Kısa bir süre öncesine kadar evreni dolduran tüm madde konusunda hemen hemen kesin bilgilere sahip olduğumuzu düşünüyorduk. Ama günümüzde bizim bildiğimiz, yapıtaşı atom olan ve yıldızları, galaksileri, gezegenleri oluşturan maddenin uzaydaki tüm maddenin sadece yüzde 20’sini oluşturduğunu biliyoruz. Karanlık madde olarak adlandırdığımız ve göremediğimiz fakat etkilerini ölçebildiğimiz madde, evrendeki maddenin yüzde 80’ini oluşturuyor. 

Güneş’in ya da herhangi bir gezegenin ağırlığını tabii ki ölçemiyoruz. Bunun yerine etrafındaki gökcisimlerinin hareketlerine olan etkilerini değerlendirerek kütlesi hakkında hesaplamalar yapabiliyoruz. Bu metotla yıldız sistemlerinin, galaksilerin, hatta galaksi kümelerinin kütleleri, ne kadar maddeye sahip oldukları belirlenebiliyor. 

1933 yılında İsviçreli astronom Fritz Zwicky (1898-1971), bu prensiple dünyamızdan 300 milyon ışık yılı uzakta olan Coma Kümesi’ndeki 1000 kadar galaksinin ağırlığını ölmeye çalıştı. Ancak Zwicky bu kümedeki galaksilerin birbirleri arasındaki mesafeden hareket ederek sadece yerçekimi kuvvetinin bu kadar maddeyi bir arada tutmaya yetmeyeceğini tespit etti. Sadece yerçekimi gücüne kalsa bu kümedeki tüm galaksilerin uzay boşluğuna savrulması gerekecekti. 

Zwicky’nin bu hesapları astronomi dünyasında fazla ilgi çekmemişti. Ta ki 1960lı yılların sonunda Canergie Enstitüsünden Vera Rubin bu durumu fark edene kadar. Rubin’in gaz bulutları üzerinde yaptığı incelemeler de galaksi merkezleri etrafında dönen gaz bulutlarının çok daha fazla kütleye ihtiyaç duyduklarını gösteriyordu. 


Kozmik mikrodalga arka plan ışıması 

Kozmik mikrodalga arka plan ışımasını gözlemleme yeteneğine kavuştuğumuz andan itibaren evrenin soğuk ve sıcak olan bölgelerini tespit etmemiz mümkün oldu. Bu sıcaklık, uzaklık verileriyle birlikte değerlendirildiği zaman evrendeki belirli bir noktada ne kadar madde olduğu konusunda daha kesin tahminler yapılabiliyor. 

Yapılan hesaplara göre evrendeki her 1 gram maddeye karşılık olarak 4-5 gram karanlık madde bulunması gerekiyor. Süper bilgisayarlar ile yapılan tüm simülasyonlar da karanlık madde olmadan evrenimizin günümüzde çok daha farklı bir yapıda olacağını gösteriyor. 

Bilim insanları evrenin oluşumunun ardından karanlık maddenin normal madde gibi birbiriyle etkileşim içinde dünya kadar büyük ama çok daha dağınık kütleler oluşturduğunu düşünüyor. Zaman içerisinde birleşerek büyüyen bu kütleler tüm galaksileri içine alan dev bir ağa dönüştü. 

Karanlık madde nedir?

Bu sorunun en kısa cevabı bilmiyoruz. Karanlık madde bildiğimiz maddeyle hiçbir etkileşime girmiyor. Etkileşime girdiği tek şey yerçekimi. Yerçekimi etkileri sayesinde de ne kadar karanlık madde bulunduğunu izleyebiliyoruz. 

Bildiğimiz şey karanlık maddenin atom temelli bir madde olmadığı. Çünkü ışıma yapmıyor ya da ışığı emmiyor. 

Bilim insanları karanlık maddenin -eğer parçacıklardan oluşuyorsa- son derece büyük parçacıklardan oluştuğunu ve bunların nötrinolara benzediğini düşünüyor. Bugüne kadar keşfedilen hiçbir parçacık karanlık maddenin yapısını oluşturabilecek nitelikte değil. 


Süpersimetri

Birçok fizikçi karanlık maddenin yapısı konusundaki en tutarlı tahmin süpersimetri teorisiyle birlikte anıyor. Evrenin,  bizim tarafında fermionlar ve bozonlar olmak üzere iki tür parçacık bulunuyor. Fermionlar; elektron, nötrino ve quarklar gibi yapılar. Bozonlar ise evredenki kuvvetlerin iletimi ile görevli parçacıklar. 

Süpersimetri teorisine göre her bir tür fermiona karşı aynı özelliklere sahip bir tür bozon olması gerekli. Örneğin elektronun henüz keşfedilmeyen ve selektron olarak adlandırılan bir bozon eşi var. Aynı şekilde fotonun da fotino adı verilen keşfedilmemiş bir eşi bulunmakta. 

