Evren için yeni bir açıklama mı gerekli?

• Evreni, evrenin oluşumunu anlatan en sağlam hikayemiz son dönemde gerçekleştirilen gözlemlerden elde edilen veriler nedeniyle tehdit altında. Bugüne kadar üzerine atılan tüm testlerden alnının akıyla çıkmış olan Lambda-CDM’in tahtı artık sallanıyor.

Evreni anlamaya çalışırken bilim insanlarının elinde, uzun yıllardır oldukça güçlü bir ana hikaye vardı. Bu hikayeyi, Büyük Patlama ile başlayan kozmik tarihin, zaman içinde yıldızlara, galaksilere ve bugünkü devasa yapıya nasıl dönüştüğünü anlatan bir senaryo gibi düşünebiliriz. Kozmologlar, yeni teleskoplar ve daha hassas ölçümlerle bu senaryoyu defalarca test ettiler ve  çoğu kez senaryo şaşırtıcı biçimde doğru çıktı. Fakat son yıllarda öyle ölçümler geldi ki, bu hikayenin bazı yerlerinde ciddi tutarsızlıklar birikmeye başladı. Şimdi bilim insanları artık bu modelin güncellenmesi gerektiğini ya da tamamen farklı bir teoriye ihtiyaç duyulduğunu söylüyor.

Bu ana senaryonun adı Lambda-CDM. “CDM” kısmı “soğuk karanlık madde” demek. Karanlık madde, doğrudan göremediğimiz ama kütleçekimiyle etkisini hissettiğimiz, galaksilerin bir arada kalmasını ve büyük yapıların oluşmasını sağlayan gizemli madde. “Lambda” ise “kozmolojik sabit” anlamına geliyor: Boş uzayın kendisinde bulunan ve evrenin genişlemesini hızlandıran bir enerji. Bu enerjiye daha popüler isimle “karanlık enerji” diyoruz.

Bilinmezliklerle işlenen bir model

Bilimin gücü konusunda ikna olanlar için kozmolojide halen şaşırtıcı bir durum var: Evrenin büyük kısmını oluşturan şeyler ya da her ne iseler aslında hala bilinmiyor. Kabaca hesapla evrende gördüğümüz normal madde—yıldızlar, gezegenler, gaz bulutları, insanlar—toplamın çok küçük bir bölümü. Geri kalan kısmın büyük bölümü karanlık madde ve karanlık enerji olarak adlandırılıyor. Ama bunların “ne olduğu” sorusu hala net değil.

Yine de Lambda-CDM modeli, bu bilinmezleri birer “bileşen” olarak kabul edip evrenin gelişim çizgisini oldukça iyi açıklıyordu. Bu yüzden uzun süre “standart model” gibi görüldü.

Lambda-CDM modeline göre evren yaklaşık 13,8 milyar yıl önce gerçekleşen Big Bang ile ortaya çıktı. Evren başlangıçta çok sıcak ve yoğundu; zamanla genişledikçe soğudu ve ilk atomlar, yıldızlar ve galaksiler oluştu.

Model, evrendeki maddenin dağılımını ve galaksilerin nasıl ortaya çıktığını açıklarken karanlık maddenin kütleçekim etkisini temel alır. Ayrıca model, Büyük Patlama’dan kalan zayıf bir ışınım olan kozmik mikrodalga artalan ışıması (CMB) ölçümleriyle de güçlü biçimde desteklenir.

Bu modele göre evrenin içeriği büyük ölçüde görünmeyen bileşenlerden oluşur. Güncel hesaplamalar, evrenin yaklaşık yüzde 68’inin karanlık enerji, yüzde 27’sinin karanlık madde ve yalnızca yüzde 5’inin normal madde olduğunu gösterir. Lambda-CDM modeli bu üç bileşenin birlikte nasıl çalıştığını açıklayarak evrenin genişlemesini, galaksi kümelerinin oluşumunu ve büyük ölçekli kozmik yapının gelişimini başarıyla açıklar.

Sorun şu ki, bu modelin içinde bazı büyük teorik rahatsızlıklar hep vardı. Mesela karanlık enerjiyi boşluğun enerjisi diye yorumladığınızda, kuantum fiziği bu enerjinin olması gerekenden akıl almaz ölçüde büyük çıkacağını söylüyor. Gözlediğimiz evren ise çok daha küçük bir değeri gösteriyor. Bu, fizik tarihinin en büyük uyumsuzluklarından biri. Karanlık madde tarafında da benzer bir sıkıntı var: Karanlık maddeyi oluşturan parçacıkları doğrudan yakalamaya çalışan deneyler onlarca yıldır sürüyor ama kesin bir bulgu yok.

Hubble sabiti ölçümü konusundaki tutarsızlıklar

Bunlar modelin felsefi veya temel fizik açısından can sıkan yönleri. Bir de doğrudan gözlemlerden gelen bir çatlak var ki, kozmoloji dünyasını yıllardır meşgul ediyor: Hubble gerilimi.

