmadığını açıklıyordu.

Modifiye Newton Dinamiği

Galaksilerin dinamiğini açıklamaya çalışan tek hipotez karanlık madde değildi. Karanlık maddeye alternatif birçok hipotez ortaya atıldı ve günümüzde hala alternatif teoriler üretilmektedir. Bu teorilerden en popüleri Mordehai Milgrom tarafından 1980’lerin başında ortaya atılmış Modifiye Newton Dinamiği’dir. Kısaca MOND olarak bilinen bu teoriye göre Newton’un ikinci yasası F = m.a oldukça uzak yörüngedeki nesneler için doğru çalışmamaktaydı. Milgrom bu teorisini ortaya atarken Newton dinamiğinin, Güneş Sistemi’ndeki nesnelerin hareketlerini açıklamakta yeterli olduğunu fakat çok daha büyük kütleli ve uzak cisimlerin kütle çekimsel etkileşimlerinde sınanmadığını vurgulamıştır.

Milgrom’a göre F = m.a formülünde yakın mesafeli cisimlerin kütle çekimsel hesaplamalarında ihmal edilebilecek bir µ fonksiyonu vardı ve bu fonksiyon büyük uzaklıklarda ihmal edilemeyecek bir niceliğe ulaşıyordu. Bu fonksiyon doğrultusunda Newton’un denklemini F = ma²/a₀olarak yeniden oluşturdu. Bu değişim sayesinde formülde kütle çekim ve merkezcil ivme formülleri yerine konulduğunda uzaklıktan bağımsız bir denklem elde edilebiliyordu. Milgrom dış yörünge yıldızların hareketini uzaklık parametresinden bağımsız olarak açıklamayı başarmıştı. Burada a₀ Milgrom’un denkleme yeni eklediği bir ifadeydi ve Milgrom bunu temel bir sabit olarak açıklıyordu. Hatta bu sabitin değerini elde ettiği gözlemlerden yola çıkarak istatistiksel olarak 1.2 × 10^-10 ms^-2olarak hesaplamıştı. Milgrom’un bu yaklaşımından yola çıkarak MOND temelli birçok yöntem ortaya atıldı.

MOND, karanlık madde teorisinin karşısında durmayı başarmıştı. Hatta Vera Rubin kendi teorisi olan karanlık maddeyi bir kenara bırakıp Milgrom’un yaklaşımının kendisini daha çok heyecanlandırdığını söylemişti. Bu gelişmelerin yaşanmasından günümüze kadar bu iki yaklaşım rekabetini sürdürdü ve popülerliklerini arttırdı. Süreç içerisinde karanlık maddeye yönelik daha çok kanıtlar elde edildi ve karanlık madde bilim insanlarınca daha çok benimsenmeye başlandı. MOND ise tam teşekküllü bir teori olmaması ve birçok konuya açıklık getirememesinin ardından bir miktar geri plana atıldı. Öncelikle MOND teorisinin relativistik versiyonu tam anlamıyla oluşturulamamıştı. Kütle çekimsel merceklenme, büyük patlama ve evrenin genişlemesi gibi pek çok konuda bir açıklaması yoktu. Karanlık maddenin açıklayabildiği birçok konuda MOND başarısız bir performans gösterirken, galaksilerin dinamiğini, yıldızların galaksiler içindeki hareketlerini karanlık maddeden daha iyi açıklıyordu. Özellikle cüce galaksilerin dinamiğini açıklamada MOND, karanlık maddeye göre fark yaratıyordu. Bunun yanına karanlık maddenin henüz gözlenemediğini de ekleyebiliriz.

Yeni bir evrensel sabit olabilir mi?

Milgrom’un yaklaşımının ana unsuru a₀ sabitiydi. Klasik Newton dinamiğinden, MOND dinamiğine dönüşümde bu sabit kritik bir öneme sahipti. Yeni bir evrensel sabit olup olmadığı ise merak konusuydu. Yeni bir araştırma a₀’nın evrensel bir sabit olup olmadığını açıklığa kavuşturmaya çalışıyor. Davi Rodrigues ve arkadaşları toplam 193 disk ve cüce galaksiyi inceleyip, bu alanda sayıca bugüne kadar yapılan en büyük gözlemin sonuçlarını Nature Astronomy dergisinde yayınladılar. Amaçları elde ettikleri veriler doğrultusunda MOND teorisinin belkemiğini oluşturan a₀ sabitini yüksek hassasiyette hesaplamaktı. İlk aşamada elde ettikleri değerler, önceden daha az sayıda ve daha az hassasiyette yapılan ölçümlere göre daha geniş bir aralık oluşturmaktaydı. Daha küçük bir aralıkla a₀ sabitini elde etmeyi umarken, daha geniş aralıkta a₀ değerleri elde etmeleri MOND yaklaşımının evrensel sabit iddiasının zayıfladığını göstermekte. Araştırmaya göre tüm galaksilerin elde edilen verilerinden oluşan bir ortalama a₀ değeri ise farklı çeşitlilikte pek çok galaksinin dinamiği ile örtüşmemektedir.

Daha önce de MOND yaklaşımının evrensel sabit iddiasının örtüşmediği araştırmalar yayınlanmasına rağmen bu büyüklükte bir araştırma ilk olarak yapıldı. Elde edilen veriler de bu açıdan büyük önem taşımakta. Araştırmacılar bu verilerle, farklı analiz yöntemleri kullanarak a₀ değerlerinin hesaplanması gerektiğini belirtiyorlar. Aynı şekilde galaksilerin hesaplama kullanılan kütle değerlerinin ve mesafelerin bir miktar belirsizlik içerdiği ve bunun hassas bir sabit hesaplamasını zorlaştıracağı belirtilenler arasında. Ölçümlere birçok anlamda hata karışmış olma ihtimali olmakla birlikte farklı senaryolar ile evrensel sabit elde edilme ihtimali de hala geçerli olabilir. MOND yaklaşımı bu araştırmanın ardından biraz daha kan kaybetmiş gibi görünüyor. Bununla birlikte iki yaklaşım arasındaki rekabet son hızıyla devam etmekte.