Uzak galaksilerin etrafındaki ‘Einstein halkalarına’ yeni bakış, bizi karanlık madde tartışmasını çözmeye daha da yaklaştırdı.

Fizikçiler, evrendeki maddenin çoğunun, yalnızca görebildiğimiz yıldızlar ve galaksiler üzerindeki dolaylı etkilerinden bildiğimiz görünmez bir maddeden oluştuğuna inanıyor.

Biz deli değiliz! Bu “karanlık madde” olmadan, gördüğümüz şekliyle evrenin bir anlamı olmazdı.

Ancak karanlık maddenin doğası, uzun süredir devam eden bir bilmecedir. Fakat, yeni bir çalışma Hong Kong Üniversitesi’nden Alfred Amruth ve meslektaşları tarafından Doğa Astronomisibizi anlamaya bir adım daha yaklaştırmak için ışığın yerçekimsel bükülmesini kullanır.

Görünmez ama her yerde mevcut

Karanlık maddenin var olduğunu düşünmemizin nedeni, kütleçekiminin etkilerini galaksilerin davranışında görebilmemizdir. Spesifik olarak, karanlık madde evrenin kütlesinin yaklaşık %85’ini oluşturuyor gibi görünüyor ve görebildiğimiz uzak galaksilerin çoğu, gizemli maddenin bir halesi ile çevrelenmiş gibi görünüyor.

Ancak buna karanlık madde denir çünkü ışık yaymaz, soğurmaz veya yansıtmaz, bu da tespit edilmesini inanılmaz derecede zorlaştırır.

Peki bu şey nedir? Bunun bir tür bilinmeyen temel parçacık olması gerektiğini düşünüyoruz, ancak bunun ötesinde emin değiliz. Şimdiye kadar laboratuvar deneylerinde karanlık madde parçacıklarını tespit etmeye yönelik tüm girişimler başarısız oldu ve fizikçiler onlarca yıldır onun doğasını tartışıyorlar.

Bilim adamları, karanlık madde için önde gelen iki varsayımsal aday önerdiler: zayıf etkileşimli büyük parçacıklar (veya WIMP’ler) adı verilen nispeten ağır karakterler ve eksenler adı verilen son derece hafif parçacıklar. Teorik olarak, WIMP’ler ayrı parçacıklar gibi davranırken, eksenler kuantum girişimi nedeniyle çok daha fazla dalgalar gibi davranırdı.

Bu iki olasılık arasında ayrım yapmak zordu – ama şimdi uzak galaksilerin etrafındaki ışık bir ipucu sunuyor.

Kütleçekimsel mercekleme ve Einstein halkaları

Evrende yol alan ışık, galaksi gibi büyük kütleli bir nesnenin yanından geçtiğinde, yolu bükülür, çünkü Albert Einstein’ın genel görelilik kuramına göre, büyük kütleli nesnenin yerçekimi, kendi etrafındaki uzay ve zamanı bozar.

Sonuç olarak, bazen uzaktaki bir galaksiye baktığımızda, onun arkasındaki diğer galaksilerin çarpık görüntülerini görebiliriz. Ve her şey mükemmel bir şekilde sıralanırsa, arka plan galaksisinden gelen ışık, daha yakın galaksinin etrafındaki bir daireye yayılacaktır.

Işığın bu şekilde bozulmasına “kütleçekimsel merceklenme” denir ve oluşturabileceği dairelere “Einstein halkaları” denir.

Gökbilimciler, halkaların veya diğer merceklenmiş görüntülerin nasıl bozulduğunu inceleyerek, daha yakın galaksiyi çevreleyen karanlık madde halesinin özelliklerini öğrenebilirler.

Axions ve WIMP’ler

Amruth ve ekibinin yeni çalışmalarında yaptıkları da tam olarak buydu. HS 0810+2554 adlı bir tanesine özel olarak odaklanarak, ön plandaki mercek galaksisinin çevresinde aynı arka plan nesnesinin birden çok kopyasının görülebildiği birkaç sistemi incelediler.

Ayrıntılı modelleme kullanarak, karanlık madde WIMP’lerden yapılmışsa görüntülerin nasıl bozulacağını ve karanlık madde eksenlerden yapılmış olsaydı nasıl bozulacağını hesapladılar. WIMP modeli gerçeğine pek benzemiyordu, ancak axion modeli sistemin tüm özelliklerini doğru bir şekilde yeniden üretti.

Sonuç, eksenlerin karanlık madde için daha olası bir aday olduğunu ve merceklenme anormalliklerini ve diğer astrofiziksel gözlemleri açıklama yeteneklerinin bilim adamlarını heyecanlandırdığını gösteriyor.

Parçacıklar ve galaksiler

Yeni araştırma, daha olası karanlık madde biçimi olarak eksenlere işaret eden önceki çalışmalara dayanıyor. Örneğin, bir çalışma karanlık maddenin kozmik mikrodalga arka planı üzerindeki etkilerine bakarken, bir diğer cüce galaksilerdeki karanlık maddenin davranışını inceledi.

Bu araştırma, karanlık maddenin doğası hakkındaki bilimsel tartışmayı henüz sona erdirmeyecek olsa da, test ve deney için yeni yollar açıyor. Örneğin, gelecekteki yerçekimsel mercekleme gözlemleri, eksenlerin dalga benzeri doğasını araştırmak ve potansiyel olarak kütlelerini ölçmek için kullanılabilir.

Karanlık maddenin daha iyi anlaşılması, parçacık fiziği ve erken evren hakkında bildiklerimiz için çıkarımlara sahip olacaktır. Ayrıca galaksilerin zaman içinde nasıl oluştuğunu ve değiştiğini daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir.