Ancak uzun yıllardır yapılan araştırmalara rağmen karanlık madde hipotezini doğrulayan bir bulgu elde edilebilmiş değil. Günümüzde bazı araştırmacılar ise karanlık madde hipotezine başvurmadan

gözlemsel verileri açıklayan modifiye kütle çekim kuramları geliştirmeye çalışıyor. Bu kuramların en öne çıkanlarından biri ise modifiye Newton dinamiği. Kısaca MOND olarak adlandırılan kuram, çeşitli olguları açıklamakta kozmolojinin standart modelinden daha başarılı olsa da fizikçiler arasından yaygın olarak kabul görmüyor. Henüz MOND’a dayalı bir kozmoloji modeli geliştirilebilmiş değil ayrıca MOND’un görelilik kuramıyla nasıl uyumlu hâle getirilebileceği de hâlâ araştırmalara konu oluyor.

Kayıp Kütle Problemi

Mikkel Juul Jensen / SPL

Isaac Newton’un geliştirdiği kütle çekim kuramı doğada gözlemlenen pek çok olgu hakkında başarılı tahminler yapar. Newton’un kuramının yetersiz kaldığı, Merkür’ün yörüngesinde gözlemlenen kaymalar gibi bazı durumlarsa Einstein’ın 1900’lerin başında geliştirdiği genel görelilik kuramı tarafından açıklanır.

Newton’un kütle çekim kuramı her ne kadar elimizdeki en iyi kütle çekim kuramı olmasa da belirli ölçeklerde çok başarılı sonuçlar verir. Söz konusu gök adalar ve gök ada kümelerinin dinamikleri olduğunda da Newton’un kuramının başarılı tahminler yapması beklenir. Ancak 1930’lardan bu yana yapılan bilimsel çalışmalar, uzayda gözlemlenen madde miktarının, Newton’un kütle çekim kuramı kullanılarak hesaplar yapıldığında gök adaların dinamikleriyle ilgili verileri açıklamakta yetersiz kaldığını gösteriyor. Kayıp kütle problemi olarak adlandırılan bu paradoks özellikle Vera Rubin’in 1960’larda ve 1970’lerde yaptığı bilimsel çalışmalardan sonra gök bilimcilerin dikkatini çekmeye başladı. Rubin, çok sayıda sarmal gök adadaki yıldızların gök adaların kütle merkezi etrafındaki dolanma hızlarını incelemişti. Newton’un kütle çekim kuramı gök adaların merkezinden uzaklaştıkça yıldızların dolanma hızlarının  azalması gerektiğini söylüyordu. Ancak Rubin’in çalışmaları, beklenenin aksine gök adaların dış kısımlarındaki yıldızların dolanma hızlarının hemen hemen sabitlendiğini gösteriyordu.

ario De Leo

Newton’un kütle çekim kuramına dayalı tahminler gök adaların dış kısımlarındaki yıldızların dolanma hızlarını sadece gözlemlenebilen madde miktarıyla açıklanamayacağını gösterir.

Yukarıdaki görselde Messier 33 gök adasında gözlemlenen dolanma hızları ile Newton’un kütle çekim kuramına dayalı tahminler arasındaki sapma örneklendiriliyor.

Kuramsal tahminler ile gözlemsel veriler arasında bir uyumsuzluk olduğunda iyi ihtimalle ya teoride ya da gözlemlerde bir eksiklik vardır. Birindeki eksiklik ya da yanlışlığı gidererek teoriyle gözlemi

birbiriyle uyumlu hâle getirmeyi başarabilirsiniz. Dolayısıyla kayıp kütle problemine iki şekilde yaklaşabilirsiniz. Birincisi elinizdeki kuramların doğru olduğunu, sorunların gözlemlerle ilgili olduğunu düşünebilirsiniz.

Eğer gerçekten de öyleyse gözlemlenen madde miktarı yıldızların dönme hızlarını açıklamakta yetersiz kaldığı için uzayda “doğrudan görülemeyen” kütleli parçacıklar olmalıdır.

İkincisi, kütle çekim kuramlarında bir eksiklik olduğunu düşünüp bu eksiklikleri gidermeye ya da gözlemsel verileri açıklayabilecek daha iyi kuramlar geliştirmeye çabalayabilirsiniz. Karanlık madde hipotezi bu yaklaşımlardan birincisinin sonucudur. Bugün pek çok fizikçi uzayın doğrudan görülemeyen ancak kütle çekimi aracılığıyla çevresiyle etkileşen bir tür karanlık madde ile dolu olduğunu düşünüyor.

