Kozmoloji Sabit Hatalı!

Karanlık enerji evrenin çözüm bekleyen en önemli sorularındandır ve evrenin artan bir hızla genişlemesine neden olan her şeyi tanımlamak için kullanılır. Şu anda genel kabul gören kuram, karanlık enerjinin sabit olduğunu ve boş uzayın enerjisinin kozmik ivmeyi yönlendirdiğini öne sürmektedir. Ancak geçen yıl, Karanlık Enerji Araştırması (DES) ve Karanlık Enerji Spektroskopik aletinden (DESI) elde edilen bulgular, karanlık enerjinin gerçekten evrimleşiyor olabileceğine dair ipuçları vererek kozmoloji dünyasında heyecan yarattı. Astronomi ve Astrofizik Profesörü Josh Frieman, “Bu, karanlık enerjinin 100 yıldan uzun bir süre önce Einstein tarafından ortaya atılan kozmolojik sabit değil, yeni ve dinamik bir olgu olduğuna dair ilk delilimizdir” dedi.

Frieman ve Anowar Shajib tarafından Eylül ayında Physical Review D’de yayınlanan yeni bir makale, çok sayıda sondadan elde edilen güncel verileri bir araya getirildi. Böylece, evrimleşen karanlık enerjinin dinamik modellerinin, verileri kozmolojik sabitten daha iyi açıklayabileceği fark edildi.

Shajib’in temel araştırma alanı, Hubble sabitini ölçmek ve karanlık enerji parametrelerini sınırlamak için güçlü kütleçekimsel mercekleme tekniğini kullanan gözlemsel kozmoloji ve gökada evrimine odaklanmaktadır. Frieman’ın gözlemsel kozmoloji araştırması, Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması (SDSS) ve DES gibi büyük kozmik araştırmalardan yararlanarak, evrenin kökenini ve evrimini keşfetmeye ve karanlık enerjinin doğasını anlamaya özel bir vurgu yapmaktadır.

Shajib ve Frieman, makalelerinde anlatılan yeni modelleri, bu sonuçların etkilerini ve bundan sonra ne olacağı hakkındaki fikirlerini paylaştılar.

Soru: Evrenin incelenmesinde karanlık enerjinin önemi nedir?

Frieman: Artık evrende ne kadar karanlık enerji olduğunu tam olarak biliyoruz, ancak bunun fiziksel yapısı hakkında bir fikrimiz yok. En basit hipotez, bunun boş uzayın enerjisi olduğudur; bu durumda zaman içinde değişmez olurdu ki bu, geçen yüzyılın başlarında Einstein, Lemaître, de Sitter ve diğerlerine kadar uzanan bir düşüncedir. Evrenin %70’inin ne olduğuna dair çok az veya hiç fikrimizin olmaması biraz utanç verici. Ve ne olursa olsun, karanlık enerji evrenin gelecekteki evrimini belirleyecek.

Soru: Son bulgular kozmologları karanlık enerjinin evrimleşiyor olabileceği düşüncesine mi itti?

Shajib: Karanlık enerjinin dinamik doğasına, 90’larda keşfinden bu yana bazı gözlemsel tutarsızlıkları gidermek için ilgi duyulsa da, yakın zamana kadar büyük ve sağlam veri kümelerinin çoğu, standart kozmoloji olarak kabul edilen evrimleşmeyen bir karanlık enerji modeliyle tutarlıydı. Bununla birlikte, evrimleşen karanlık enerjiye olan ilgi, geçen yıl DES, DESI ve Planck deneylerinden gelen süpernovalar, baryon akustik salınımı ve kozmik mikrodalga arka alan verilerinin birleşimiyle güçlü bir şekilde yeniden canlandı. Bu veri kümelerinin birleşimi, standart, evrimleşmeyen karanlık enerji modeliyle güçlü bir tutarsızlığa işaret etti. Evrimleşmeyen karanlık enerjinin ilginç özelliği, uzay genişlese bile yoğunluğunun zaman içinde sabit kalmasıdır. Ancak, evrimleşen karanlık enerji modelinde karanlık enerji yoğunluğu zamanla değişir.

Frieman: Bu araştırmalardan elde edilen veriler, kozmik genişlemenin tarihini, yani evrenin geçmişte farklı dönemlerde ne kadar hızlı genişlediğini anlamamızı sağlıyor. Karanlık enerji zaman içinde evrimleşirse, bu tarih, karanlık enerjinin sabit kaldığı durumdan farklı olacaktır. Kozmik genişlemenin tarihsel sonuçları, son birkaç milyar yılda karanlık enerjinin yoğunluğunun yaklaşık %10 azaldığını gösteriyor; bu çok büyük bir miktar değil ve diğer madde ve enerji yoğunluklarından çok daha az, ancak yine de önemli bir miktar.

Soru: Bu çalışmanın amacı neydi ve genel bulguları nelerdi?

