Karanlık Enerji Araştırması'nın Nihai Verileri Kozmik Evrim Anlayışımıza Meydan Okuyor

Nihai Karanlık Enerji Araştırması Verileri Kozmik Evrim Anlayışımızı Zorluyor

Altı yıl boyunca güney gökyüzünü tarayan Karanlık Enerji Araştırması (DES), bugüne kadarki Standart Kozmoloji Modeli'nin en titiz stres testlerinden birini sunan nihai 6. Yıl (Y6) analizini yayınladı. Uluslararası bir araştırmacı ekibi, 5.000 derece karelik bir alanda yaklaşık 150 milyon galaksinin konumlarını ve şekillerini haritalandırarak, evrenin 13,8 milyar yıllık tarihini benzeri görülmemiş bir hassasiyetle inceledi. J. Fang, Y. Zhang ve J. Carretero gibi araştırmacıların da dahil olduğu devasa bir iş birliği tarafından yürütülen bulgular, süregelen ve kışkırtıcı bir tutarsızlığı pekiştiriyor: Modern evren, erken evren koşullarının olması gerektiğini öne sürdüğünden daha az "topaklanmış" görünüyor. Bu "S8 gerilimi", mevcut fizik anlayışımızın —özellikle de Lambda Soğuk Karanlık Madde (ΛCDM) modelinin— kozmik yapıların evrimini açıklamak için temel bir revizyon gerektirdiğine işaret ediyor olabilir.

Şili'deki Blanco Teleskobu'nda yürütülen ve kısmen Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı tarafından yönetilen Karanlık Enerji Araştırması, evrenin hızlanan genişlemesini tetikleyen gizemli güç olan karanlık enerjinin doğasını araştırmak üzere tasarlandı. 6. Yıl sonuçları, yarım on yıllık gözlemlerin ve bilim insanlarının onaylama yanlılığından kaçınmak için nihai sonuçları kendilerinden sakladıkları birkaç yıllık titiz "kör" analizin doruk noktasını temsil ediyor. DES iş birliği, evrenin büyük ölçekli yapısını analiz ederek, karanlık maddenin eonlar boyunca nasıl kümelendiğini ve karanlık enerjinin uzay-zamanın dokusunu esneterek bu kümelenmeye karşı nasıl savaştığını belirlemeyi amaçlıyor.

Kozmik Haritalamanın Metodolojisi

Bu sonuçlara ulaşmak için iş birliği, üç farklı iki-nokta korelasyon fonksiyonunu birleştiren "3x2pt" analizi olarak bilinen karmaşık bir metodoloji kullandı. İlk olarak araştırmacılar, yaklaşık 140 milyon kaynak galaksinin "kozmik makaslamasını" ölçtüler. Bu, zayıf kütleçekimsel merceklenme olarak bilinen bir fenomen olan, aradaki karanlık maddenin kütleçekimsel çekimi nedeniyle uzak galaksilerin şekillerinde meydana gelen dakika sapmalarının tespit edilmesini içerir. İkinci olarak, galaksilerin doğal olarak nasıl gruplandığını görmek için 9 milyon mercek galaksinin "galaksi kümelenmesini" analiz ederek spesifik konumlarını haritalandırdılar. Son olarak, ön plandaki mercek galaksilerin konumlarını arka plandaki kaynak galaksilerin bozulmuş şekilleriyle ilişkilendiren bir çapraz korelasyon tekniği olan "galaksi-galaksi merceklenmesini" gerçekleştirdiler. Bu çok yönlü yaklaşım, hem evrendeki toplam madde miktarının hem de bu maddenin ne ölçüde yoğunlaştığının tutarlı bir şekilde ölçülmesini sağlar.

Bu yoğunlaşmayı tanımlamak için kullanılan birincil metrik, maddenin kümelenme genliğini temsil eden S8 parametresidir. DES 6. Yıl 3x2pt analizine göre S8 değeri 0,789 ± 0,012 olarak ölçülürken, toplam madde yoğunluğu (Ωm) 0,333 olarak bulundu. Bu rakamlar dikkate değer ölçüde hassastır, ancak Büyük Patlama'nın "ardıl ışıması" olan Kozmik Mikrodalga Arka Plan Işıması'ndan (CMB) türetilen tahminlerle gerilim içindedir. Planck uydusunun yanı sıra Atacama Kozmoloji Teleskobu (ACT-DR6) ve Güney Kutbu Teleskobu'ndan (SPT-3G) gelen veriler daha yüksek bir S8 değeri öngörüyor; yani erken evren, DES'in gerçekte gözlemlediğinden daha fazla kümelenmiş bir modern evren öngörüyor.

Büyüyen "S8 Gerilimi"

S8 gerilimi olarak bilinen bu tutarsızlık, modern kozmolojinin merkezi odak noktalarından biri haline geldi. DES 6. Yıl sonuçları, CMB birincil anizotropi veri setleriyle karşılaştırıldığında, yalnızca S8 parametresine yansıtıldığında 2,6-sigma'lık bir gerilim gösteriyor. Tam parametre alanı dikkate alındığında fark yaklaşık 1,8-sigma civarındadır. Bu sayılar bir meslekten olmayan kişi için küçük görünse de, yüksek hassasiyetli fizik dünyasında Standart Model'de kalıcı bir "çatlağı" temsil ederler. Eğer erken evren (CMB) ve geç evren (DES tarafından haritalanan galaksiler) birbiriyle örtüşmüyorsa, bu durum kozmik evrimin milyarlarca yılı boyunca mevcut denklemlerimizin yakalayamadığı bir şeylerin gerçekleştiğini gösterir. Evren, yaşamının bu aşamasında olacağını düşündüğümüzden etkili bir şekilde daha "pürüzsüzdür".