Gözlemlerle ilgili bir sıkıntı olmadığını, yapılması gerekenin kütle çekim kuramlarını iyileştirmek olduğunu düşünen araştırmacıların sayısı ise çok daha az. Yine de bugüne kadar geliştirilmiş pek çok modifiye kütle çekim kuramı var.

Örneğin f(R) kütle çekimi olarak adlandırılan kuramlar Einstein alan denklemlerindeki Ricci sabitini (R), Ricci sabitinin bir fonksiyonuyla değiştirerek genel görelilik kuramını iyileştirmeye çalışıyor. Modifiye kütle çekim kuramlarının bir diğer örneği ise kısaca MOND olarak adlandırılan modifiye Newton dinamiği. Newton yasalarını genelleştirerek gözlemsel verileri açıklamaya çalışan kuramın azımsanamayacak sayıda destekçisi var. MOND’un en önemli özelliklerinden

biri ise modifiye kütle çekimi kuramları açısından bile sıra dışı denebilecek bir biçimde karanlık maddenin varlığını yadsıması.

Karanlık Madde

Karanlık madde adından da anlaşılabileceği gibi ışık soğurmadığı ya da yaymadığı için doğrudan görülemeyen maddeyi ifade eder. Işık ışınlarını meydana getiren fotonlar elektromanyetik kuvvetin taşıyıcısıdır. Dolayısıyla, eğer gerçekten de varsa, karanlık madde elektromanyetik kuvvet aracılığıyla etkileşmeyen, elektrik yükü taşımayan parçacıklardan oluşmalıdır. Ayrıca kütle çekimi aracılığıyla çevresini etkilediği için karanlık madde parçacıkları kütleli olmalıdır. Peki karanlık madde parçacıkları başka hangi özelliklere sahip olabilir?

Karanlık madde kendini oluşturan parçacıkların hareket hızlarına göre “soğuk”, “ılık” ve “sıcak” olarak sınıflandırılabilir. Bilimsel çalışmalar, bu ihtimallerden “soğuk karanlık madde”yi öne çıkarır.

Nıcolle R. Fuller / SPL

Karanlık maddeyi oluşturan parçacıkların doğası ile ilgili öne çıkan hipotezlerden biri kısaca WIMP olarak adlandırılan “zayıf etkileşen kütleli parçacıklar” hipotezidir. Bu hipoteze göre karanlık maddeyi meydana getiren atom altı parçacıklar kütle çekiminin yanı sıra zayıf etkileşim aracılığıyla da etkileşir. WIMP’lerin kütlesi standart modeldeki parçacıklara kıyasla büyüktür. Dolayısıyla yavaş hareket ederler ve kendi aralarındaki kütle çekiminin görece büyük olması nedeniyle bir araya gelerek topaklanma eğilimindedirler.

Karanlık madde adayı parçacıklardan biri de axionlar. Franck Wilczek ve Steven Weinberg axionların var olduğu hipotezini 1978 yılında karanlık madde hipotezinden bağımsız olarak öne sürmüştü. Wilczek ve Weinberg’in bilimsel çalışmalarının amacı kuantum kromodinamiğindeki bir probleme çözüm bulmaktı. Ancak eğer doğada gerçekten de axionlar varsa ve kütleleri belirli bir aralığın içindeyse karanlık maddeyi ya da karanlık maddenin bir kısmını axionlar oluşturabilir. Bir başka karanlık madde adayı ise evrenin ilk zamanlarından kalma kara delikler.

Nasa’s Goddard Space Flight Center / SPL

Kozmolojinin standart modeline dayalı tahminlere göre karanlık madde evrendeki toplam madde-enerji yoğunluğuna %27 katkıda bulunur.

Karanlık madde bugün kozmolojinin standart modelinde önemli bir yer tutar. Kısaca ACDM olarak adlandırılan modelde A karanlık enerjiye karşılık gelen kozmolojik sabiti, CDM ise “soğuk karanlık maddeyi” simgeler. Modeldeki üçüncü ana bileşen ise sıradan maddedir. Gözlemler ve standart modele dayalı tahminlere göre karanlık enerji, karanlık madde ve sıradan madde günümüzde evrenin toplam madde-enerji yoğunluğuna sırasıyla %68, %27 ve %5 oranlarında katkıda bulunur.

Richard Kail / SPL

Kozmolojinin standart modeline göre karanlık madde gök adaların oluşumunda önemli bir rol oynar. Sıradan madde, gök adaları çevreleyen karanlık madde halelerinin kütle çekiminin etkisiyle bir araya gelerek gök adaları oluşturur.

