Gökbilimciler uzun zamandır galaksimiz Samanyolu'nun kalbindeki iki tuhaf olgu karşısında şaşkına dönmüş durumdaydı. Bunlardan ilki, galaksimizin merkezine yakın, yoğun ve kaotik bir bölge olan Merkezi Moleküler Bölge'deki (MMB) gazın şaşırtıcı derecede yüksek bir oranda iyonize olmasıydı. Yani, elektronlarını kaybettiği için elektriksel olarak yüklenmiş halde bulunmasıydı.
İkinci gizem ise teleskopların, enerjisi 511 kilo-elektronvolt (keV) olan gizemli bir gama ışını parıltısı tespit etmesiydi. Bu enerji, bir elektronun durgun haldeki enerjisine karşılık geliyor.
İlginç bir şekilde, bu tür gama ışınları, bir elektron ile onun karşı madde eşdeğeri olan pozitron (tüm temel yüklü parçacıkların kendileriyle neredeyse aynı, ancak zıt yüke sahip karşı madde versiyonları vardır) çarpışıp bir ışık parlamasıyla yok olduğunda üretilir.
Onlarca yıllık gözlemlere rağmen her iki etkinin de nedenleri belirsizliğini koruyordu.
Ancak Physical Review Letters dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada, her iki olgunun da evrenin en zor bulunan bileşenlerinden biriyle, yani karanlık maddeyle bağlantılı olabileceği gösterildi. Özellikle, gökbilimcilerin genellikle aradığı türlerden daha az kütleli, yeni bir karanlık madde formunun bu işin sorumlusu olabileceği öne sürülüyor.
Gizli Bir Süreç
Merkezi Moleküler Bölge (MMB), yaklaşık 700 ışık yılı genişliğindedir ve galaksideki en yoğun moleküler gazlardan bazılarını içerir. Yıllar içinde bilim insanları, bu bölgenin alışılmadık derecede iyonize olduğunu, yani buradaki hidrojen moleküllerinin beklenenden çok daha hızlı bir şekilde yüklü parçacıklara (elektronlar ve çekirdekler) ayrıldığını keşfettiler.
Bu durum, gaza çarpan kozmik ışınlar ve yıldız ışığı gibi kaynakların bir sonucu olabilir. Ancak bunlar tek başına gözlemlenen seviyeleri açıklamaya yetmiyor gibi görünüyor.
Diğer gizem olan 511 keV'lik emisyon ise ilk olarak 1970'lerde gözlemlendi, ancak hala net bir kaynağı belirlenemedi. Süpernovalar, devasa yıldızlar, kara delikler ve nötron yıldızları da dahil olmak üzere birçok olası aday öne sürüldü. Fakat hiçbiri emisyonun modelini veya yoğunluğunu tam olarak açıklayamıyor.
Araştırmacılar basit bir soru sordular: Her iki olgu da aynı gizli süreçten kaynaklanıyor olabilir mi?
Karanlık madde, evrendeki maddenin yaklaşık %85'ini oluşturur, ancak ışık yaymaz veya emmez. Kütleçekimsel etkileri açık olsa da, bilim insanları hala neyden yapıldığını bilmiyor.
Genellikle göz ardı edilen bir olasılık, karanlık madde parçacıklarının çok hafif olabileceği, kütlelerinin bir protondan çok daha hafif, sadece birkaç milyon elektronvolt olabileceği ve yine de kozmik bir rol oynayabileceğidir. Bu hafif karanlık madde adayları genellikle GeV-altı (giga elektronvolt) karanlık madde parçacıkları olarak adlandırılır.
Bu tür karanlık madde parçacıkları, kendi karşı parçacıklarıyla etkileşime girebilir. Yapılan çalışmada, bu hafif karanlık madde parçacıklarının galaksi merkezinde kendi karşı parçacıklarıyla temas edip birbirlerini yok ederek elektronlar ve pozitronlar üretmesi durumunda ne olacağı incelendi.