Bu bulgunun istatistiksel sağlamlığı, DES iş birliğinin devasa ölçeğiyle destekleniyor. University of Chicago, Princeton University ve University College London gibi kurumlardan gelen katkılarla çalışma, kapsamlı sistematik kontrollerden geçti. Araştırmacılar, fotometrik kırmızıya kayma hataları (galaksi mesafelerini tahmin etme), galaksilerin içsel hizalanması ve "baryonik geri besleme" —galaksilerdeki gaz ve yıldızların maddeyi itme ve karanlık madde sinyalini bulanıklaştırma biçimi— gibi değişkenleri hesaba kattılar. Bu düzeltmelere rağmen S8 gerilimi devam ediyor ve bu da sonucun bir ölçüm hatasından ziyade evrenin bir özelliği olduğunu gösteriyor.

Standart Modelin Ötesi: wCDM ve Yeni Fizik

Karanlık enerjinin sabit bir "kozmolojik sabit" olarak ele alındığı standart ΛCDM modeline ek olarak, araştırmacılar verilerini wCDM çerçevesini kullanarak da modellediler. Evrenin bu versiyonunda, karanlık enerji durum denklemi parametresinin (w) değişmesine izin verilir. Y6 3x2pt sonuçları, kozmolojik sabit (w = -1) ile tutarlı olan ancak zamanla değişen "dinamik" karanlık enerjiye açık kapı bırakan -1,12'lik bir w değeri verdi. DES 3x2pt verileri Süpernovalar (SNe Ia), Baryon Akustik Salınımları (BAO) ve Galaksi Kümeleri dahil olmak üzere diğer düşük kırmızıya kayma veri setleriyle birleştirildiğinde, ΛCDM modelinde CMB ile olan gerilim 2,8-sigma'ya yükseldi.

Bu boşluğu ne açıklayabilir? Kozmologlar şimdi birkaç "Yeni Fizik" senaryosunu değerlendiriyor. Bir olasılık, karanlık enerjinin sabit bir güç olmayıp evrilmesi ve kozmik genişleme hızını yapıların büyümesini engelleyecek şekilde değiştirmesidir. Bir başka hipotez ise nötrinoların kütlesini içerir; DES Y6'nın CMB ve BAO verileriyle birleşik uyumu, nötrino kütlelerinin toplamı üzerinde bugüne kadarki en sıkı kısıtlamaları üreterek bunların 0,14 eV'den az olduğunu saptadı. Eğer nötrinolar veya diğer "karanlık" parçacıklar beklenenden farklı davranıyorsa, maddenin Planck verilerinin öngördüğü kadar sıkı kümelenmesini engelleyen hafif bir basınç uyguluyor olabilirler.

Karanlık Enerji Araştırması'nın Mirası

6. Yıl sonuçlarının yayınlanması, Karanlık Enerji Araştırması iş birliği için bir dönüm noktası teşkil ediyor. Ekip; zayıf merceklenme, kümelenme, süpernovalar ve kümeler gibi tüm DES araçlarını birleştirerek düşük kırmızıya kaymalı evrenin kesin bir haritasını oluşturdu. Bu veri seti, gelecek nesil gözlemevleri için bir temel sağlayarak gelecek yıllar boyunca altın standart olarak hizmet edecektir. Bu çalışmanın yüksek etkisi, hassasiyetine yansımaktadır; Y6 3x2pt'nin CMB ve diğer veri setleriyle birleşik uyumu, bugüne kadarki en kısıtlı kozmolojik parametreleri üretti: 0,302'lik bir madde yoğunluğu ve 0,683'lük bir Hubble sabiti (h).

Geleceğe bakıldığında, "kozmolojideki krizin" daha da büyük araştırmalarla çözülmesi muhtemel görünüyor. Vera C. Rubin Gözlemevi'nin Uzay ve Zaman Miras Araştırması (LSST) ve Avrupa Uzay Ajansı'nın Euclid görevi, DES tarafından analiz edilen 150 milyonu gölgede bırakacak şekilde milyarlarca galaksiyi gözlemlemeye hazırlanıyor. Yaklaşan bu projeler, S8 geriliminin devrim niteliğinde yeni bir fiziğin işareti olduğunu teyit edecek ya da bunun istatistiksel bir dalgalanma olduğunu gösterecektir. Şimdilik, DES 6. Yıl sonuçları, gerçekliğimizi şekillendiren karanlık güçlere dair daha net —ancak daha gizemli— bir görüş sunarak insan zekasının bir kanıtı olarak duruyor. J. Fang, Y. Zhang ve meslektaşlarının sonuçlandırdığı gibi, evren uzay ve zamanın doğasına dair en temel varsayımlarımıza meydan okuyan sırlar barındırmaya devam ediyor.