MIT fizikçileri, galaksimizin merkezinde parlak gamma ışını patlamasıyla ilgili daha önce tartışmış oldukları olasılıklardan en kuvvetlisi, karanlık maddenin sonucu olabileceği ihtimalini yeniden canlandırıyorlar.

Fizikçiler yıllardır, Samanyolu’nun merkezinde, elektromanyetik tayftaki (spektrum) gama ışınları şeklinde en enerjetik dalgalar olan  gizemli bir enerji fazlası olduğunu biliyorlar. Bu tip ışınımlar tipik olarak, süpernovalar ve pulsarlar (atarca) gibi evrendeki en sıcak, en aşırı nesneler tarafından üretilir.

Gama ışınları Samanyolu diskinde bulunur ve çoğu astrofizikçi kaynaklarını bilir, anlar. Ancak Samanyolu’nun merkezinde, galaktik merkez fazlalığı (GCE) olarak bilinen gama ışınlarının parlaması, gökbilimcilerin galaksideki yıldızların ve gazların dağılımı hakkında bildiklerini açıklamakta zorlanan özelliklere sahiptir.

Bu fazlalığı neyin üretebileceği konusunda iki önemli olasılık vardır: pulsarlar olarak bilinen yüksek enerjili, hızla dönen nötron yıldızları veya daha dikkat çekici bir şekilde, bir gama ışını oluşturmak için çarpışan konsantre bir karanlık madde bulutu.

2015 yılında, astrofizikçiler Tracy Slatyer, Benjamin Safdi ve Wei Xue gibi bir MIT-Princeton Üniversitesi ekibi kaynağın pulsarlar olacağını öne sürmüştü.

Araştırmacılar, galaksideki gama ışınları üretebilecek tüm parçacık etkileşimlerini tanımlamak için geliştirdikleri bir “arka plan modeli” kullanarak Fermi Gamma-Işın Uzay Teleskobu tarafından alınan galaktik merkezin gözlemlerini analiz ettiler.

Kesin bir şekilde, GCE’nin büyük olasılıkla pulsarların bir sonucu olduğu ve kara maddenin olmadığı sonucuna vardılar. Ancak, MIT’den Rebecca Leane liderliğindeki yeni çalışmalarda, Slatyer o zamandan beri bu iddiayı yeniden değerlendirdi.

2015’te kullandıkları yöntemi daha iyi anlamaya çalışırken, Slatyer ve Leane, modelin aslında yanlış sonuç üretmek için “kandırılabileceğini” buldular. Bugünkü çalışmalarında, 2015 analizinde bir “yanlış modelleme etkisi”ni vurgulayıp ve çoğunun kapalı bir dava olduğunu düşündüğü konuyu yeniden açtılar.

Slatyer, “Bunun karanlık madde olasılığını ortadan kaldırdığımızı düşündüğümüz için heyecan verici. Ama şimdi bir kaçamak var, iddia ettiğimiz gibi sistematik bir hata var. Sinyalin karanlık maddeden gelmesi konusu için kapıyı yeniden açıyor.”

Samanyolu’nun merkezi: taneli mi pürüzsüz mü?

Samanyolu galaksisi uzayda az çok düz bir diske benzese de, merkezindeki gama ışınlarının fazlalığı nedeniyle galaktik merkezden her yöne yaklaşık 5.000 ışık yılı uzayan küresel bir alanı kaplar.

2015 çalışmalarında, Slatyer ve meslektaşları bu küresel bölgenin profilinin düzgün mü yoksa “grenli mi” olduğunu belirlemek için bir yöntem geliştirdiler.

Pulsarlar gama ışını fazlalığının kaynağıysa ve göreceli olarak parlaklarsa, yaydıkları gama ışınlarının, pulsarların bulunduğu parlak noktalar arasındaki koyu boşluklarla, grenli görünen küresel bir bölgeye yerleşmesi gerektiğine karar verdiler.

Bununla birlikte, karanlık madde, gama ışını fazlalığının kaynağı ise, Slatyer’a göre küresel bölge düzgün görünmelidir: “Galaktik merkeze doğru her görüş çizgisinde muhtemelen karanlık madde parçacıkları vardır, bu nedenle boşlukta soğuk noktalar görmemeliyim.”