Standart modele göre karanlık madde evrendeki kozmik yapıların oluşumunda önemli rol oynar. Bir araya gelerek topaklanan karanlık maddenin çekimi kozmik yapıların oluşumu sırasında şablon görevi görür. Karanlık madde olmadan gök adaların başlangıçtaki hâlleriyle ortaya çıkması ya da zaman

içinde bugünkü hâllerini alması mümkün olamazdı. Karanlık enerji ise evrenin genişleme hızındaki süregiden artışa açıklama getirir.

Karanlık madde ve karanlık enerjiyi evrenin yapı taşları olarak ele alan, bugün gözlemlediğimiz evrenin milyarlarca yıl önce meydana gelmiş bir Büyük Patlama sonucu ortaya çıktığını söyleyen standart model pek çok olguyu başarıyla açıklar. Bugün için standart model ile ilgili

en önemli sorun, modelin yapı taşları olan karanlık madde ve karanlık enerjinin gerçekten de var olup olmadığı, eğer gerçekten de varlarsa doğalarının ne olduğudur.

MOND

Modifiye Newton dinamiği gök ada dinamiklerini karanlık maddeye ihtiyaç duymadan açıklamaya çalışır. Kuramın temel iddiası Newton yasalarının doğru yasalara sadece bir yaklaşım olduğudur. Newton yasaları, ivme değerlerinin görece yüksek olduğu ortamlarda (örneğin yeryüzünde ya da Güneş sisteminde) mükemmele yakın sonuçlar verir. Ancak gök adaların dış kısımları gibi ivme değerlerinin aşırı derecede düşük olduğu ortamlarda ise yetersiz kalır. Başka bir deyişle kütle çekimi ile ilgili doğru fizik yasaları sadece yüksek ivme değerlerinde Newton yasalarına yakınsar.

Weizmann Institute of Science

Mordehai Milgrom

Newton’un yasalarına göre kütleleri m1 ve m2 aralarındaki mesafe r olan iki cisim arasındaki kütle çekim kuvveti

F_N = G m₁ m₂/r₂

eşitliği ile hesaplanır. Bu eşitlikte G kütle çekim sabitini ifade eder. Bir cisme etki eden kuvvet ile cismin ivmesi arasındaki ilişki ise şudur:

F = ma

Newton’un üç hareket yasasının ikincisini ifade eden bu eşitlikte F cisme etki eden kuvveti, m cismin eylemsizlik kütlesini, a ise cismin ivmesini ifade eder.

Newton yasalarının genelleştirilmesi gerektiği düşüncesi ilk kez 1983 yılında Mordehai Milgrom tarafından ortaya atılmıştı. Milgrom’a göre bir cisme etki eden kütle çekim kuvveti ile cismin bu kütle çekim kuvvetinden kaynaklanan ivmesi arasındaki doğru ilişki şu şekilde olmalıdır:

F_N = m_μ(a/a₀)a

Bu eşitliğin sol tarafında yer alan F_N , Newton’un kütle çekim yasası ile hesaplanan kütle çekim kuvvetidir. Sağ tarafta yer alan μ(x) doğru formunun ne olduğu belirlenmesi gereken bir fonksiyonu ifade eder. İnterpolasyon fonksiyonu olarak adlandırılan bu fonksiyonun argümanında yer alan a0 ise Newton yasalarının hangi koşullar altında yaklaşık olarak doğru olduğunu belirleyen yeni bir temel sabittir. Milgrom’un yasasının yüksek ivme değerlerinde Newton yasalarına yakınsaması için μ(x)fonksiyonunun x’in 1’den çok büyük olduğu durumlarda 1’e yakınsaması gerekir:

x >> 1 ise μ(x) → 1

Milgrom yasasının gözlemlere uyumlu olması içinse

x << 1 → μ(x) → x

olmalıdır. Bu limit değerlerini sağlayan fonksiyonun ne olduğu ise ancak bilimsel çalışmalarla, kuramsal tahminlerle gözlemleri uyumlu hâle getirmeye çalışarak belirlenebilir. Üzerinde durulan interpolasyon fonksiyonlarından biri “basit interpolasyon fonksiyonu”:

μ(x) =x /(1 + x)

bir diğeri ise “standart interpolasyon fonksiyonu”dur:

μ(x)=x/(√(1+x²))

