Ultra hafif karanlık madde modelleri, leo ii gözlemleri sayesinde ciddi bir kütle sınırına tabi tutuldu.
Evrenin yaklaşık yüzde 85’ini oluşturan ancak doğrudan gözlemlenemeyen karanlık maddeyle ilgili bilim dünyasında önemli bir gelişme yaşandı. 14 Nisan 2025’te Physical Review Letters’da yayınlanan yeni bir araştırmada, ultra hafif bozonik karanlık madde parçacıklarının kütlesi için şimdiye kadar ulaşılan en kesin alt sınır belirlendi.
Karanlık madde, evrende gözle görünmeyen ancak galaksilerin ve diğer kozmik yapıların hareketlerini etkileyen, dolaylı olarak varlığı tespit edilen bir madde türü. Karanlık maddeyi doğrudan gözlemleyemememizin sebebi, onun ışıkla etkileşime girmemesi ve yalnızca kütle çekim etkileriyle varlığını göstermesi.
Karanlık madde parçacıklarının doğası henüz bilinmemekle birlikte, kuantum mekaniğine göre temel parçacıklar ya fermiyon ya da bozon kategorisine giriyor. Fermiyonlar (örneğin elektron, proton, nötron) Pauli dışarlama prensibine tabiyken, bozonlar (foton, gluon, Higgs gibi) bu kurala uymuyor. Pauli dışarlama prensibi, iki fermiyonun aynı kuantum durumunu paylaşamayacağını belirtiyor ve bu özellik sayesinde fermiyonik karanlık madde için kütle sınırları konulabiliyor. Ancak bozonlar için bu prensip geçerli olmadığından, sınır koymak daha zordur.
Bu noktada, Oslo Üniversitesi Teorik Astrofizik Enstitüsünde doktora öğrencisi olan Tim Zimmermann ve ekibi önemli bir adım attı. Araştırmada, ultra hafif bozonik karanlık maddenin kütlesinin 2 × 10^-21 elektronvolttan (eV) daha ağır olması gerektiği sonucuna varıldı. Bu, önceki Heisenberg belirsizlik ilkesi kullanılarak yapılan tahminlerden 100 kat daha yüksek bir alt sınır.
Araştırmanın dayandığı önemli veri ise Samanyolu’nun uydusu olan cüce galaksi Leo II’den elde edildi. Leo II, Samanyolu’ndan yaklaşık 1000 kat daha küçük bir galaksi ve bize yakın olduğu için evrenin genişlemesi gibi karmaşık faktörleri hesaba katmadan analiz edilebiliyor.
Leo II içindeki yıldızların hareketleri, galaksinin kütle dağılımı hakkında bilgi veriyor. Çünkü yıldızların hareketleri, galaksinin toplam kütlesinin, yani görünür madde ve karanlık maddenin yerçekim etkisiyle şekilleniyor.
Zimmermann ve ekibi, Schrödinger denklemini çözerek karanlık maddenin olası tüm kuantum durumlarını belirledi. Daha sonra, 5 bin farklı karanlık madde yoğunluk profili oluşturdular. Bu profiller, Leo II’de gözlemlenen yıldız hareketleriyle uyumlu olacak şekilde GRAVSPHERE adlı bir Markov zincirli Monte Carlo yöntemiyle hesaplandı. Araştırmacılar, bu gözlemsel profilleri karanlık madde parçacıklarının farklı kütlelerdeki kuantum dalga fonksiyonlarıyla karşılaştırdı.
Bulgulara göre, eğer karanlık madde parçacığının kütlesi 2.2 × 10^-21 eV’den daha hafifse, belirsizlik ilkesi nedeniyle bu dalga fonksiyonları gözlenen karanlık madde yoğunluğunu oluşturamıyor. Çünkü çok hafif parçacıklar, dalga karakterleri nedeniyle küçük alanlarda yoğunlaşamıyor, yani “kuantum bulanıklığı” ortaya çıkıyor.
Araştırmada kullanılan JAXSP adlı hesaplama aracı sayesinde, karanlık madde dalga fonksiyonları yeniden yapılandırıldı ve Leo II’deki gözlemlerle uyumluluğu test edildi. Sonuçlar, önceki çalışmaların yaklaşık 100 kat daha hassas bir alt sınır sağladı.
Bu sonuçlar, özellikle “bulanık karanlık madde” modelleri için önemli. Bu model, genellikle 10^-22 eV kütleli parçacıklar önerirken, yapılan çalışma bu tür ultra hafif karanlık madde parçacıklarının varlığını büyük ölçüde zayıflatıyor.
Zimmermann, gelecekte karanlık maddenin farklı kütlelerde birden fazla parçacıktan oluşabileceği “karma karanlık madde” modellerini araştırmayı hedeflediklerini belirtti. Bu yeni yaklaşım, yerel evrenden alınan verilere dayanarak daha kapsamlı kütle sınırları koymayı amaçlıyor.
Sonuç olarak, bu çalışma karanlık madde araştırmalarında önemli bir dönüm noktası olarak görülüyor. Karanlık maddenin temel doğasını anlamaya yönelik yeni sınırlar ve yöntemler, evrenin gizemini çözme yolunda büyük adımlar olarak değerlendiriliyor.
Kaynak: Physical Review Letters
