Karanlık Enerji: En Büyük Kozmik Gizem
Karanlık enerji kozmosun üçte ikisini kapsar, ancak hakkında sadece tahminlerde bulunabiliyoruz. Karanlık enerji yeni bir alan mı, yeni bir kuvvet mi yoksa kendi cehaletimizin gücü mü?
Önceki yüzyılın ortalarında, gizemli bir failin evrendeki cisimleri birbirlerinden uzaklaştırmakta olduğunu fark ettik. Bu faktör her yerde ama onu göremiyoruz. Evrenin üçte ikisinden fazlasını oluşturduğu olgusuna rağmen, ne olduğu, nereden geldiği veya neden yapıldığı hakkında hiçbir fikrimiz yok. Bu en esrarengiz tatsız şeye en azından bir isim ver- dik: karanlık enerji. Son yıllarda, bu arayış, patlayan yıldızlar ve çok eski galaksi kümeleri arasında izlerini sürmeyi amaçlayan yeni gökyüzü araştırmalarıyla birlikte hız kazanıyor. Bazı fizikçiler karanlık enerjiyi laboratuvarda yakalamaya çalışırken, uzay araştırmaları ve dünyadaki devasa teleskoplar yakında araştırmaya katılacak. Şimdiye kadar karanlık enerji hakkında öğrendiğimiz üç şey var:
1 İtme kuvvetine sahip
1998'de, bazı süpernova patlamalarının beklenmedik ölçüdeki sönüklüğü, bize beklediğimizden daha uzakta olduklarını gösterdi. Uzay, bir noktada, maddenin kütleçekimine karşı hareket eden Evren Nasıl Ortaya Çıktı? bir itme kuvveti tarafından dışa doğru itiliyormuş gibi, daha hızlı genişlemeye başlamış görünüyor.
2 Karanlık enerjiden çok var
Galaksilerin hareketi bize evrende ne kadar maddenin ortalıkta olduğunu söylerken, kozmik mikrodalga arka plan ışıması, madde artı enerjinin toplam yoğunluğunu çözmemize olanak sağlıyor. Bu ikinci sayı çok daha büyük. Evrenin yaklaşık yüzde 68'i madde olmayan, enerji içeren, iten bir formdadır.
3 Bu, karanlık enerjiyi yüzlerce farklı ve fantastik forma dönüştürmüş olan fizikçilerin yaratıcı zihinleri için mükemmel bir yakıttır
Karanlık enerji neden itiyor?
Kütleçekiminin bir şeyleri çekip bir araya getirmesine alışkınız, bu yüzden dışa doğru iten kozmik bir kuvvet keşfetmek rahatsız edici bir şeydir. Vakum enerjisi başka yönlerden de tuhaftır: Uzay genişledikçe, giderek daha fazla karanlık enerji, giderek daha fazla enerjiye karşılık gelir. Gerdiğinizde enerji kazanan bir yay veya lastik bant gibi davranır. Başka bir deyişle, vakum enerjisi gerilim altındadır. Ancak gerilim altındaki bir şeyin itme yerine çekme uygulaması gerekmez mi? Bu noktada sezgimiz başarısız olur. Genel görelilik teorisinde, kütleçekiminin nasıl davrandığını söyleyen şey sadece enerji değil, aynı zamanda basınçtır. Yüksek basınç kütleçekimi üretir ve buna karşılık, gerilim itme anlamına gelir. Açıkçası, bu tatmin edici bir açıklama değil. Lise fiziği sizi ancak yarı yola kadar, karanlık enerjinin gerilime sahip olduğu fikrine kadar götürür ve daha sonra bir görelilik mucizesi meydana gelerek bu gerilimi itici kılar. Karanlık enerjinin gerçekte ne olduğunu bulma arayışında bir yerde, belki de neden ittiğini açıklamanın iyi bir yoluna rastlayacağız.