Standart Newton dinamiği M kütleli bir cismin kütle çekiminin r mesafedeki bir başka bir cisimde sebep olduğu ivmenin M/r2 ile orantılı olduğunu söyler. Başka bir deyişle ivme cismin kütlesi M ile doğru orantılı, aradaki mesafe r’nin karesi ile ters orantılıdır. Aynı durum ivme değerinin a0’dan çok büyük olduğu (interpolasyon fonksiyonunun 1’e yakınsadığı) hâllerde MOND için de doğrudur. İvme değerinin a0’dan çok küçük olduğu hâllerde ise MOND ivmenin kütlenin karekökü ile doğru orantılı aradaki mesafe ile ters orantılı olduğunu tahmin eder:

a ∝ √M / r

Milgrom’un yasasına iki şekilde yaklaşmak mümkündür. Birincisi, Milgrom’un yasasının modifiye ettiği şeyin eylemsizlik kütlesi olduğunu düşünülebilir. Başka bir deyişle F_N’in a ile değil μ(a/a₀)a ile orantılı olduğunu düşünülebilir. Eğer bu yaklaşım doğru ise sadece kütle çekim kuvvetinin değil elektromanyetik kuvvetin de μ(a/a₀)a ile orantılı olması gerekir. Ancak deneysel çalışmalar bu yaklaşımın doğru olmadığını gösteriyor. İkinci olarak Milgrom’un yasasının modifiye ettiği şeyin Newton’un kütle çekim yasası olduğu düşünülebilir. Başka bir deyişle Newton’un ikinci hareket yasası doğrudur. Newton’un kütle çekim yasasının doğru formu ise

G·m₁·m₂ / [ μ(a/a₀) · a ]

olmalıdır. Dolayısıyla Milgrom yasasının getirdiği değişim sadece kütle çekimi ile ilgili olgularla sınırlıdır. Günümüzde MOND’un savunucuları bu yaklaşımı doğru olarak kabul ediyor.

Newton dinamiğinin temel bir özelliği doğrusallıktır. Bir cisim birden fazla kaynağın kütle çekim etkisine maruz kalıyorsa her bir kuvvetin sebep olduğu ivme vektörlerini basitçe toplayarak cismin toplam ivmesi hesaplanabilir. Bu durum bir sistemin iç dinamiklerini hesaplarken sistemin bir bütün hâlinde maruz kaldığı dış etkilerin göz ardı edilebileceği anlamına gelir. Sistemin iç dinamikleri ile ilgili tüm hesaplar sistemin kütle merkezi referans alınarak yapılabilir. Aynı durum MOND için geçerli değildir. Çünkü Milgrom yasasındaki ivmeye bağımlı μ(x) terimi doğrusallığı bozar. Bu durumun bir sonucu, bir sistemin iç dinamiklerinin dış etkilerden bağımsız olarak ele alınamayacağıdır. Newton

dinamiğinde bir analoğu olmayan bu durum “harici alan etkisi” olarak adlandırılır. Milgrom yasasında yer alan a0 sabitinin değerinin ne olması gerektiği kuramın ortaya atıldığı ilk yıllarda Kor Begeman ve  arkadaşları tarafından ele alınmıştı.

Araştırmacılar Milgrom yasasını gök ada dolanma eğrileriyle ilgili verilere uydurarak 1,2×10^-10 m/s² değerinin optimal olduğunu hesaplamıştı. Aradan geçen yıllarda sabitin değerinde kayda değer bir değişim olmadı. Yeryüzündeki yaklaşık 9,8 m/s²’lik yer çekim ivmesinin ya da Güneş sistemindeki gezegenlerin ivmelerinin yanında 1,2×10^-10 m/s² değeri çok küçük kalır. Dolayısıyla bu ortamlarda interpolasyon fonksiyonunun değeri yaklaşık olarak 1’dir ve Newton yasaları Milgrom yasasına çok iyi bir yaklaşımdır. Söz konusu gök adaların dış bölgelerinde dolanan yıldızlar olduğundaysa ivme değerleri 1,2×10^-10 m/s²’nin çok altına düşer. Bu ortamlarda Newton yasaları ve Milgrom yasası birbirinden çok farklı tahminler yapar.

MOND Üzerine Bilimsel Çalışmalar

İlk kez öne sürülmesinin ardından geçen kırk yılda MOND üzerine pek çok bilimsel çalışma yapıldı. Bu çalışmaların bazılarında elde edilen sonuçlar MOND’u ACDM karşısında ön plana çıkarırken bazılarında ise MOND, ACDM kadar başarılı sonuçlar vermiyor.

Gök Adaların Dolanma Eğrileri

John Chumack / SPL

MOND, gök ada ölçeğindeki sorunların aşılması için öne sürülmüş bir teoridir. Kuramın bu ölçekte gerçekten de çok iyi sonuçlar verebileceğini gösteren çalışmalardan biriyse 2016 yılında Physical Review Letters’ta yayımlandı.

