Fizikçiler uzak galaksilerdeki helyumu ölçerek evrenin neden var olduğunu anlayabilirler.
Benim gibi bir teorik fizikçi evrenin neden var olduğunu araştırdığımı söylediğinde kulağa bir filozof gibi geliyor. Ancak Japonya’daki Subaru Teleskobu’ndaki araştırmacılar tarafından toplanan yeni veriler tam da bu soruya ilişkin içgörüleri ortaya koyuyor.
Büyük Patlama 13,8 milyar yıl önce bildiğimiz evreni yarattı. Birçok parçacık fiziği teorisi, evren oluştuğunda aynı miktarda madde ile birlikte antimaddenin de yaratılmış olması gerektiğini öne sürüyor. Antimaddenin kütlesi vardır ve madde ile aynı şekilde yer kaplar. Bununla birlikte, antimadde parçacıkları, karşılık gelen madde parçacıklarınınkine zıt özellikler sergiler.
Madde ve antimadde çarpıştığında, güçlü bir patlamayla yok olurlar ve geride sadece enerji bırakırlar. Madde ve antimaddenin eşit dengede var olduğu teorisinin kafa karıştırıcı yönü, eğer bu doğru olsaydı, her ikisinin de tamamen yok olması ve evrenin boş olması gerekirdi. Evren boş olmadığından, galaksiler, yıldızlar, gezegenler ve maddeden yapılmış diğer nesnelerle doludur. Çevremizde antimadde vardır, ancak çok nadirdir.
Subaru Teleskobu’ndan elde edilen verileri inceleyen bir fizikçi olarak, madde-antimadde asimetrisi olarak bilinen bu sorunla ilgileniyorum. Yakın zamanda yapılan bir çalışmada, ben ve iş arkadaşlarım Subaru teleskobunun uzak galaksilerdeki helyum miktarı ve türüne ilişkin yeni ölçümler sağlayarak bu uzun süredir devam eden gizemi çözebileceğini keşfettik.
Büyük Patlamadan Sonra
Büyük Patlama’dan sonraki ilk birkaç milisaniyede evren sıcak ve yoğundu; protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi atom altı parçacıklar plazma içinde yüzüyordu. Bu parçacık havuzu içinde çok küçük, zayıf etkileşimli parçacıklar olan nötrinolar ve onların antinötrinoları da vardı.
Fizikçiler Büyük Patlama’dan sadece bir saniye sonra hidrojen ve helyum gibi hafif elementlerin çekirdeklerinin oluşmaya başladığına inanmaktadır. Bu süreç Büyük Patlama nükleosentezi olarak bilinir. Oluşan çekirdekler yaklaşık yüzde 75 hidrojen çekirdeği, yüzde 24 helyum çekirdeği ve az miktarda daha ağır çekirdeklerden oluşuyordu.
Bu çekirdeklerin oluşumuyla ilgili olarak fizik çevrelerinde en yaygın kabul gören teori, nötrino ve antinötrinoların özellikle helyum çekirdeklerinin oluşumunda temel bir rol oynadığıdır.
Evrenin erken dönemlerinde helyumun oluşumu iki aşamalı bir süreçte gerçekleşmiştir. İlk olarak, nötrino ve antinötrinoları içeren bir dizi süreç nötron ve protonları birinden diğerine dönüştürdü. Evren soğudukça bu süreçler durdu ve proton-nötron oranı sabitlendi.
Teorik fizikçiler olarak, proton-nötron oranının erken evrendeki nötrino ve antinötrinoların göreceli sayısına nasıl bağlı olduğunu modelleyebiliriz. Eğer daha fazla nötrino varsa, modelimiz protonlarda bir artış ve nötronlarda bir azalma gösterecektir.
Evren soğudukça bu proton ve nötronlardan hidrojen, helyum ve diğer elementler oluşmuştur. Helyum iki proton ve iki nötrondan oluşurken, hidrojenin bir protonu vardır ve nötronu yoktur. Bu nedenle, evrenin erken dönemlerinde ne kadar az nötron varsa, o kadar az helyum oluşmuştur.