Shajib ve Frieman: Bu çalışmanın amacı, evrimleşen karanlık enerji için fiziksel bir modelin öngörülerini en son veri setleriyle karşılaştırmak ve böylece karanlık enerjinin fiziksel özelliklerini öngörmektir. Önceki veri analizlerinin çoğunda kullanılan evrimleşen karanlık enerji “modeli”, fiziksel modeller gibi davranmak zorunda olmayan matematiksel bir formülden ibaretti. Makalemizde, evrimleşen karanlık enerji için fizik tabanlı modelleri doğrudan verilerle karşılaştırıyoruz ve bu modellerin mevcut verileri standart, evrimleşmeyen karanlık enerji modelinden daha iyi tanımladığını görüyoruz. Ayrıca, DESI ve Vera Rubin Gözlemevi Uzay ve Zaman Değişimi Araştırması (LSST) gibi yakın gelecekteki araştırmaların, bu modellerin doğru olup olmadığını veya karanlık enerjinin gerçekten sabit olup olmadığını kesin olarak söyleyebileceğini gösteriyoruz.

Soru: Sunulan modelleri ve bunların karanlık enerjinin davranışını mevcut modellere kıyasla neden daha iyi açıklıyor?

Frieman: Bu modeller, aksiyon adı verilen varsayımsal parçacıkların parçacık fiziği kuramlarına dayanmaktadır. Aksiyonlar ilk olarak 1970’lerde, güçlü etkileşimlerin gözlemlenen belirli özelliklerini açıklamaya çalışan fizikçiler tarafından öngörülmüştür. Günümüzde aksiyonlar, karanlık madde için olası adaylar olarak kabul edilmektedir ve Fermilab ve Chicago Üniversitesindeki fizikçiler de olmak üzere dünya çapındaki deneyler, aksiyonları aktif olarak aramaktadır.

Makalemizdeki modeller, karanlık madde yerine karanlık enerji gibi davranacak olan aksiyonun farklı, ultra hafif bir versiyonuna dayanıyor. Bu modellerde, karanlık enerji aslında kozmik tarihin ilk birkaç milyar yılı boyunca sabit kalırdı, ancak aksiyon daha sonra -eğimli bir alanda duran ve yuvarlanmaya başlayan bir top gibi- evrimleşmeye başlar ve yoğunluğu yavaş yavaş azalırdı; veriler de bunu tercih ediyor gibi görünüyor. Dolayısıyla veriler, doğada elektrondan yaklaşık 38 büyüklük mertebesinde daha hafif yeni bir parçacığın varlığını gösteriyor.

Soru: Bu bulguların kozmik genişlemeyi anlamak açısından ne gibi etkileri var?

Shajib: Bu modellerde karanlık enerji yoğunluğu zamanla azalır. Karanlık enerji, evrenin ivmeli genişlemesinin sebebidir, bu yüzden yoğunluğu azalırsa ivme de zamanla azalacaktır. Evrenin çok uzak geleceğini düşünürsek, karanlık enerjinin farklı özellikleri farklı sonuçlara yol açabilir. Bu sonuçların iki uç noktası, ivmeli genişlemenin her şeyi, hatta atomları bile parçalayacak noktaya kadar hızlandığı Büyük Yırtılma ve evrenin bir noktada genişlemeyi bırakıp tersine bir Büyük Patlama gibi görünecek şekilde çöktüğü Büyük Çöküş’tür. Modellerimiz evrenin bu iki uç noktadan da kaçınacağını gösteriyor: milyarlarca yıl boyunca ivmeli genişlemeye maruz kalacak ve soğuk, karanlık bir evren, yani Büyük Donma ortaya çıkacak.

Soru: Bu sonuçların daha az belirgin başka etkileri olabilir mi?

Frieman: Aklıma gelen tek pratik sonuç, bu fikirleri daha derinlemesine araştırmak için geliştirmemiz gereken teknolojiler; örneğin yeni teleskoplar inşa etmek, yeni uydular fırlatmak veya yeni dedektörler geliştirmek. Bu tür gelişmelerin, trilyonlarca yıl sonra gerçekleşecek olaylardan çok daha fazla hayatımızı etkilemesi muhtemel.

Soru: Bu sonuçlarda sizi en çok heyecanlandıran şey ne?

Shajib: Bu makale için DES, DESI, SDSS, Zaman Gecikmeli Kozmografi, Planck ve Atacama Kozmoloji Teleskobundan tüm önemli veri kümelerini topladık ve bunları birleştirerek bugüne kadarki en kısıtlayıcı karanlık enerji ölçümünü elde ettik. Tüm bu ölçümler kapsamlı deneylerden elde edildi, bu nedenle bir bakıma kozmoloji topluluğunun bir bütün olarak topladığı kolektif bilgiyi temsil ediyorlar.

Frieman: 2003 yılında DES üzerinde çalışmaya başladığımızda amacımız, karanlık enerjinin özelliklerini sabit mi yoksa değişken mi olduğunu belirlemek için sınırlandırmaktı. Yirmi yıl boyunca veriler sabit olduğunu gösterdi. Veriler bu varsayımı tutarlı bir şekilde desteklediği için bu sorudan neredeyse vazgeçmiştik. Ancak şimdi, karanlık enerjinin değişiyor olabileceğine dair 20 yıldan uzun bir süre sonra ilk ipucuna sahibiz ve eğer evrimleşiyorsa, temel fizik anlayışımızı değiştirecek yeni bir şey olmalı. Bu his, başlangıçta nerede olduğumuzu hatırlatıyor. Bu ipuçlarının hâlâ yanlış olduğu ortaya çıkabilir, ancak bu soruyu yanıtlamanın eşiğinde de olabiliriz ve bu nedenle oldukça heyecan verici.