Mark Garli k  PL

Case Western Reserve Üniversitesinden Stacy McGaugh ve arkadaşları 153 gök adanın dolanma eğrileri ile ilgili ölçümleri MOND kullanarak büyük bir hassasiyetle tahmin etmeyi başardı. Gök adaları çevreleyen karanlık madde halelerine gerek duymadan da gök adaların dolanma eğrilerinin açıklanabileceğini gösteren bu sonuçlar Milgrom’un öne sürdüğü düşünceleri destekler nitelikteydi. Bu ve benzeri hesaplarda MOND’un karanlık madde hipotezi karşısındaki bir üstünlüğü, sadece gözlemlere dayalı olarak kuramsal tahminler yapılmasına izin vermesi. Başka bir deyişle MOND kullanarak bir gök adanın dinamikleri ile ilgili kuramsal tahminler yapabilmeniz için gök adadaki madde dağılımını ölçmeniz yeterli. Aynı durum karanlık maddeye dayalı kuramlar için geçerli değil. Bu kuramlarda ancak gözlemlenen dinamikleri analiz ederek sistemde ne kadar karanlık madde olduğu ile ilgili çıkarım yapılabilir. Sadece gözlemlenen madde dağılımına bakarak sistemin dinamikleri ile ilgili hesap yapmaksa mümkün değildir.

İkili Yıldız Sistemleri

MOND’u test etmek için ideal sistemler karanlık maddenin önemli bir etkisinin olması beklenmeyen sistemlerdir. Böyle bir sistemde gözlemlenecek kütle çekimi ile ilgili herhangi bir anormallik, gözlemlenemeyen karanlık maddeden değil, kütle çekim yasalarındaki bir eksiklikten ya da yanlışlıktan kaynaklanıyor olacaktır.

Karanlık maddenin önemli bir etkisinin olması beklenmeyen sistemlerden biri, birbirinin etrafında dönen iki yıldızdan oluşan sistemlerdir. Kozmolojinin standart modeli, devasa gök adaları çevreleyen yüksek miktarda karanlık madde halesi olduğunu söylese de ikili yıldız sistemleri gibi görece küçük ölçekli bir sistemin içerisinde sistemin dinamiklerini belirgin bir biçimde etkileyecek miktarda karanlık madde olması beklenmez. Dolayısıyla böyle bir sitemin dinamiklerinde gözlemlenecek herhangi bir anormalliğin nedeni kütle çekim yasalarındaki bir eksiklik ya da yanlışlık olmalıdır.

Avrupa Uzay Ajansı’nın Gaia Astrometrik Uzay Görevi kapsamında yapılan çalışmalarda ikili yıldız sistemlerindeki hareketler hassas bir biçimde ölçülebiliyor ve elde edilen veriler MOND’u test etmek için kullanılabiliyor. Ancak ilginç bir biçimde bugüne kadar yapılan çalışmalarda birbiriyle çelişen sonuçlara ulaşıldı. Bazı araştırmacılar Gaia verilerini kullanarak MOND’u destekleyen sonuçlara ulaştıklarını açıklayan makaleler yayımlarken bazı araştırmacılarsa standart Newton dinamiğini destekleyen sonuçlara ulaştıklarını açıklayan makaleler yayımladı.

European Space Agency,D. Ducros / SPL

Gaia Uydusu

Güney Kore’deki Sejong Üniversitesinden Kyu-Hyun Chae 26.500 ikili yıldız sistemindeki hareketleri analiz etti. Sonuçları 2023’te The Astrophysical Journal’de yayımlanan araştırmada yıldızların hareketlerinin MOND’un tahminleri ile uyumlu olduğu tespit edildi. Yine 2023’te yayımlanan bir başka çalışmada ise Birleşik Krallık’taki St Andrews Üniversitesinden Indranil Banik, iki yıldız sistemlerinin dinamiklerinin standart Newton mekaniği ile uyumlu olduğu sonucuna vardı. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society’de yayımladığı sonuçlar, daha önceleri MOND taraftarı olan Banik’in fikrini değiştirmesine yol açtı. Benzer bilimsel çalışmaların neden birbiriyle farklı sonuçlar verdiği hâlâ tartışmalara konu oluyor. Banik’e göre farklılıkların nedeni, iki çalışmanın ölçümlerdeki belirsizlikleri ele alma biçimi olabilir. Harici Alan Etkisi Eğer MOND doğruysa Güneş sisteminin dış kısımlarındaki gezegenlerin yörüngelerinde harici alan etkisinin izlerinin tespit edilebilmesi gerekir. Ancak 2004-2017 yılları arasında Satürn’ün etrafından dolanan Cassini uzay aracının topladığı verilerde bugüne kadar MOND’u destekleyebilecek herhangi bir bulguya ulaşılamadı. Cassini’nin topladığı Satürn’ün yörüngesiyle ilgili verilerde harici alan etkisine rastlanamadı. Banik’e göre Cassini verileriyle MOND’u uyumlu hâle getirmenin bir yolu yok ve MOND’un bir ışık yılından daha küçük ölçeklerde doğru sonuçlar vermesi imkânsız.