Kozmolojik sabit
Bu varsayımsal canavarların en ehlisi kozmolojik sabittir ve o bile vahşi bir şeydir. Bu, Einstein'ın genel görelilik kuramı içinde itici bir kütleçekimi yaratan, uzayın doğasında olan bir enerji yoğunluğudur. Uzay genişledikçe, bu enerji yoğunluğu gittikçe artarak itme kuvvetini, giderek daha fazla saçılan maddenin kütleçekimine göre daha güçlü hale getirir. Parçacık fiziği bunun kökenini, kabarcıklanan, belirsiz kuantum vakumunda bir görünüp bir kaybolan sanal parçacıklardan sağlayabilir. Sorun şu ki, bu parçacıklar çok fazla enerjiye sahipmiş gibi görünmektedir (En basit hesaplamada, kilometre küp başına yaklaşık 10120 jul). Bu feci tutarsızlık bazı alternatif teorilere yer bırakıyor. Karanlık enerji, uzaya nüfuz eden, zamanla değişen ve hatta belki de farklı yerlerde kümelenen bir enerji alanı türü olabilir. Kütleçekiminin uzun mesafede iten değişik bir şekli olabilir. Bir teoride, karanlık enerji, gözlemlenebilir evrenden trilyonlarca kat büyük radyo dalgaları şeklini alır. Ya da bundan daha da egzotik bir şey olabilir. Gökbilimciler karanlık enerjinin zaman içinde değişip değişmediğini öğrenmek istiyorlar. Eğer değişiyorsa, yoğunluğu değişmeden kalacak olan kozmolojik sabit elenirdi. Değişiklik yapılmış çoğu kütleçekimi teorisinde, karanlık enerjinin yoğunluğu da değişkendir. Hatta bir süreliğine yükselip sonra düşebilir ya da tam tersi olabilir. Evrenin kaderi bu dengede asılıdır. Eğer karanlık enerji sabit kalırsa, kozmosun çoğu hızlanıp ayrılarak bizi kozmosun geri kalanından sonsuza dek kopmuş küçük bir ada evreninde bırakır. Eğer yoğunlaşırsa, zamanla tüm maddeyi “"büyük bir girdapta" parçalayabilir, hatta burada ve şimdi uzayın doku- sunu dengesizleştirebilir. Ağırlıklı olarak süpernova gözlemlerine dayanan günümüzdeki en iyi tahminimiz, karanlık enerjinin yoğunluğunun oldukça istikrarlı olduğu yönündedir.
Gölgeler peşinde
Karanlık Enerji Araştırması, gökyüzünün geniş bir alanı boyunca karanlık enerjinin çeşitli göstergelerini araştırmayı amaçlamaktadır. Bu girişimde çalışan araştırmacılar Şili'deki Cerro Tololo Amerikan Gözlemevi'nde, özel olarak tasarlanmış kızılötesine duyarlı bir kameraya bağlı, 4 metre genişliğindeki Victor M. Blanco teleskobunu kullanıyor. Araştırma daha birçok süpernova yakalayacak. Her yıldız patlamasının görünen parlaklığı, ne kadar süre önce meydana geldiğini bize gösterir. Işığın bize ulaşma süresinde, uzayın genişlemesiyle dalga boyu ya uzamış ya da kızıla kaymış olur. Bu iki şeyi bir araya getirdiğimizde zaman içindeki genişlemeyi belirleyebiliriz. Araştırma ayrıca birkaç yüz milyon galaksinin konumlarını ve bizden olan mesafelerini gösteren karmaşık bir gökyüzü haritası da çizecek. Yeni doğan kozmosun etrafında yankılanan dalgaları, geniş galaksi süper kümelerine karakteristik bir ölçek verdi. Süper kümelerin görünen büyüklüğünü ölçerek evrenin genişleme tarihine dair yeni bir bakış açısı kazanabiliriz.