Büyük Patlama nükleosentezinde oluşan çekirdekler bugün hala gözlemlenebilmektedir, bu nedenle bilim insanları evrenin erken dönemlerinde kaç nötrino ve antinötrino olduğunu tahmin edebilirler. Bunu da hidrojen ve helyum gibi hafif elementler açısından zengin galaksileri inceleyerek yapıyorlar.
Helyum ipuçları
Geçtiğimiz yıl, Subaru Teleskobu ile çalışan bir grup Japon bilim insanından oluşan Subaru İşbirliği, Samanyolu’ndan uzakta bulunan on galaksiye ilişkin verileri yayınladı.
Subaru bilim insanları, Subaru Teleskobu tarafından gözlemlenen ışığın dalga boylarından farklı elementleri tanımlayan bir teknik kullanarak, bu on galaksinin her birinde tam olarak ne kadar helyum bulunduğunu belirleyebildiler. Daha da önemlisi, helyum miktarının daha önce teorize edilenden daha az olduğunu buldular.
Evren soğudukça hidrojen, helyum ve diğer elementler proton ve nötronlardan oluşmuştur. Helyum iki proton ve iki nötrondan oluşurken, hidrojenin bir protonu vardır ve nötronu yoktur. Dolayısıyla, evrenin erken dönemlerinde ne kadar az nötron varsa, o kadar az helyum oluşmuştur.
Bu yeni sonuç karşısında, meslektaşlarım ve ben geriye doğru çalışarak verilerde bulunan helyum miktarını üretmek için gereken nötrino ve antinötrino sayısını hesapladık. Üçüncü sınıf matematik dersinde denklemdeki ‘X’i bulmak için çözdüğümüz problemi hatırlıyor musunuz? Ekibim bunun değiştirilmiş bir versiyonunu yaptı, burada ‘X’ nötrino ve antinötrinoların sayısıydı.
Daha önce kabul edilen teori, evrenin erken dönemlerinde aynı sayıda nötrino ve antinötrino olması gerektiğini öngörüyordu. Ancak teori yeni veri setiyle tutarlı tahminler üretecek şekilde değiştirildiğinde, nötrino sayısının antinötrino sayısından daha fazla olduğu görüldü.
Bu ne anlama geliyor?
Nötrinolar madde-antimadde asimetrisini açıklamak için kullanılabilir. Subaru verileri, dengesizliğin nedeninin nötrinolar olduğunu doğrudan gösteriyor. Bu çalışmada, meslektaşlarım ve ben helyumdaki bu yeni ölçümün evrenin erken dönemlerindeki nötrino ve antinötrino bolluğu ile tutarlı olduğunu gösterdik. Bilinen parçacık fiziği süreçleri sayesinde nötrino asimetrisi tüm madde asimetrilerine genişletilebilir.
Çalışmamızın sonuçları teorik fizikte sıkça karşılaşılan sonuçlardır. Temel olarak, madde-antimadde asimetrisinin ortaya çıkabileceği uygun bir yol bulduğumuz anlamına gelir, ancak kesinlikle bu şekilde ortaya çıkacağı anlamına gelmez. Verilerin teorimizle tutarlı olması, önerdiğimiz teorinin doğru olabileceğine dair bir ipucudur, ancak bu gerçek tek başına teorinin doğru olduğu anlamına gelmez.
Başka bir deyişle, bu küçük nötrinolar asırlık “bir şey neden var?” sorusunun anahtarıdır. “Bir şey neden var?” sorusunun anahtarıdır. Bu yeni çalışmaya göre, öyle olabilirler.
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: Fizikçiler uzak galaksilerdeki helyumu ölçerek evrenin neden var olduğunu anlayabilirler.
İki Yüzlü Yıldız, Gök Bilimcileri Şaşırttı: Bir Tarafı Hidrojen Diğer Tarafı Helyum