emes Laszlo / SPL

Cassini uydusunun topladığı Satürn’ün yörüngesi ile ilgili verilerde harici alan etkisine dair bir ize rastlanamadı.

Gök Ada Kümeleri

NASA 2006 yılında çarpışmakta olan iki gök ada kümesinin görüntüsünü yayınlamıştı. Kaynaşmakta olan gök ada kümelerinin toplu hâline Mermi Kümesi adı verilmişti. Gök adalardaki gök cisimlerinin detaylı konumları Hubble Uzay Teleskobu ile yapılan gözlemlerle tespit edilmişti. Gök adalar arasındaki sıcak gazlar ile ilgili bilgilerse Chandra X Işını Gözlemevi’nin yaptığı çalışmalarla elde edilmişti. Araştırmacılar, hem gök adaların ve gazların dağılımı hem de kütle çekimsel mercekleme etkisi ile ilgili verileri de kullanarak gök ada kümelerindeki karanlık madde miktarını ve dağılımını hesaplamıştı. Elde edilen sonuçlarınsa karanlık maddenin gerçekten de var olduğunu gösterdiği iddia edilmişti. Bonn Üniversitesinden Pavel Kroupa ise Mermi Kümesi ile ilgili verilerin ACDM’yi değil MOND’u destekler nitelikte olduğunu iddia ediyor. Kroupa’ya göre bu durumun nedeni kaynaşan kümelerin çekimine kapılan gök adaların hareket hızları. ACDM’ye dayalı hesaplara göre gök adaların hareket hızlarının gözlemlenenden daha düşük olması gerekiyor. MOND’a dayalı hesaplarsa gözlemlerle uyumlu sonuçlar veriyor. McGaugh ise Mermi Kümesi verilerinin sadece ACDM için değil MOND için de sorunlu olduğunu söylüyor. MOND ile yapılan analizlerde de kütle değerleriyle ilgili bir uyuşmazlık var.

M. Markevitch / CXC / CFA / NASA / SPL

Mermi Kümesi’nin Chandra X Işını Gözlemevi tarafından elde edilmiş görüntüsü. Görselde sıradan maddenin pembe renkle, kütle çekimsel mercekleme etkisinde dayalı hesaplara göre karanlık maddenin bulunduğu bölgelerse mavi renkle gösteriliyor. Mermi Kümesi ilk kez gözlemlendiğinde elde edilen verilerin karanlık madde hipotezini doğruladığı öne sürülmüştü. Bugün bazı araştırmacılar, gök adaların hızları ile ilgili verilerden yola çıkarak Mermi Kümesi ile ilgili gözlemlerin kozmolojinin standart modelini yanlışladığını, MOND’u ise desteklediğini öne sürüyor.

Kozmik Artalan Işıması

Kozmik artalan ışıması günümüzde tüm evreni neredeyse homojen bir biçimde dolduran yaklaşık 2,7 Kelvin sıcaklıktaki ışımadır. Büyük Patlama’nın 380.000 yıl sonrasından beri evreni serbestçe dolaşan bu ışımanın sıcaklığında anizotropiler olarak adlandırılan ufak dalgalanmalar bulunur. Kozmolojinin standart modelinde anizotropileri açıklamak için karanlık maddenin varlığından yararlanılır. MOND’un gerçek anlamda karanlık madde hipotezine rakip olabilmesi için doğal olarak kozmik artalan ışımasındaki anizotropilere de bir açıklama getirmesi gerekir.

MOND, Einstein’in genel görelilik kuramını değil Newton’un kütle çekim yasasını modifiye eder. Kozmik artalan ışımasındaki anizotropileri açıklayacak, ACDM’ye rakip olacak bir kozmoloji modeli ortaya koyabilecek bir kuramınsa görelilik kuramıyla uyumlu olması gerekir.