Megaskoplar
DES topu topu bir grup karanlık enerji avcisının lideridir. Birleşik Devletler liderliğindeki bir proje olan Büyük Sinoptik Araştırma Teleskopu’nun 2021 civarında büyük gözüne açması bekleniyor. Şili'deki Avrupa Büyük Teleskopu gibi diğer megaskopların, Kilometrekare Dizisi ile aşağı yukan aynı zamanlarda faaliyete geçmesi gerekir. Kilometrekare Dizisi, Avustralya ve Güney Afrika’da bulunan ve hidrojen bulutlarının radyo ışıltısıyla kozmik yapının izini sürecek muazzam bir kozmik radyo alıcısıdır. 2020ʻde Avrupa Uzay Ajansı, daha da eski kozmik zamanlardaki kütleçekimsel kırılmaları ve galaksi kümelerinin izini sürecek olan Euclid adlı bir karanlık enerji arama uzay çalışmasını başlatmayı planlıyor. Ardından birkaç yıl sonra NASAʼnın Geniş Alan Kızılötesi Araştırma Teleskobu gelecektir. Uzayda bu kovalamaca heyecan verici olacak, ama hedef yine de bizi atlatabilir. Eğer karanlık enerjinin zaman içinde sabite yakın bir yoğunluğu sürdürdüğünü bulursak, bu kozmolojik sabiti destekliyor gibi görünebilir, fakat bu, sabite yakın bir yoğunluğa sahip olan bazı töz alanlarını dışlamaz. Sonuç olarak, bazı fizikçiler, dünyada karanlık enerji için tuzaklar kuruyor. Eğer yeni bir alan ya da parçacığı karanlık enerji olarak öne sürerseniz, o zaman bu zamanda kütleçekiminden, elektromanyetizmadan ve nükleer kuvvetler Karanlık Enerji den ayrı olarak- yeni bir kuvvetin taşıyıcısı olarak da işlev görecektir.
Ancak Güneş sistemimizde gezegen yörüngelerini etkileyen böyle bir şey görmüyoruz. Pek çok kuramcı, Güneş'in çevresi gibi nispeten yoğun olan ortamlarda beşinci kuvveti zayıflatan bir tarama mekanizması ekleyerek bundan kurtuluyor.
Kolektif kuantum dalgaları
İngiltere'deki Nottingham Üniversitesi'nden Clare Burrage, bu etkiyi laboratuvarda araştırabileceğimizi fark etti. Burrage ve çalışma arkadaşları, bir kolektif kuantum dalgasında birlikte salınan Bose-Einstein yoğuşması adı verilen bir soğuk atom bulutu kullanmayı amaçlıyor. Bazı karanlık enerji formlarının, bu salınımın frekansını çok az yavaşlatması gerekir, bu nedenle ekip bir yoğuşmayı ikiye ayırmayı ve bu parçalardan birinin yakınına yoğun bir nesne yerleştirmeyi planlıyor. Nesne karanlık enerjiyi filtrelerse, iki parçadaki dalgalar senkronizasyondan çıkar ve tekrar bir araya getirildiklerinde iki yoğuşma parazit yapar. Bu deneyin bir versiyonu, Berkeley'deki California Üniversitesi'nden Paul Hamilton'ın ekibi tarafından halihazırda gerçekleştirilmiştir; ancak şimdiye kadar, filtrelenmiş karanlık enerjiye dair bir belirti yoktur. Seattle'da bulunan Washington Üniversitesi'ndeki, Eöt-Wash burulma sarkaç deneyi diğer kozmik itme kuvveti bi- çimlerini araştırıyor. Bir teoriye göre, bir milimetreden küçük ekstra uzay boyutları, karanlık enerjiye ev sahipliği yapabi- lir. Bu aynı zamanda bu ölçeklerdeki kütleçekimi kuvvetini de artırır. Simetron olarak adlandırılan bir çeşit perdelenmiş töz, benzer şekilde küçük ölçekli bir ekstra kuvvet – Eöt-Wash Sarkaçlarının ince kıvrımlarının ortaya çıkarması gereken çok küçük bir etki – üretir.
Bu arada, 2016 yılında Princeton Üniversitesi'nden Michael Romalis ve New Hampshire, Hanover'daki Dartmouth College'dan Robert Caldwell sıradan foton veya elektronların karanlık enerjiyi çok hafifçe bile olsa hissedebildikleri takdirde dünya üzerindeki bir manyetik alanın ufak bir elektrostatik yük oluşturması gerektiğini öne sürdüler. Bunu için tasarlanan bir aparatın çok hassas olması gerekmesine yapması rağmen, bu etkinin belirlenmesi potansiyel olarak basittir. Yakında aramanın biteceğini düşünen kişi sayısı çok az. Yirmi yıldır devam eden muammadan sonra, karanlık enerjinin kimliğine dair elimizde hiçbir ipucu yok. Ancak işin iyi tarafı, ipuçlarının nerede olabileceğine dair bazı ipuçlarımız var.