MMB'nin yoğun gazında, bu düşük enerjili parçacıklar hızla enerji kaybeder ve çevreleyen hidrojen moleküllerini, elektronlarını kopararak çok verimli bir şekilde iyonize eder. Bölge çok yoğun olduğu için parçacıklar uzağa gidemez. Bunun yerine, enerjilerinin çoğunu yerel olarak bırakırlar ki bu da gözlemlenen iyonizasyon profiliyle oldukça iyi eşleşmektedir.
Detaylı simülasyonlar kullanılarak, karanlık madde parçacıklarının elektronlara ve pozitronlara dönüşerek yok olmasının, MMB'de gözlemlenen iyonizasyon oranlarını doğal olarak açıklayabildiği bulundu.
Daha da iyisi, karanlık maddenin kütlesi ve etkileşim gücü gibi gerekli özellikleri, erken evrenden bilinen herhangi bir kısıtlamayla çelişmiyor. Bu tür bir karanlık madde ciddi bir seçenek gibi görünüyor.
Pozitron Bilmecesi
Eğer karanlık madde MMB'de pozitronlar yaratıyorsa, bu parçacıklar eninde sonunda yavaşlayacak ve ortamdaki elektronlarla yok olarak tam olarak 511 keV enerjili gama ışınları üretecektir. Bu, iyonizasyon ile gizemli parıltı arasında doğrudan bir bağlantı sağlayacaktır.
Araştırmacılar, karanlık maddenin iyonizasyonu açıklayabilirken, aynı zamanda bir miktar 511 keV radyasyonunu da üretebileceğini buldular. Bu çarpıcı bulgu, iki sinyalin potansiyel olarak aynı kaynaktan, yani hafif karanlık maddeden kaynaklanabileceğini düşündürüyor.
Ancak 511 keV çizgisinin tam parlaklığı, pozitronların elektronlarla ne kadar verimli bir şekilde bağlı durumlar oluşturduğu ve tam olarak nerede yok oldukları gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Bu detaylar hala belirsizliğini koruyor.
Görünmezi Test Etmenin Yeni Bir Yolu
511 keV emisyonu ile MMB iyonizasyonunun ortak bir kaynağı olup olmadığına bakılmaksızın, MMB'deki iyonizasyon oranı, karanlık maddeyi incelemek için değerli yeni bir gözlem olarak ortaya çıkıyor. Özellikle, geleneksel laboratuvar deneyleriyle tespit edilmesi zor olan hafif karanlık madde parçacıklarını içeren modelleri test etmenin bir yolunu sunuyor.
Yapılan çalışmada, karanlık maddeden kaynaklanan tahmini iyonizasyon profilinin MMB boyunca dikkate değer ölçüde düz olduğu gösterildi. Bu önemli, çünkü gözlemlenen iyonizasyon gerçekten de nispeten eşit bir şekilde yayılmış durumda.
Galaksinin merkezindeki kara delik gibi noktasal kaynaklar veya süpernovalar (patlayan yıldızlar) gibi kozmik ışın kaynakları bunu kolayca açıklayamaz. Ancak düzgün bir şekilde dağılmış bir karanlık madde halesi açıklayabilir.
Bulgular, Samanyolu'nun merkezinin karanlık maddenin temel doğası hakkında yeni ipuçları sunabileceğini gösteriyor.
Daha iyi çözünürlüğe sahip gelecekteki teleskoplar, 511 keV çizgisi ile MMB iyonizasyon oranı arasındaki uzamsal dağılım ve ilişkiler hakkında daha fazla bilgi sağlayabilecek. Bu arada, MMB'nin sürekli gözlemlenmesi, karanlık madde açıklamasını çürütmeye veya güçlendirmeye yardımcı olabilir.
Her iki durumda da, galaksimizin kalbinden gelen bu garip sinyaller bize evrenin hala sürprizlerle dolu olduğunu hatırlatıyor. Bazen kendi galaksimizin dinamik, parlayan merkezine, yani içe bakmak, ötesinde yatanlara dair en beklenmedik ipuçlarını ortaya çıkarıyor.