Modern kozmolojiye uygulanabilecek ilk rölativistik MOND modeli, 2000’lerde Jacob Bekenstein tarafından geliştirilmişti. Ancak Tensor-Vektör-Skalar (TeVeS) kütle çekimi olarak adlandırılan bu kuram pek başarılı olamadı. Kozmik artalan ışımasında karanlık maddeye bağlanan anizotropileri açıklayamamasının yanı sıra kütle çekimsel mercekleme ya da kütle çekimsel dalgalar gibi olguları modellemekte de yetersiz kaldı.

Planck Collaboration / European Spac Agency / SPL

Çek Bilimler Akademisinden Constantinos Skordis ve Tom Złośnik, 2021 yılında bir başka rölativistik MOND teorisi geliştirdi. Araştırmacılar modellerine sadece evrenin ilk dönemlerinde etkili olmuş, kütle çekimini modifiye ederek karanlık maddenin etkilerine benzer etkiler ortaya çıkaran alanlar ekledi. Her ne kadar kozmik artalan ışımasını açıklamakta başarılı olsa da Skordis ve Złośnik’in kuramı da TeVeS gibi kütle çekimsel mercekleme ile ilgili ölçümleri doğru tahmin edemiyor.

Gök Adaların Oluşma Hızları

Söz konusu evrenindeki yapıların gelişimi olduğunda ACDM önce ufak yapıların oluşacağını daha sonra bu ufak yapıların zamanla bir araya gelerek kaynaşmasıyla daha büyük yapıların ortaya çıkacağını söyler. Başka bir deyişle görece daha küçük yapılar evrenin daha erken dönemlerinde görece daha büyük yapılarsa evrenin daha geç dönemlerinde oluşmalıdır. Ancak eliptik gök adalardaki yıldız kütlelerinin gelişimi ile ilgili gözlemler bu genel kurala uymuyor.

Avusturyalı gök bilimci Sabine Bellstedt ve arkadaşlarının yaptığı bilimsel çalışmalar evrendeki büyük kütleli eliptik gök adaların günümüzden on bir milyar yıl önce bugün sahip olduğu “yıldız kütlesinin” yaklaşık yarısı kadar yıldız kütlesine sahip olduğunu gösteriyor. Söz konusu küçük kütleli gök adalar olduğundaysa gök adaların bugün sahip olduğu yıldız kütlesinin yarısına günümüzden ancak dört milyar yıl önce ulaşmaya başladığı görülüyor. Bu durum büyük gök adaların daha yavaş oluşacağını söyleyen kozmolojinin standart modeliyle çelişiyor. MOND savunucuları, büyük patlamadan sadece birkaç milyar yıl sonra devasa gök adaların ortaya çıkmış olmasını karanlık madde hipotezini yanlışlayan bir veri olarak görüyor. Hatta MOND’un bu durumu daha iyi açıkladığı iddiaları var. Pavel Kroupa, Prag’daki Charles Üniversitesinden Robin Eapen ile yaptıkları bir çalışmada MOND’u kullanarak yaptıkları simülasyonlarda gözlemlerle uyumlu bir biçimde daha büyük kütleli gök adaların daha erken, daha küçük kütleli gök adalarınsa daha geç oluştuğunu söylüyor. Simülasyonlarda daha büyük kütleli gaz bulutları daha hızlı bir biçimde ve doğru zaman ölçeğinde kendi içine çökerken daha düşük kütleli gaz bulutlarının kendi içine çökmesi ise daha uzun zaman alıyor.

Devasa Yapılar ve Boşluklar

MOND destekçileri tarafından karanlık madde hipotezinin yanlışlığını gösterdiği düşünülen diğer gözlemler evrendeki devasa yapılarla ve devasa boşluklarla ilgili. Örneğin 2021 yılında Central Lancashire Üniversitesinden Alexia Lopez 3,3 milyar ışık yılı uzunluğunda bir yayın üzerine dağılmış gök adalar (“Dev Yay”) keşfetmişti. Lopez, 2023 yılında ise çapı 1,3 milyar yıl olan bir halkanın üzerine dağılmış gök adalar (“Büyük Halka”) keşfetti. Bu devasa yapıların yanı sıra evrende madde yoğunluğunun aşırı derecede düşük olduğu devasa boşluklara da rastlanıyor. Örneğin KBC boşluğunun çapı yaklaşık olarak iki milyar ışık yılı. İçinde bulunduğumuz Samanyolu gök adası ve diğer bazı gök adalar da bu aşırı derecede düşük yoğunluklu boşluğun içinde yer alıyor. Bu ve benzeri devasa yapılar ve boşluklar ile ilgili temel sorun, ana bileşenlerinden biri karanlık madde olan ACDM’ye dayalı simülasyonların bu derecede büyük yapıları ve boşlukları ortaya çıkaramaması. MOND destekçilerine göre ACDM’nin bu gözlemlere bir açıklama getirmesi imkânsız.