O ve ekibi galaksideki tüm madde ve gazın arka plan modelini ve gama ışınlarını üretmek için oluşabilecek tüm parçacık etkileşimlerini hesaplarına kattılar.

GCE’nin bir yandan grenli ya da pürüzsüz olduğunu küresel bölge için modeller yaparak değerlendirdiler ve aralarındaki farkı açıklamak için istatistiksel bir yöntem geliştirdiler.

Daha sonra küresel bölge modelini, Fermi teleskobu tarafından alınan gerçek gözlemlerle beslediler ve bu gözlemlerin pürüzsüz mü yoksa grenli bir profile mi daha uyduğunu görmeye çalıştılar.

Slatyer, “Yüzde 100 grenli olduğunu gördük, ah, karanlık madde bunu yapamaz, bu yüzden başka bir şey olmalı. Umudum, bu ve benzer teknikleri kullanan galaktik merkez bölgesinin birçok çalışmasından yalnızca bir tanesi olmasıydı.”

Sahte dikim

2017’de MIT’e geldikten sonra, Leane gama ışını verilerini analiz etmekle ilgilendi. Slatyer, daha derin bir anlayış geliştirmek için 2015 yılında kullanılan istatistiksel yöntemin sağlamlığını test etmeye çalıştıklarını söyledi.

İki araştırmacı sonrasında şu zor soruyu sordu: Hangi koşullar altında yöntemlerimiz bozuluyor? Metot sorgulanmaya kalkarsa, orijinal 2015 sonucuna güvenebilirlerdi.

Bununla birlikte, yöntemin çöktüğü senaryoları keşfederlerse, yaklaşımlarında bir şeylerin yanlış olduğunu ve belki de karanlık maddenin hala gama ışınının merkezinde olabileceğini düşüneceklerdi.

Leane ve Slatyer, MIT-Princeton ekibinin 2015’teki yaklaşımını tekrar ele aldı. Ancak Fermi verilerini modellemek yerine, araştırmacılar esasen karanlık madde ve ilişkili olmayan pulsarlar da dahil olmak üzere gama ışın fazlalığı ile gökyüzünün sahte bir haritasını çıkardılar.

Bu haritayı modelle beslediler ve küresel bölge içerisinde karanlık bir madde olmasına rağmen, modele göre bu bölgenin büyük olasılıkla grenli olduğu ve dolayısıyla pulsarların hakim olduğu sonucuna vardılar.

Bu, ilk ipucuydu, Slatyer, yöntemlerinin “kusursuz” olmadığını söyledi. Doğru ya: Ya sahte bir arka plan haritasından ziyade gerçek gözlemlerle birleştirilen sahte bir karanlık madde sinyali eklenmişse?

Ekip, modeli Fermi teleskobundan verilerle besleyerek ve karanlık maddenin sahte bir sinyalini üreterek konuya meydan okumayı üstlendi.

Kasıtlı duruma rağmen, istatistiksel analizleri yine de karanlık madde sinyalini kaçırdı ve grenli, pulsar benzeri bir görüntü verdi. Karanlık madde sinyalini, gerçek gama ışın fazlalığının dört katı büyüklüğüne çıkarsalar bile, yöntem onu göremedi.

Leane, “Bu aşamada, oldukça heyecanlıydım, çünkü sonuçların çok büyük olduğunu biliyordum – bu karanlık madde açıklamasının tekrar masaya konması anlamına geliyordu.” diyor.

O ve Slatyer yaklaşımlarındaki ön yargıları daha iyi anlamak için çalışıyor ve gelecekte bu ön yargıları düzeltmeyi umuyorlar. Leane, “Gerçekten karanlık madde ise, bu, kütle çekimi dışındaki kuvvetlerle görünür madde ile etkileşime giren ilk karanlık maddenin kanıtı olacaktır.

Karanlık maddenin yapısı, şu anda fizikteki en büyük açık sorulardan biri. Bu sinyali karanlık madde olarak tanımlamak, sonunda karanlık maddenin temel kimliğini ortaya çıkarmamıza izin verebilir.”