Bilim adamları, Evrendeki galaksileri oluşturan madde hakkında çok az şey biliyorlar. Galaksilerdeki maddenin yaklaşık %20’si görünür veya baryoniktir : protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi atom altı parçacıklar. “Karanlık madde” olarak adlandırılan diğer %80, gizemli ve görünmez kalıyor.

Aslında, hiç olmayabilir. “Karanlık madde” sadece bir hipotezdir. Fizikçiler ve gökbilimciler bir hayaleti kovalıyor olabilirler – ancak bu bizi aramaktan alıkoymaz. Neden? Niye? Çünkü eğer karanlık madde gerçek değilse, o zaman yıldızların, gezegenlerin ve galaksilerin davranışları pek bir anlam ifade etmez.

Bugün karanlık madde ve onun kuzeni olan karanlık enerji, Lambda Soğuk Karanlık Madde veya Lambda-CDM olarak adlandırılan kozmolojik bir modelin temel direkleridir . Bu model, karanlık maddenin baryonik maddeyi yalnızca yerçekimi yoluyla etkilediğini vurgular. Elektromanyetik kuvvetle etkileşime girmez, yani ışığı emmez, yansıtmaz veya yaymaz.

Astronomy and Astrophysics’de yayınlanan yakın tarihli bir çalışmada, erken galaksilerin çevresinde (Evren şimdiki yaşının yarısıyken) karanlık madde halelerinin varlığını desteklemek için daha fazla kanıt sunuyoruz. Bununla ilgili bazı varsayımlara da meydan okuyoruz. Bu, Evren ve galaksileri hakkındaki anlayışımızı derinleştirmenin bir yoludur.

Teorinin kökenleri

1970’lerde gökbilimciler Vera Rubin ve Kent Ford , karanlık madde teorisini açıkladılar . Sadece karanlıkta çekim yapmıyorlardı: uzun zamandır yıldızların, gezegenlerin ve galaksilerin neden belirli şekillerde davrandıkları konusunda bir tartışma vardı. Örneğin, neden yıldızlar ve gazlar sürekli olarak uzaya fırlatılmıyor? Günlük baryonik parçacıklar üzerinde yerçekimi etkisi uygulayarak galaksileri sağlam tutan ne tür bir yapıştırıcı ?

Bilim adamları ayrıca, bir galaksi yörüngesinin merkezinin çok ötesindeki nesnelerin, merkeze daha yakın nesnelerle neden aynı hızlarda (veya hızlarda) döndüğünü merak ettiler. Bu , yıldızların ve gazın bir galaksinin merkezinden uzaklaştıkça yavaşlaması gerektiğini öne süren Newton yasasına aykırıdır . Çekirdeğe yakın yıldızların ve gazların daha fazla bolluğu, yıldızları ve gazı hızlandıran gerekli yerçekimi kuvvetini sağlamalıdır. Galaksinin kenarlarında ne kadar ince bir şekilde dağılmışlarsa, yerçekimi kuvveti o kadar az olur ve bu nedenle yıldızlar ve gaz yavaşlar. Ama gözlemler öyle olmadığını gösteriyor.

Bu tutarsızlıkları açıklamak için Rubin ve Ford, her galaksinin, açıklanamayan kütleyi sağlayan büyük bir karanlık madde halesi tarafından yutulduğunu savundu. Karanlık maddenin herhangi bir galaksideki maddenin yaklaşık %85’ini sağladığını iddia ettiler. Galaksilerdeki baskın varlığı , yıldızların ve hidrojen gazının görünmez bir element tarafından yönetiliyormuş gibi hareket etmesi gerçeğinden kaynaklanmaktadır.

Teorileri evrensel olarak benimsenmedi. Bazı bilim adamları karanlık maddenin var olmadığını savundular .

Ama biz ve pek çokları Rubin ve Ford ile aynı fikirde. Karanlık madde var çünkü çok şeyi açıklıyor. Bir yazarın dediği gibi :

pek çok [fizikçi] bu fikri memnuniyetle reddederdi – eğer o kadar iyi çalışmasaydı.