Pablo Carlos Budassi, Wikimedia Commons

Yerel Delik olarak da adlandırılan KBC Boşluğu

Özet

Karanlık madde hipotezi kozmolojinin standart modelinde önemli bir yer tutsa da karanlık maddenin gerçekten var olup olmadığı, eğer varsa doğasının ne olduğu hâlâ tartışma konusu. Bazı araştırmacılar ise modifiye kütle çekim kuramları geliştirmeye uğraşıyor. Bu kuramların önde gelenlerinden MOND, karanlık maddenin varlığına ihtiyaç duymadan Newton kütle çekim yasasını modifiye ederek tüm kütle çekimsel olguları açıklamaya çalışıyor. Başlangıçta gök adaların dinamiklerini açıklamak için tasarlanmış kuram çeşitli konularda başarılı olsa da hâlâ aşılamayan sorunlar var. MOND’u görelilik kuramı ile uyumlu hâle getirmeye çabalarında başarılı bir sonuç elde edilebilmiş değil. Ayrıca MOND’a dayalı bir kozmoloji modeli de henüz oluşturulamadı.

Kozmolojinin standart modelini ve MOND’u destekleyenler farklı noktalara odaklanıyor. MOND savunucuları kuramın, gök adaların dinamiklerini açıklamadaki başarısını ön plana çıkarıyor. Rölavitistik bir MOND teorisi ya da MOND’a dayalı bir kozmoloji modeli oluşturulması gibi sorunlarınsa zamanla aşılacağını düşünüyor. ACDM’yi ve dolayısıyla karanlık madde hipotezini savunanlarsa kozmolojinin standart modelinin hemen hemen tüm gözlemsel verileri başarıyla açıkladığına dikkat çekiyor. Gök adaların oluşma hızları ya da devasa yapılar ve boşluklar ile ilgili sorunlarınsa uzayda meydana gelen fiziksel süreçlerin daha iyi anlaşılmasıyla aşılacağını düşünüyor.

Mıguel Claro / SPL

Portekiz’deki Castro de Palheiros’tan Samanyolu görüntüsü

Her ne kadar alternatifler üzerine çalışmalar olsa da karanlık madde hipotezi kozmolojideki baskın rolünü koruyor. Dünya genelinde pek çok araştırma grubu karanlık maddenin doğasını çözümlemek üzerine çalışmaya devam ediyor. Hatta hedeflerinden pek de uzak olmayabilirler. MOND ya da diğer modifiye kuramların kozmolojide ön plana çıkabilmesi için ise hâlâ çok yol almaları lazım. Sonuçta bu kuramların sadece bugün ACDM’nin yetersiz gözüktüğü tekil sorunlara değil ACDM’nin başarıyla açıkladığı tüm olgulara da bir açıklama getirmesi gerekiyor.

Kaynaklar

Cooper, K., “Cosmic combat: delving into the battle between dark matter and modified gravity”, Physics World, https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/, 6 Şubat 2024.

Cooper, K., “Dark matter’s secret identity: WIMPs or axions?”, Physics World, https://physicsworld.com/a/dark-matters-secret-identity-wimps-or-axions/, 25 Haziran 2024. Cooper, K., “MOND versus dark matter: the clash for cosmology’s soul”, Physics World, https://physicsworld.com/a/mond-versus-dark-matter-the-clash-for-cosmologys-soul/, 12 Ağustos 2025.

McGaught, S. S., ve ark., “Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies”, Physical Review Letters, Cilt 117, s. 201101, 2016.

Chae, K.-H., “Breakdown of the Newton–Einstein Standard Gravity at Low Acceleration in Internal Dynamics of Wide Binary Stars”, The Astrophysical Journal, Cilt 952, Makale No: 128, 2023.

Skordis, C. ve Złośnik, T., “New relativistic theory for modified Newtonian Dynamics”, Physical Review Letters, Cilt 127, s. 161302, 2021.

Bellstedt, S., ve ark., “Galaxy And Mass Assembly (GAMA): a forensic SED reconstruction of the cosmic star formation history and metallicity evolution by galaxy type”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Cilt 498, s. 5581, 2020.

Begeman, K. G., ve ark., “Extended rotation curves of spiral galaxies: dark haloes and modified dynamics”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Cilt 249, s. 523, 1991.