Kategoriler
Bilim & İnsan

Karanlık enerji hakkında merak edilenler

Karanlık enerji nedir ve ne özellik taşır bundan bahsedelim. 1990'ların başlarında evrenin genişlemesine dair iki kesin görüş vardı: Eğer yeterli enerji yoğunluğuna sahipse genişlemesi elbet durduracak ve kendi içine çökecekti; eğer enerji yoğunluğu azsa genişleme asla durmayacaktı ancak yerçekimi zaman içinde genişlemeyi yavaşlatmalıydı. Yavaşlama hiç gözlenmedi ancak evren teoride yavaşlamak zorundaydı. Evren maddeyle doludur ve yerçekimi kuvveti tüm maddeyi bir arada tutar. Sonra 1998 geldi ve Hubble Uzay Teleskobu'nun çok uzaklarda yaptığı süpernova gözlemleri evrenin aslında uzun zaman önce bugün olduğundan daha yavaş genişlediğini gösterdi. Yani evrenin genişlemesi, herkesin düşündüğünün aksine yerçekimi ile yavaşlamıyor, hızlanıyordu. Kimse böylesini beklemiyordu ve kimse nasıl açıklayacağını da bilmiyordu. Ama bunun sebebi belliydi: Karanlık enerji.

Karanlık enerji nedir?

Teorisyenler bu durum karşısında üç tür açıklama yaptılar. Bu durumun nedeni Einstein'ın yerçekimi teorisinde bahsettiği, uzun süredir göz ardı edilen "kozmolojik sabit" olabilirdi. Belki de uzayı dolduran tuhaf bir tür enerji-sıvısı vardı. Belki de Einstein'ın yerçekimi teorisi yanlıştı ve bu kozmik hızlanmayı oluşturan alanı ele alan yeni bir teori tasarlanabilirdi. Teorisyenler bugün dahi doğru açıklamanın ne olduğunu bilmiyor ancak potansiyel cevaba şimdiden bir isim verdiler ve karanlık enerji dediler.

Karanlık enerji uzayın bir özelliğidir. Albert Einstein, uzayın boşluktan oluşmadığını anlayan ilk kişiydi. Uzay, çoğu yeni anlaşılmaya başlanan şaşırtıcı özelliklere sahip. Einstein'ın keşfettiği ilk özellik, daha fazla uzayın oluşmasının mümkün olmasıdır. Einstein daha sonra yerçekimi teorisinin yeni bir versiyonunu oluşturarak kozmolojik sabiti ortaya atar ve ikinci bir öngörüde bulunur: Uzay kendi enerjisine sahip olabilir.

Bu enerji uzayın kendisinin bir özelliği olduğu için uzay genişledikçe azalmayacaktır. Aksine, daha fazla uzay oluştukça enerji de artacaktır. Sonuç olarak bu tür bir enerji evrenin daha hızlı ve daha hızlı genişlemesine neden olur. Ne yazık ki hiç kimse kimin kozmolojik sabiti oraya koyduğunu ve ona evrenin hızlanmasını sağlayacak tam doğru değeri verdiğini anlayamıyor.

Karanlık enerjiye dair teoriler

Uzayın enerjisinin nasıl arttığına dair bir başka açıklama kuantum madde teorisinden gelir. Bu teoride, "boş uzay" aslında sürekli olarak oluşan ve sonra kaybolan geçici ("sanal") parçacıklarla doludur. Ancak fizikçiler bunun boş uzaya ne kadar enerji verdiğini hesaplamaya çalıştıklarında cevapları genel olarak yanlış çıkar. Sayı olması gerektiğinden 10120 kat yüksektir. Cevap bu kadar uzak olunca araştırmalar devam ettirildi.

İLGİLİ:  Ay'a tekrar gitmek 21 milyar dolardan fazlaya mal olacak

Karanlık enerjinin başka bir açıklaması, yeni bir tür dinamik enerji sıvısı veya alanı olmasıdır, tüm uzayı dolduran ancak evrenin genişlemesi üzerindeki etkisi madde ve normal enerjinin tersi olan bir şey düşünün. Bazı teorisyenler bunu Yunan filozofların beşinci unsurundan esinlenerek "öz" (quintessence) olarak adlandırdılar. Ancak hala neye benzediğini, neyle etkileşime girdiğini veya neden var olduğunu bilmiyoruz. Sonuç olarak karanlık enerjiye dair gizem sürmeye devam eder.

Son bir olasılık, Einstein'ın yerçekimi teorisinin doğru olmamasıdır. Bu durum sadece evrenin genişlemesini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda galaksilerdeki ve galaksi kümelerindeki normal maddenin (atomların) davranış biçimini de etkiler. Bu amaçla şimdilerde galaksilerin nasıl kümeler halinde bir araya geldiği gözlemleniyor. Fakat yeni bir yerçekimi teorisine ihtiyaç duyulursa Einstein'ın teorisinin yaptığı gibi Güneş Sistemi'ndeki cisimlerin hareketinin yeniden doğru şekilde tanımlanması gerekecek. Karanlık enerjiye dair birçok teori var ama hiçbiri ikna edici değil.