Evrene geri dönüş yolu arıyorum

Yeni çalışmamız için yaklaşık yedi milyar ışıkyılı uzaklıkta yaklaşık 260 sarmal şekilli yıldız oluşturan gökada gözlemledik. Bu aslında geçmişe bir bakış. Bu galaksilerin, Evrenin bugünkü yaşı olan 13,8 milyar yıllık yaşının yarısı olduğunda var olduğu tahmin edilmektedir. Şimdi bize ışık sinyalleri olarak görünüyorlar. Samanyolu’muzun da aralarında bulunduğu sarmal gökadalar, yıldızların ve gaz bulutlarının kendine özgü sarmal, sarmal kolları ile karakterize edilir.

Amacımız, bu uzak sarmal gökadalardaki kütle dağılımını, aşağı yukarı aynı özelliklere sahip daha yakın tarihli, daha yakın gökadalarla gözlemlemek, belirlemek ve sonra karşılaştırmaktı.

Son zamanlarda yapılan bazı araştırmalar, daha erken yıldız oluşturan gökadaların , daha yeni veya yerel olanlara kıyasla karanlık maddede yetersiz göründüğünü ileri sürdü. Bu, bazı araştırmacıları , karanlık maddenin erken yıldız sistemlerinde günümüz galaksilerine göre çok daha küçük bir rol oynadığını iddia etmeye yöneltti. Bulgularımız bu öneriyi çürütmektedir.

Çalıştığımız daha önceki galaksilerin, merkezden oluşan ve belirli bir yarıçapa kadar sabit bir yoğunluğu koruyan ticari marka karanlık madde halelerine sahip olduğunu doğrulayabildik. Bu, büyük ölçüde yerel Evrenin galaksilerinde gözlemlenen standart karanlık madde senaryosu ile uyumludur. Ancak sürpriz bir bulgu, bu halelerin Samanyolu’na daha yakın olan gökadalardan çok daha kompakt olmasıydı. Bu, bir galaksideki karanlık madde dağılımının zaman içinde yavaşça genişlediğini gösteriyor. Ama bu süreç nasıl güçlendiriliyor?

Vardığımız sonuç, bu fenomenin karanlık madde parçacıkları ile günlük baryonik parçacıklar arasında doğrudan bir etkileşimi gösterdiğidir. Bu, halelerin yoğunluğunu değiştirir – ve bunu yaparken, sadece ders kitabı yerçekimi ilişkisinin ötesine geçer.

Bu bulgular, karanlık madde hakkında var olan soruların tümüne veya hatta birkaçına yanıt vermiyor. Ancak, uzun süredir karanlık madde parçacıkları arayışını kesinlikle daraltıyor.

Ayrıca, yapabileceklerine bağlı olarak karanlık madde parçacıklarının tanımlanması için bir yön sağlar. Bu da tartışmayı sıcak karanlık madde, kendi kendine etkileşen karanlık madde ve ultra hafif karanlık madde gibi diğer karanlık madde teorilerine açar. Bunların hepsi soğuk karanlık maddeden çok daha etkileşimlidir.

Daha derin bir bakış

Karanlık madde tarafından aynı derecede büyülenen ve kafası karışan bizler için tünelin sonunda bir ışık olabilir. Yeni teknoloji, Evreni ve dinamiklerini daha iyi anlamamıza yardımcı oluyor.

Cevapları bulmak, bu daha eski ve “daha genç” galaksilerin merkezine daha da derinlemesine bakmak anlamına gelecek. 2021’in sonunda fırlatılan ve şu anda Dünya’nın Güneş etrafındaki yörüngesinin 1.500.000 km ötesinde yörüngede dönen yeni James Webb Uzay Teleskobu bu konuda yardımcı olabilir.

Aynı şekilde , “dünyanın en hassas karanlık madde dedektörü” olarak lanse edilen ve ABD’de yerin yaklaşık 1,5 km altında bulunan yeni LUX-ZEPLIN karanlık madde dedektörü de öyle olacak.

Profesör Paolo Salucci (SISSA, İtalya) ve Profesör Glenn van de Ven (UniVie, Avusturya) bu makalenin ortak yazarıdır.