Bu parçacıklardan karanlık maddenin yapıtaşı olmaya aday olan madde ise nötralinolar. Eğer nötralinolar varsa ve düşünüldüğü kadar hafif bir parçacıksa Büyük Patlama sırasında bugün evrendeki karanlık madde miktarını karşılaşacak miktarda oluşmuş olabilir. 

Bu tabii ki henüz bir önerme. Daha hiç kimse süpersimetrik parçacıkları göremedi. Bu parçacıkların bildiğimiz parçacıklardan daha ağır oldukları ve dolayısıyla oluşmaları için oldukça büyük miktarda enerjiye ihtiyaç duyulduğu için deneylerde ortaya çıkarılamıyor. Günümüzdeki CERN laboratuvarında bu parçacıkları görünebileceği enerji seviyelerine yakın seviyelere ulaşılmış durumda ancak şu ana kadar hiçbir süpersimetrik parça tespit edilemedi. 


Karanlık maddenin peşinde

Karanlık maddenin tespiti için dünyada birçok deney gerçekleştiriliyor. Uzun süreden beri yeraltında kozmik ışınlara karşı dayanıklı sensorlar dünya içinden geçen karanlık madde parçalarını avlamaya çalışıyor.

Yine uzay gelişmiş yeni nesil teleskoplarla takip edilerek karanlık maddenin etkileşimleri tespit edilmeye çalışılıyor. Yerçekimi dışında bildiğimiz maddeyle karanlık maddenin en ufak bir etkileşimi dahi evren konusundaki teorilerimizi baştan yazacak bir gelişmeye yol açacak. 

Peki ya bu hiç başarıya ulaşmayacak bir avsa? Ya karanlık madde yoksa? 

1983 yılında İsrailli fizikçi Mordehai Milgrom, galaksilerin uç noktalarındaki yıldızların beklenenden daha yüksek hızlarda dönmesini açıklayabilecek bir önermede bulundu. Milgrom, Newton’un hareketin ikinci kanununu, yani kuvvetin kütle ile hızın çarpımı sonucunda hesaplandığı denklemin yeniden düzenlenmesini önerdi. Milgrom’un düzenlemesi bazı yerçekimi anomalilerini açıklıyordu ancak 2006’da yapılan gözlemler ile Milgron’un hesapları çelişti. 

Bilim insanları önümüzdeki birkaç yıl içinde karanlık maddenin gizeminin çözülebileceğini düşünüyor. Bunun için en geçerli silahları ise her gün daha da hassaslaşan ölçüm teknikleri ve onu destekleyen bilimsel gelişmeler. 


Karanlık maddeyi düşünmek

Maddenin oluşması için bildiğimiz temel madde yapıtaşlarının belirli koşullar altında bir araya gelmesi lazım. Örneğin quarklar sadece üçlü şekilde kombine olarak baryonları oluşturur. Proton ve nötronlar birleşerek atom çekirdeğini oluşturur. Quark ve anti quark parçacıkları birleşerek çok kısa süre yaşayan mesonları oluşturur. 

Quarklar çok tuhaf atom altı parçacıklarıdır. Onları bir arada tutan güç oldukça zayıftır. Aralarındaki mesafe açıldıkça bu güç olağanüstü şekilde büyür.  Bu nedenle quarklar birbirinden ayrılamazlar. Quarkları bir arada tutan güç olağanüstü bir şekilde karmaşıktır. Ve quarkların nasıl mesonlar ve baryonları oluşturduğu sorunu bu nedenle halen çözülemedi. 

1980lerde matematiksel fizikçi Edward Witten, hafif quarkların daha ağır parçacıklarla birleşerek tuhaf quarklar oluşturabileceğini bilim dünyasına açıkladı. Bu durumda bu quarklar, amorf damla şeklinde büyüyüp normal maddeyle etkileşime girmeyecek bir hale gelecekti. Witten’ın önermesi karanlık madde için çok geçerli gözüküyordu ancak fizikçiler buna iki temel nedenle karşı çıktı. Birincisi karanlık maddenin bu kadar ağır olması sonucu ışığın mutlaka ciddi bir şekilde büzülmesi gerekirdi. İkincisi ise eğer bu madde bir halı şeklinde evrene yayılmış olsaydı galaksilerin oluşumunu engelleyecek ve madde ile etkileşime girecekti. 

Ancak bilim insanları quarkların bu oluşumlarının hesaplamalardaki kadar ağır olmasının gerekmediğini de tespit etti. Orijinal hesaptakilere göre daha hafif karanlık maddenin esas alındığı hesaplar gerçeklikle örtüştü. 

Bilim insanları şimdi bu hesapları gözlemlerle doğrulamanın peşinde.