Hubble sabiti, evrenin bugün ne kadar hızlı genişlediğini anlatan bir sayı. Ancak bu sayıyı iki farklı yolla ölçtüğünüzde sonuçlar birbirini tutmuyor. Birinci yol, Büyük Patlama’dan kalan kozmik mikrodalga artalan ışımasını (CMB) kullanmak. CMB, evrenin çok erken döneminden gelen bir ışık izi gibi. Bu izden yola çıkıp Lambda-CDM modelini kullanarak bugüne doğru ileri sardığınızda daha düşük bir genişleme hızı buluyorsunuz.

İkinci yol ise yakın evreni doğrudan ölçmek: Değişen yıldızlar ve süpernovalar gibi gök olaylarını kullanıp mesafeleri hesaplayarak genişleme hızını bugünden geriye doğru çıkarmak. Bu yöntem ise daha yüksek bir değer veriyor.

Yıllardır süren tartışma şu soruda düğümleniyor: Ölçümlerde mi bir hata var, yoksa model mi eksik?

Birçok kozmolog Lambda-CDM’e karşı çıkmak konusundauzun süre temkinli davrandı. Çünkü Lambda-CDM o kadar başarılıydı ki, onu çöpe atmak kolay değildi. Ayrıca “yakın evren ölçümleri” dediğimiz şey, gerçekten de çok hassas kalibrasyonlara dayanıyor; zincirin bir halkasında ufak bir sistematik hata varsa, sonuç kayabiliyordu. Bu yüzden bilim insanları arasında “daha çok veri gelsin” yaklaşımı baskındı.

Evrenin genişleme tarihi gözlemleniyor

Tam bu noktada DESI devreye girdi ve tartışmayı farklı bir seviyeye taşıdı. DESI, “Dark Energy Spectroscopic Instrument” adı verilen dev bir gözlem projesi. Milyonlarca galaksinin ışığını inceleyip tayfını ölçerek bu galaksilerin ne kadar uzakta olduğunu, dolayısıyla evrenin geçmişte farklı dönemlerde nasıl genişlediğini çıkarıyor. Bir anlamda, evrenin genişleme tarihinin üç boyutlu ve çok ayrıntılı bir haritasını üretmeye çalışıyor.

DESI’nin yaptığı şeyin önemli tarafı şu: Sadece bugünkü genişleme hızını değil, evrenin geçmişte hangi hızlarda genişlediğini anlamaya çalışıyor. Galaksilerin ışığı evren genişledikçe dalga boyu uzadığı için “kızarıyor” (redshift). Uzak galaksiler daha çok kızarmış ışık gönderiyor; bu da onların daha erken bir zamanda, evrenin daha genç olduğu dönemdeki halini görmemizi sağlıyor. DESI milyonlarca galaksiyi farklı uzaklıklarda ölçerek genişlemenin zaman içindeki değişimini yakalamaya çalışıyor.

Bu ölçümlerde kozmologların çok sevdiği bir standart cetvel var: BAO (baryon akustik salınımları). Erken evrende madde ve ışınımın etkileşimi bir çeşit dalga izleri bırakmıştı. Bu izler bugün galaksilerin dağılımında çok hafif bir tercihli aralık olarak görünüyor. Bu aralığı bildiğiniz için, evrenin geçmişte ne kadar gerildiğini hesaplayabiliyorsunuz. Kulağa soyut geliyor ama mantığı basit: Elinizde uzunluğu bilinen bir cetvel var; onu farklı zamanlarda ölçüp uzayın ne kadar genişlediğini çıkarıyorsunuz.

Karanlık enerji sabit olmayabilir

DESI’nin bir veri seti, süpernova verileri ve CMB verileriyle birlikte ele alındığında ortaya çıkan tablo, Lambda-CDM’nin en kritik varsayımlarından biri olan karanlık enerjinin sabit olduğu fikrini sarsıyor. Bazı birleşik analizlerde, karanlık enerjinin zamanla değiştiği, hatta zayıflıyor olabileceği daha uyumlu bir bileşen olarak ortaya çıkıyor. Yani evreni hızlandıran itici etki, bugün de var ama geçmişte daha farklı davranmış olabilir. Hatta bazı ince ipuçları karanlık enerjinin davranışının bir dönem “çok daha tuhaf” bir rejime geçip sonra geri döndüğünü ima ediyor; fakat bu kısım henüz daha belirsiz.

Burada çok kritik bir ayrıntı var: Bilimde bu tür sonuçlar hemen kesinleşmiş gerçek sayılmaz. DESI’nin işareti güçlü olabilir ama hala yeni verilerle değişme ihtimali var. Yani kesin bulduk denmesi için topluluğun beklediği istatistiksel eşikler ve bağımsız doğrulamalar gerekiyor. Yine de DESI’nin yarattığı heyecan çok büyük. Çünkü ölçüm yöntemi, kozmik genişlemeyi izlemek için görece sağlam kabul edilen yöntemlerden biri. Bu yüzden kolayca ölçüm hatasıdır demek eskisi kadar rahat değil.