Karanlık enerjinin özelliği

tip 1 la süpernovası: 1997 yılında Hubble Uzay Teleskobu tarafından gözlemlenen üç uzak Tip Ia süpernovaları. Tüm Tip Ia süpernovaları aynı parlaklığa sahip olduğundan, karanlık enerjiyi ve bu enerjinin evrenin genişlemesi üzerindeki etkilerini ölçmek için kullanılıyorlar. Soldaki ve ortadaki süpernovalar yaklaşık 5 milyar yıl önce meydana geldi; sağdaki ise 7 milyar yıl önce.
1997 yılında Hubble Uzay Teleskobu tarafından gözlemlenen üç uzak Tip Ia süpernovaları. Tüm Tip Ia süpernovaları aynı parlaklığa sahip olduğundan, karanlık enerjiyi ve bu enerjinin evrenin genişlemesi üzerindeki etkisini ölçmek için kullanılıyorlar. Soldaki ve ortadaki süpernovalar yaklaşık 5 milyar yıl önce meydana geldi; sağdaki ise 7 milyar yıl önce. (AURA/STScI/NASA/JPL)

Kulağa son derece gizemli gelen "karanlık enerji" ifadesi bugün kozmolojinin kemik terimleri arasında. Uzayın bu itici (yerçekiminin tersi) enerjiyle dolu olduğuna dair ilk kanıtlar 1998'de ortaya çıktı ve çıkmaya devam ediyor. Gökbilimciler, evrenin genişlemesinin zamanla hızlandığını ve karanlık enerjinin bu hızlandırıcı etken olduğunu ilk kez o yıl keşfetti. Uzay genişledikçe önünde yeni uzay meydana getiriyor ve bu karanlık enerji yayılıp arttıkça uzayın daha hızlı genişlemesine neden oluyor.

Yirmi yıl boyunca yapılmış çok sayıda bağımsız ölçüm karanlık enerjinin evrenin içeriğinin yaklaşık yüzde 69'unu oluşturduğunu gösterdi (karanlık madde yaklaşık %27). Yani karanlık enerji, evrenin baskın bileşeni ve itici gücüdür. Evrenin geri kalanı ise (%5) sıradan maddelerden (atomlar) ve karanlık maddeden oluşuyor. Maddenin bu her iki biçiminden farklı olarak, karanlık enerji zaman ve uzay açısından nispeten aynı ve yerçekimi açısından çekici değil itici. Karanlık enerjinin doğası bugün araştırılmaya devam ediliyor.

Karanlık enerjinin keşfedilmesi

Bu tür bir kozmik itici kuvvetin varlığı ilk olarak 1917'de Albert Einstein tarafından önerildi ve Einstein bu fikre kozmolojik sabit adını verdi. Einstein, kozmolojik sabit teorisini genel görelilik fikri ile sundu ve amacı çekim kuvvetini etkisiz hale getiren bir itiş kuvveti olduğunu ve evrenin statik olduğunu (ne genişleyen ne de daralan) göstermekti.

İLGİLİ:  Uzaydan Dünya'yı aramak isterken yanlışlıkla 911'i aradı

1920'lerde Amerikalı gökbilimci Edwin Hubble'ın evrenin durağan olmadığını, aslında genişlediğini keşfetmesinden sonra, Einstein evrenin sabit olduğu fikrini "en büyük gafı" olarak nitelendirdi. Bununla birlikte, kütle-enerji açısından evrendeki madde oranı beklenmedik şekilde azdır ve bu nedenle aslında bu açığı kapatacak bir kozmolojik sabit olması gerektiği doğrudur. Karanlık enerji tam olarak budur ve varlığının doğrudan kanıtı ilk olarak 1998'de sunuldu.

Karanlık enerjinin varlığı, evrenin genişleme hızı üzerindeki etkisiyle tespit ediliyor. Buna karanlık enerjinin galaksi ve galaksi kümeleri gibi büyük ölçekli yapıların kütleçekimsel dengesizlikle oluşma hızını etkilemesi de dahil. Evrenin genişleme hızını ölçerken teleskoplardan yararlanılır ve farklı kırmızıya kayma'ya (redshift) sahip nesneler arasındaki mesafeye bakılır. Redshift, bir cisimden yayılan elektromanyetik radyasyonun (ışık gibi) uzayda yol aldıkça dalga boyunun artması ve kırmızı görünmesidir. Dalga boyu üç nedenle değişir: Birbirine yaklaşan veya uzaklaşan nesneler, genişleyen uzay, güçlü yerçekimi etkisi.