Karanlık Enerji Bir Yanılsama mı?
Standart kozmoloji modeli, büyük patlamanın kalıcı görüntüsündeki örüntülerden galaksilerin evrimine kadar her şeye düzen getiriyor. Fakat bunu ancak var olan her şeyin dörtte birine karşılık gelen görünmeyen karanlık maddenin kuvvetlerini ve evrene hâkim görünen, gizemli genişleme kuvveti karanlık enerjiyi kullanarak yapabilir. Yine de karanlık enerjinin gücü, bazılarının iddiasına göre, yanılsamadan başka bir şey değildir. Bu çatışmanın özünde, evrenin, nerede olursanız olun veya hangi yöne bakarsanız bakın, hemen hemen aynı olduğunu belirten kozmolojik ilke yatmaktadır. Evrenin esas uygulanabilir modellerini, genel göreliliğin kötü şöhretli zorlu denklemlerinden elde etmeye çalışırken bunun bir lütuf olduğu ortaya çıktı. Bu denklemlerin bir tarafında uzay ve zamanı eğen şey- lerin matematiksel terimleri vardır: Madde, enerji ve basınç. Diğer tarafta ise etkilerinin tanımları vardır: Uzay-zamanın ne kadar hızlı genişlediği ve eğriliği.
Kozmolojik bir model oluşturmak, bütün bu terimleri evrenin tümü için dengelemek anlamına gelir; doğru genişleme ve eğriliği üretecek doğru miktarda madde. Kozmologlar bu işi daha yönetilebilir kılmak için, maddenin ve enerjinin eşit olarak yayıldığı ve zaman veya uzayda değişmeyen genel bir ortalama eğriliğin olduğu tekbiçimli bir evren varsayıyorlar. Bu da bizi düzgün, genişleyen kozmosları tanımlayan denklemlerin çözümlerine götürür: standart büyük patlama evren modeli. Modele birkaç kez ince ayar yapılmak zorunda kalınmış- tır. Galaksilerin ve galaksi kümelerinin, içerdikleri görünür madde miktarına göre çok hızlı döndüklerinin keşfedilmesi, karışıma karanlık madde eklenerek çözüldü. Ardından, 1998 yılında genişlemenin hızlandığını gördük. Modeldeki madde ve enerji tarafına bir sabit veya sabite yakın bir terim eklediğinizde denklemleri dengeleyerek genişlemesi hızlanan düz bir evreni yeniden üretebilirsiniz. Ama model, evrendeki toplam enerjinin neredeyse yüzde 70'ine karşılık gelmesini gerektirse de bu terimin gerçekte ne olduğunu kimse bilmiyor. Bu ortodoksi, isyancıların baltalamaya çalıştığı şeydir. Şöyle diyorlar: Evrenin tekbiçimli ve değişmez bir şekilde düz olduğu varsayımından vazgeçtiğinizde karanlık enerjiyi ve muhtemelen karanlık maddeyi de bertaraf edebilirsiniz.
Galaksi tohumları
Halihazırda kozmik mikrodalga arka planında kütleçekim kuvvetinin zamanla inşa ettiği galaksi ve galaksi kümelerinin tohumlarını görürsünüz. Evren geliştikçe, aşırı yoğun bölgelerden oluşan bir ağ yavaş yavaş, bu bölgelerin aralarında açılan muazzam düşük yoğunluklu boşluklar ile birlikte oluşmuştur. Maddenin değişmekte olan bu dağılımı, etrafındaki uzay-zamanda ne gibi bir etki yarattı? Galaksi ve galaksi kümelerinin ekstra kütlesinin, yakındaki uzay-zamanın eğriliğini artırarak daha pozitif hale getirmesi gerekir.
