Samanyolu’nda karanlık madde izi

Tokyo Üniversitesi’nden gökbilimci Tomonori Totani, NASA’nın Fermi Gama Işını Uzay Teleskobu’nun on beş yıllık verilerini yeniden inceleyerek, galaksimizin merkezine doğru uzanan, haloya benzeyen dev bir yapıdan 20 gigaelektronvolt (20 GeV) enerjili gama ışınları geldiğini buldu. Bu parıltının uzaydaki dağılımı, teorik olarak karanlık madde hâlesinin nasıl görünmesi gerekiyorsa ona neredeyse bire bir uyuyor.

KARANLIK MADDE NEDİR?

Karanlık madde, evrendeki maddenin büyük kısmını oluşturduğu düşünülen, ancak ışık yaymadığı ve soğurmadığı için doğrudan göremediğimiz, görünmez bir madde türü. Galaksilerin, sahip oldukları görünür maddeden çok daha hızlı döndüğünü fark eden İsviçreli gökbilimci Fritz Zwicky, 1930’larda bu görünmez “fazladan kütlenin” varlığını ilk kez ortaya atmıştı.

Bugün yapılan hesaplamalara göre bildiğimiz “normal” madde, evrendeki toplam maddenin yalnızca yaklaşık yüzde 16’sını oluşturuyor; geri kalan yaklaşık yüzde 84’ün karanlık maddeden gelmesi gerekiyor. Yani etrafımızdaki galaksileri bir arada tutan, görünmeyen dev bir iskelet var ve biz onu hâlâ neyle açıklayacağımızı bilmiyoruz.

Karanlık maddenin ne olduğu konusunda en popüler fikirlerden biri, zayıf etkileşen dev parçacıklar, yani WIMP’ler. Bu hayali parçacıklar, normal maddeyle neredeyse hiç etkileşmiyor; ancak kendi aralarında çarpışıp birbirlerini yok ettiklerinde ortaya başka parçacıklar ve çok enerjik gama ışınları çıkması bekleniyor.

YENİ ANALİZ NE GÖSTERİYOR?

Totani’nin yaptığı şey, Fermi teleskobunun Samanyolu’nun hâlesine, yani galaksinin görünen diskinin çok ötesine bakan verilerini alıp tek tek temizlemek. Önce bilinen tüm gama ışını kaynakları -galaksinin ortasındaki yoğun bölge, Fermi baloncukları, kozmik ışınların gazla çarpışması, noktasal kaynaklar gibi- modellerle çıkarılıyor. Geriye “artık” kalan, kaynağı belli olmayan gama ışınları bir harita hâline getiriliyor.

Bu haritada ortaya çıkan şey, galaksinin merkezine odaklı, büyük, küresel ve çok sönük bir parıltı: Hâleye benzeyen bir gama ışını ışıması. Enerji dağılımına bakıldığında bu parıltı birkaç GeV’den başlayıp 20 GeV civarında keskin bir zirve yapıyor, sonra tekrar düşüyor. Bu eğri, karanlık madde WIMP’lerinin yok oluşundan beklenen teorik eğriyle neredeyse çakışıyor.

Analize göre bu sinyali en iyi açıklayan WIMP’ler, protondan yaklaşık 500 kat daha ağır parçacıklar. Ayrıca hesaplanan yok olma sıklığı da tüm belirsizliklere rağmen teorik tahminlerle uyumlu aralıkta.

Totani, makalesinde Samanyolu hâlesinde bulunan bu “20 GeV fazlasının”, karanlık madde parçacıklarının birbirini yok etmesinden kaynaklanıyor olabileceğini, kullanılan farklı arka plan modelleri ve sistematik hata kontrollerine rağmen sinyalin kalıcı göründüğünü savunuyor. Çalışma, saygın Journal of Cosmology and Astroparticle Physics dergisinde yayımlandı.

‘İLK KEZ KARANLIK MADDEYİ GÖRDÜK OLABİLİRİZ’

Totani’ye göre eğer yorum doğruysa bu sonuçlar, insanlığın karanlık maddeyi ilk kez “görmüş” olabileceği anlamına geliyor. Çünkü bu durumda gördüğümüz şey, bu görünmez maddenin yok oluşundan doğrudan gelen gama ışınları olacak. Karanlık maddeyi oluşturan parçacıkların kütlesine kadar uzanan ayrıntılarıyla, Standart Model’de yer almayan yeni bir parçacık ailesine işaret ediyor.

Bu da hem gökbilim hem parçacık fiziği için tarihi bir dönüm noktası sayılabilir. Neredeyse yüz yıldır süren “Evrendeki kayıp kütle ne?” sorusuna ilk kez somut bir parçacık adayı gösterilmiş oluyor.

BİLİM İNSANLARI TEMKİNLİ

Ancak diğer araştırmacılar, “ilk doğrudan kanıt” ifadesine temkinli yaklaşıyor. Çünkü bu tür bir sinyalin gerçekten karanlık maddeden kaynaklandığını söyleyebilmek için önce olası tüm “sıradan” astrofiziksel açıklamaları dışlamak gerekiyor.

Bazı uzmanlar, Samanyolu çevresindeki cüce galaksilerin de benzer şekilde karanlık madde açısından zengin bölgeler olduğunu, ancak buralarda şimdiye kadar böyle güçlü bir gama ışını sinyali görülmediğini hatırlatıyor. Bu da, hâle sinyalinin karanlık maddeyle açıklanmasını zorlaştıran bir nokta olarak öne çıkıyor.

Öte yandan Fermi verilerinin oldukça karmaşık olduğu, arka plan ışımasının tam olarak modellenmesinin de zor bir iş olduğu vurgulanıyor. Başka araştırma gruplarının aynı veriyi farklı yöntemlerle analiz edip benzer bir sinyal bulup bulamayacağı, önümüzdeki yıllarda yakından izlenecek.

SIRADAKİ ADIM: BAŞKA GÖKLERDE İZ SÜRMEK

Bu noktada bilim insanlarının elindeki en iyi test, aynı enerjiye ve aynı “şekle” sahip bir gama ışını parıltısını evrendeki başka karanlık madde yoğun bölgelerde de aramak olacak. Özellikle Samanyolu’nun etrafındaki cüce galaksiler ve kümeler, arka plan ışımasının daha az olduğu, bu yüzden sinyali daha net görebileceğimiz laboratuvarlar gibi.

Eğer 20 GeV civarında zirve yapan benzer bir hâle parıltısı bu gökcisimlerinde de yakalanırsa, Totani’nin iddiası çok daha güçlü hâle gelecek. Aksi durumda, bugün “karanlık madde için en güçlü iz” dediğimiz şey, modellerdeki bir eksiklik ya da henüz anlamadığımız başka bir gök cismi nüfusuyla açıklanabilir.