Tabii uzaydaki astronomik mesafeleri doğru bir şekilde ölçmenin zorluğu ortadadır. Karanlık enerji, yerçekiminin zıttı iş yaptığından, karanlık enerji arttıkça evrenin genişlemesi de hızlanıyor ve büyük ölçekli uzay nesnelerinin oluşumu uzuyor. Genişleme oranını ölçmenin isabetli bir yolu Tip Ia süpernovası gibi parlaklığı daima benzer olan nesnelerin mevcut noktada hangi parlaklıkta göründüğüne bakmaktır.

type Ia süpernovası
Sol alt köşede Tip Ia süpernovası. (HST, NASA)

Karanlık enerji 1998 yılında Amerikalı gökbilimciler Adam Riess, Saul Perlmutter ve Avustralyalı gökbilimci Brian Schmidt'in yer aldığı iki uluslararası ekip tarafından işte bu yöntemle keşfedildi.

İki ekip, Keck Gözlemevi ve MMT Gözlemevi dahil sekiz teleskop kullandı. Evren şu anki boyutunun sadece üçte ikisiyken patlayan Tip Ia süpernovaları daha sönüktü ve bu nedenle karanlık enerjinin olmadığı bir evrene kıyasla olacakları yerden daha uzaktalardı. Bu durum, karanlık enerjinin mevcudiyetinin sonucu olarak evrenin genişleme oranının bugün geçmişe oranla daha hızlı olduğunu gösterdi (evrenin ilk dönemlerinde karanlık enerji çok azdı).

Karanlık enerjinin büyük uzay nesneleri üzerindeki etkisini incelemeye yarayan "zayıf merceklenme" isimli yöntem, bir maddeye müdahale edilmesi sonucu bükülen uzayda oluşan ince çarpıklıkları ölçmeyi ele alır. Son birkaç milyar yıl önce karanlık enerji çekim kuvvetini yendi ve evrende baskın hale gelmeye başladı. Bu durum daha fazla galaksi ve galaksi kümesinin oluşmasını engelledi.

İLGİLİ:  Hubble uzay teleskobu nasıl renkli fotoğraf çekiyor?

Evrenin yapısındaki bu değişiklik zayıf merceklenme tekniği ile ortaya çıkarıldı. Diğer bir ölçümse, uzayın hacmini ve bu hacmin artma oranını ölçmek için evrendeki galaksi kümelerinin sayısını saymaktır. Karanlık enerji üzerine yapılan gözlemsel çalışmaların çoğunun amacı durum denklemini (basıncının enerji yoğunluğuna oranı), özelliklerindeki değişimleri ve karanlık enerjinin yerçekimi fiziği ile uyumunu ölçmektir.

Sonuç

Karanlık enerjinin en basit açıklaması boş uzayı dolduran bir enerji yoğunluğu yani bir "boşluk enerjisi" olduğudur. Matematiksel olarak bu boşluk enerjisi Einstein’ın kozmolojik sabitine eşdeğerdir. Einstein'ın kendisi ve diğerleri kozmolojik sabiti sonradan reddetmiş olsa da, modern kuantum alan teorisine göre boşluk enerjisi boş uzaydaki kuantum dalgalanmalarından ortaya çıkabilir (yani önce ortaya çıkan ve daha sonra birbirini yok eden parçacık-antiparçacık çiftlerinden).

Kozmolojik boşluk enerjisinin gözlemlenen yoğunluğu santimetre küp başına 10-10 erg olarak bulunsa da kuantum alan teorisi bunu santimetre küp başına 10110 erg olarak hesaplar. Bu 10120'lik tutarsızlık bundan çok daha zayıf olan karanlık enerjinin keşfinden önce de biliniyordu. Henüz bu soruna bir çözüm bulunamadı ancak sicim teorisi ve çok sayıda bağlantısız evren fikri gibi fikirler öne sürülüyor.

Karanlık enerji için sunulan bir başka popüler teori, dinamik bir alandan doğan potansiyel enerjisinin geçici bir boşluk enerjisi yaratmasıdır. "Öz" olarak bilinen bu karanlık enerji biçimi uzay ve zaman boyunca değişir ve böylece kozmolojik sabitten farklıdır. Mekanizma açısından bakıldığında (boyut olarak çok farklı olsa da) büyük patlamadaki enflasyon teorisinde bahsedilen skaler alan enerjisine benzer.

Karanlık enerji için sunulan diğer bir açıklama evrenin dokusunda topolojik bozulmalar (kozmik sicimler ve duvarlar) olduğunu ileri sürer. Evren genişledikçe yeni bozulmalar oluşur ve bunların matematiksel oluşum oranları kozmolojik sabite benzerdir. Ancak bozulmaların durum denklemi değeri, bozulmanın sicim (tek boyutlu) ya da duvar (iki boyutlu) olduğuna göre değişir.

Karanlık enerjiyi tanımlamaya çalışırken yerçekiminin tamamen değiştirildiği ve karanlık enerjiye yer bırakılmadığı girişimler de oldu. Ancak bunlar genel görelilikten tamamen sapar.

Yazar Berkay Alpkunt

Coğrafya ve astronomi üzerine geniş kapsamlı içerikler hazırlıyor. Diğer ilgi alanları canlı hayatı, bilim tarihi ve ülkeler olarak sıralanır. Aynı zamanda bağımsız video oyunlarına ilgilidir.