Thomas Buchert
Bu esnada boşluklar, onların yerel uzay-zamanlarının diğer şekilde eğilmesine yol açarak negatif bir eğrilik verecektir. Fransa'daki Claude Bernard Lyon 1 Üniversitesi'nden Thomas Bucherťe göre, ortaya çıkan eğrilik, sanki orada fazladan bir şeyler varmış gibi görünmesini sağlayarak karanlık madde yanılsamasına yol açabilir. Ancak Bucherť’in vurguladığı gibi bu olasılık dışıdır. Diğer kanıtlar bizi karanlık maddenin var olması gerektiği sonucuna götürür ve bunlardan bazılarına (evrenin ilk yıllarındaki kozmik mikrodalga arka planına etki eden ses dalgası örüntüleri gibi) bu yolla makul bir açıklama getirilemez. Karanlık maddenin bir kenara atılması zor olsa da isyancılar, daha büyük bir hedef olan karanlık enerjiye yönelmiştir. Finlandiya'daki Helsinki Üniversitesi'nden Syksy Räsänen madde ile uzay-zaman arasındaki bu yerel “geri tepme" etkilerinin, bir bütün olarak evrenin geometrisini de değiştirebileceğini öne sürüyor. Madde kümeleri giderek dana yoğun, daha kompakt yapılar haline geldikçe, evrenin boşluk oranı artarak genel ortalama eğriliğini negatif bölgeye itiyor. Eğriliği zaman içinde negatifleşen bir evrende, ışınları çarpık hale gelecek ve nesneler düz bir Paralel uzay-zamana kıyasla daha uzak görünecektir. Dolayısıyla hızlanan genişleme ve karanlık enerjinin olmadığı modeller oluşturabilirsiniz.
Bu başka bir problemi de ortadan kaldırır. Standart modelde, karanlık enerjinin etkilerinin neden sadece aşağı yukarı 5 milyar yıl önce, evrenin başlangıcından yaklaşık 9 milyar yıl sonra gerçekleştiğini açıklamak zordur. Bu çok önemli bir noktadır: Karanlık enerji daha önce hâkim olmuş olsaydı, Savrulmuş evren o kadar hızlı bir şekilde savrulurdu ki ne miz ne hayat ne de evrenin uygun modellerini merak eden fizikçiler olurdu. Geri tepki ile açıklanacak bir şey yoktur: 5 milyar yıl öncesi, yapıların gitgide artan evrimindeki, boşlukların hâkim olmaya başladığı ve genel eğriliğin negatifleştiği noktadır. Savında ılımlı olan Räsänen, karanlık enerji davasının makul şüphelerin ötesinde tesis edilmediği sonucuna varır. Yeni Zelanda, Christchurch'deki Canterbury Üniversitesi'nden David Wiltshire gibi diğerleri ise daha açık sözlüler, karanlık enerjinin olmadığını iddia ediyorlar. Wiltshire, Buchert ve diğer geri tepki taraftarları mevcut gözlemleri karanlık enerji içermeyen modellere uydurabileceklerini söylüyorlar. Kesin olarak öğrenmenin en iyi yolu, gerçeğe uygun bir yumrulu evrenin evrimini taklit eden genel görelilik modelleri oluşturmak olacaktır. Yakın zamana kadar, böyle bir girişimin muazzam bilgisayar hesaplamaları gerektirmesi yüzünden bu olanaksızdı. Ancak şimdi Ohio, Cleveland'daki Case Western Reserve Üniversitesi'nden Glenn Starkman ve Ohio, Gambier'deki Kenyon College'dan Tom Giblin'in önderliğindeki iki takım, genel görelilik teorisinin tam gücünü kullanarak evrenin sayısal simülasyonlarını yapmaya başlamıştır. İlk sonuçlar, geri tepki etkilerinin yerel genişleme oranlarını etkilediğini, ancak evrenin genel eğriliğini o kadar değiştirecek ve gözlemlenen ivmeyi meydana getirecek kadar güçlü olmadıkları izlenimini uyandırmaktadır.
Wiltshire bu modellerin uzay-zamanın ortalama eğriliğinin zaman içinde gelişmesine olanak sağlamadığına işaret ediyor. Starkman'ın kendisi de modellerin halen ham olduğuna dikkat çekiyor: Maddenin dağılımı hâlâ tamamen gerçeğe uygun olacak kadar ince taneli değil ve madde de parçacıklar değil akışkan olarak modelleniyor. Şimdilik, en azından, geri tepkiyi savunanlar karanlık enerji modeline karşı mücadeleden vazgeçmiyorlar.
Kaynak: New Scientist, Evren Nasıl Ortaya Çıktı? Mihriban Doğan, SAY, 2019.