Peki karanlık enerji sabit değilse ne olur? O zaman standart modelin “Lambda”sı düşüyor ya da değişiyor. Bu durumda karanlık enerji ya bambaşka bir fiziksel şeydir ya da yerçekimi sandığımız gibi işlemiyordur ya da evrende bugün hesaba katmadığımız bir etkileşim vardır.

Sicim teorisi yeniden tartışılmaya değer hale gelebilir

Böyle bir kriz, uzun süre rafta duran bazı fikirleri yeniden gündeme getirebilir. Bunlardan biri, gizli boyutlar. Sicim teorisi gibi yaklaşımlar evrenin yalnızca üç uzay ve bir zaman boyutundan ibaret olmayabileceğini öne sürer; fazladan boyutlar çok küçük ölçekte kıvrılmış olabilir. Bu teorilerde, karanlık enerjinin sabit olmasının zor olduğu iddiaları uzun zamandır tartışılıyor. Eğer DESI gerçekten karanlık enerjinin zayıfladığını gösteriyorsa, bazı sicim teorisi çerçeveleri imkansız görünmekten çıkıp yeniden tartışılabilir hale gelebilir.

Örneğin bazı araştırmacılar, ekstra bir boyutun zamanla çok yavaş şekil değiştirmesinin bizim evrenimizdeki enerji dengesini değiştirebileceğini öne sürüyor. Bu değişim, karanlık enerjinin sabit değil, yavaşça azalan bir şeye benzemesine yol açabilir. Elbette bu, sicim teorisini kanıtlamaz; çünkü aynı veriyi açıklayan ekstra boyutsuz pek çok model de var. Ama şu gerçeği değiştirir: Eğer karanlık enerji gerçekten değişkense, sicim teorisi gözlemle asla temas etmeyecek eleştirisinin bir kısmı zayıflayabilir.

Kara delikler ve “itici güç” açıklaması

Veriler ışığında gündeme gelebilecek daha da ilginç ve tartışmalı bir diğer ihtimal ise karanlık enerjinin kaynağının evrendeki kara delikler olabileceği tezi. Bu ilk bakışta garip; çünkü kara delikler çeken cisimlerdir, her şeyi içine çekerler. Karanlık enerji ise itici etki gibi davranır. Ama bazı araştırmacılar kara deliklerin merkezindeki tekilliğin aslında bir bilinmeyen fizik bölgesi olduğunu, orada maddenin bir şekilde enerjiye dönüşüp çok uzun zaman ölçeklerinde uzayı etkileyebileceğini öne sürüyor.

Bu yaklaşım, kozmolojiyle bağlantılı kara delikler fikrine dayanıyor. Tek tek kara delikteki etki aşırı küçük olabilir; ama evrendeki bütün kara delikleri topladığınızda, toplam etkinin kozmik ölçekte hissedilir hale gelebileceği düşünülüyor. Bu görüşün cazibesi şu: Karanlık enerji için tamamen yeni bir parçacık veya egzotik alan icat etmek yerine, zaten bildiğimiz genel görelilik ve kara delik fiziği üzerinden bir açıklama arıyor.

Bu hipotez doğruysa birkaç taşın aynı anda yerinden oynaması mümkün olabilir: DESI’nin ima ettiği zayıflayan karanlık enerji, Hubble geriliminin bir kısmının yumuşaması ve kozmik “kütle bütçesi” tartışmalarında görülen bazı uyumsuzlukların daha anlaşılır hale gelmesi. Fakat burada da ciddi boşluklar var. Bu tür kara delik modellerinin matematiksel ayrıntıları zor; ayrıca kara delik birleşmeleri gibi olaylarda ne öngördüğü, mevcut gözlemlerle tam uyumlu mu sorusu açık.

Kozmoloji bir süredir fazla uyumlu giden bir dönem yaşamış olabilir; şimdi ise yeni veriler, standart modelin sınırlarını zorluyor. Önümüzdeki yıllar bu yüzden kritik. DESI daha fazla veri toplayacak. Ayrıca Euclid uzay teleskobu ve Vera Rubin Gözlemevi gibi yeni kuşak gözlemler, evrenin genişleme tarihini farklı yöntemlerle ölçerek DESI’nin bulgularını doğrulayabilir ya da zayıflatabilir.

Eğer farklı bağımsız veriler aynı noktaya işaret ederse, yani karanlık enerjinin sabit değil değişken olduğu netleşirse, o zaman kozmolojinin temel modeli ciddi biçimde revizyona gidebilir. Böyle bir değişim sadece “karanlık enerji nedir?” sorusunu değil, yerçekiminin büyük ölçeklerde nasıl işlediğini, karanlık maddeyle ilişkileri, hatta uzayın temel yapısında gizli boyutlar olup olamayacağını bile yeniden tartışmaya açar.