Karanlık Maddeyi Yıllar Önce Tespit Etmiş Olabiliriz

Yerçekimi dalgaları, kara delik çarpışmalarından daha fazlasını ortaya çıkarıyor olabilir. Yeni bir araştırma, yıllar önce tespit edilen bu sinyallerin bazılarının, astrofiziğin en büyük gizemlerinden biri olan karanlık maddeyle ilişkili ultra hafif parçacıkların izlerini de barındırabileceğini öne sürüyor.

LIGO Scientific Collaboration gözlemevi 2015 yılında ilk kez yerçekimi dalgalarını tespit ettiğinden beri, bilim camiası bu uzay-zaman titreşimlerini kara deliklerin birleşmesi gibi aşırı olayları incelemek için kullanıyor. Şimdi ise uluslararası bir araştırma ekibi, bu fenomenlerin yeni temel parçacıkları aramak için kozmik laboratuvarlar olarak da kullanılabileceğini öne sürüyor.

Bu hafta Physical Review Letters dergisinde yayınlanan çalışma, karanlık maddeyi açıklamak için makul adaylar olan ultra hafif skaler parçacıklara odaklanıyor. Sıradan maddenin aksine, karanlık madde ışık yaymaz veya emmez, ancak yerçekimi galaksileri şekillendiriyor gibi görünmektedir. Henüz doğrudan tespit edilmemiş olsa da, bazı hipotezler bunun kara deliklerin etrafında bulutlar gibi birikebilen son derece hafif parçacıklardan oluşabileceğini öne sürmektedir.

Yazarlar, bu tür parçacıklardan oluşan bir bulutun içinde birbirlerinin yörüngesinde dönen iki kara deliğin ne olduğunu incelediler. Hesaplamalarına göre, ikili sistem ile skaler alan arasındaki yer çekimsel etkileşim, yörünge dinamiğini hafifçe değiştiriyor. Bu değişiklik, yerçekimi dalgalarının nihai çarpışmadan önce ürettikleri frekans artışını ifade eden 'chirp'i değiştiriyor.

Bu etkiyi araştırmak için bilim insanları, yerçekimi dalgalarının boş uzay yerine karanlık madde (skaler alanlar) içinde hareket eden kara delikler tarafından üretildiğinde nasıl görüneceğini simüle edebilen bir model geliştirdiler. Daha sonra sonuçları sayısal görelilik simülasyonlarıyla karşılaştırarak doğruladılar ve ardından bu modeli LVK işbirliğinin yerçekimi dalgaları gözlem kataloğundaki gerçek verilere uyguladılar: LIGO (ABD), Virgo (İtalya) ve KAGRA (Japonya).

Araştırmacılar, bu gözlemevleri tarafından kaydedilen 28 kara delik birleşme olayını analiz ettiler ve skaler alanların varlığıyla uyumlu sinyaller aradılar.

Yedi yıl önce karanlık maddeyi tespit ettik mi?

Çoğu durumda kesin kanıt bulunamadı; aksine veriler, çevresinde tespit edilebilir karanlık madde bulunmayan “temiz” ikili sistemlerle uyumlu olmaya devam ediyordu. Ancak iki olay özellikle dikkat çekti: GW190814 ve GW190728. Her iki durumda da gözlemler, boşluk tahminlerinden sapıyor gibi görünüyordu.

En ilginç vaka, ilk olarak Temmuz 2019'da tespit edilen GW190728 idi. Yazarlar, analizlerine süperradyans adı verilen bir mekanizmayı (dönen bir kara deliğin yakındaki hafif parçacıklara enerji aktarabileceği teorik bir süreç) dahil ettiklerinde, ikili sistemin çevresinde skaler bir ortam olduğuna dair geçici ipuçları buldular. Başka bir deyişle, ekibin karanlık madde modeliyle bir uyum vardı.

Çalışmaya göre, GW190728 verileri, kütlesi 10-12 elektronvolt civarında olan bir parçacıkla tutarlıdır; bu, parçacık fiziği standartlarına göre çok küçük bir rakamdır. Karşılaştırma olarak, bir elektronun kütlesi bunun trilyonlarca katıdır. Bunlar, bilim camiasının uzun süredir aradığı karanlık madde izleri olabilir mi?

Araştırmacılar temkinli davranıyor ve karanlık maddenin keşfedildiğini iddia etmek için kanıtların henüz yetersiz olduğunu kabul ediyorlar. Çalışmanın ortak yazarı Josu Aurrekoetxea, “Bu bulgunun istatistiksel anlamlılığı, karanlık maddenin tespit edildiğini iddia etmek için yeterince yüksek değil ve bağımsız gruplar tarafından ek doğrulamalar yapılmalıdır” dedi.

Analiz, diğer astrofiziksel açıklamaları veya olası enstrümantal etkileri tamamen dışlamıyor. Ayrıca, kullanılan modelde gelecekte iyileştirilmesi gereken yaklaşımlar bulunuyor. Yine de, sonuçların daha hassas gözlemlerle yeni araştırmaları haklı çıkarmak için yeterince ilginç olduğunu düşünüyorlar.

Bu bulgunun daha geniş kapsamlı sonuçları da var. Şimdiye kadar, ultra hafif parçacıkların araştırılması esas olarak kara deliklerin dönüş hızlarının ölçümlerine ya da sürekli yerçekimi sinyallerinin aranmasına dayanıyordu. Bu çalışma, kara deliklerin birleşmesi sırasında yayılan yerçekimi dalgalarının ayrıntılı yapısını kullanarak karanlık maddenin doğasını incelemek için yeni bir kapı açıyor.

“Karanlık maddenin etrafımızı sardığını biliyoruz. Etkilerini gözlemleyebilmemiz için yeterince yoğun olması yeterli,” dedi MIT Fizik Bölümü’nde doktora sonrası araştırmacı olan Aurrekoetxea. “Kara delikler bu yoğunluğu artırmak için bir mekanizma sağlıyor ve artık birleşirken yaydıkları yerçekimi dalgalarını analiz ederek bunu arayabiliriz.”

Yazarlar, Einstein Teleskobu veya Cosmic Explorer gibi gelecekteki dedektörlerin bu hipotezleri çok daha yüksek hassasiyetle test edebileceğine inanıyor. Daha güçlü sinyaller ve daha uzun süreli gözlemler sayesinde, bu sapmaların gerçekten yeni parçacıkların izi mi, yoksa sadece istatistiksel dalgalanmalar mı olduğunu daha iyi ayırt etmek mümkün olacaktır.

'Bu haber ilk olarak WIRED Espana tarafından yayınlanmış olup Samet Kelebek tarafından İspanyolcadan çevrilmiştir.'