H.E.S.S. Samanyolu'nun merkezinde karanlık madde izine sınır getirdi

Karanlık madde, evrendeki maddenin büyük bölümünü oluşturduğu düşünülen ama doğası hâlâ bilinmeyen bir bileşen. Namibya'daki H.E.S.S. teleskop dizisinin altı yıllık verisi, bu gizemli maddenin kendine özgü bir izini Samanyolu'nun merkezinde aradı. Physical Review Letters'ta yayımlanan sonuçlar bir keşif içermiyor; ama ekibe göre ağır karanlık madde parçacıkları için bugüne kadarki en sıkı sınırları koyuyor ve önde gelen adaylardan birini ilk kez sıkıştırıyor.

Karanlık madde neden aranıyor?

Galaksilerin dönüş hızları, galaksi kümelerinin hareketi ve evrenin büyük ölçekli yapısı, görebildiğimiz maddeden çok daha fazla kütle bulunduğunu gösteriyor. Bu ek kütle ışık yaymıyor, soğurmuyor, yansıtmıyor; varlığını yalnızca kütleçekimiyle belli ediyor. Neden oluştuğu ise bilinmiyor.

En çok çalışılan açıklamalardan biri, "zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacıklar" (WIMP) adı verilen varsayımsal parçacıklar. Bu fikrin çekiciliği şuradan geliyor: Erken evrende ısıl olarak üretilen bir parçacığın bugün gözlenen miktarda karanlık madde bırakması için gereken etkileşim gücü, zayıf nükleer kuvvetin doğal ölçeğiyle örtüşüyor. Fizikçiler buna "WIMP mucizesi" diyor.

Bu kurama göre iki karanlık madde parçacığı karşılaştığında birbirini yok edip başka parçacıklara dönüşebilir. Bazı modellerde bu süreç doğrudan gama ışını, yani çok yüksek enerjili ışık üretiyor. Üstelik bu ışınlar parçacığın kütlesine karşılık gelen belirli bir enerjide toplanıyor; tayfta keskin bir "gama ışını çizgisi" oluşturuyor. Böyle bir çizgiyi sıradan astrofizik kaynakların üretmesi çok zor olduğundan, bulunması karanlık maddenin güçlü bir imzası sayılırdı.

Neden Samanyolu'nun merkezi?

Karşılaşma olasılığı yoğunlukla arttığından, böyle bir sinyal karanlık maddenin en yoğun olduğu yerde en güçlü olmalı. Galaksimizin merkezi bu nedenle en iyi aday bölge. Ekipten Alessandro Montanari, H.E.S.S.'in Güney Yarımküre'de çalışan tek aktif benzeri teleskop dizisi olduğunu ve Samanyolu'nun merkezini gözlemek için ideal konumda bulunduğunu vurguluyor.

H.E.S.S. (Yüksek Enerjili Stereoskopik Sistem), Namibya'nın Khomas bölgesinde, Gamsberg dağı yakınında, yaklaşık 1.800 metre yükseklikte kurulu. Dizi, aynaları 12 metreye yakın dört teleskop ile 2012'de eklenen 28 metrelik büyük bir merkez teleskobundan oluşuyor. Adı, kozmik ışınların Dünya dışından geldiğini keşfeden fizikçi Victor Hess'i anıyor.

Bu teleskoplar gama ışınlarını doğrudan görmüyor. Çok yüksek enerjili bir gama ışını atmosfere çarptığında bir parçacık çağlayanı başlatıyor ve bu parçacıklar saniyenin milyarda biri kadar süren soluk mavi bir ışık çakması, yani Çerenkov ışığı üretiyor. Teleskoplar bu çakmayı farklı açılardan yakalayarak gama ışınının enerjisini ve geldiği yönü hesaplıyor.

Sonuçlar ne diyor?

Ekip, 2014-2020 arasında toplanan yaklaşık 546 saatlik galaktik merkez gözlemini inceledi. Parçacığın kütlesi bilinmediği için teleskopların duyarlı olduğu bütün kütle aralığı tarandı. İstatistiksel olarak anlamlı bir gama ışını çizgisi bulunamadı.

Ancak sinyalin yokluğu da bilgi taşıyor. Araştırmacılar, yok olma sürecinin ne kadar sık yaşanabileceğine üst sınırlar koydu. Karanlık maddenin galakside "Einasto modeli" denen belirli bir dağılımla yayıldığı varsayıldığında, bu sınırlar çizgi sinyali için şimdiye kadar konmuş en sıkı sınırlar oldu.

Sonuçların en dikkat çekici yanı, "termal Higgsino" adlı adayı ilk kez zorlaması. Higgsino, süpersimetri kuramının öngördüğü, Higgs alanının "süper eşi" olan varsayımsal bir parçacık. Karanlık maddenin tamamı Higgsino'lardan oluşuyorsa, parçacığın kütlesinin yaklaşık 1,1 teraelektronvolt, yani protonun kütlesinin bin katından fazla olması bekleniyor. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndaki aramalar bugüne kadar Higgsino'ya dair bir iz bulmadı; yer altı ve hızlandırıcı deneylerinin yanında, bu kütle aralığına duyarlı gama ışını gözlemleri de adayı sınamanın bir yolu. Ekibe göre incelenen galaktik modeller çerçevesinde bu aday artık sıkışmaya başladı.

Sırada ne var?

Bir sonraki adım, çok daha duyarlı bir gözlemevi: Cherenkov Teleskop Dizisi Gözlemevi (CTAO). Kuzey bölümü İspanya'nın La Palma adasındaki Roque de los Muchachos Gözlemevi'nde, güney bölümü ise Şili'de, ESO'nun Paranal Gözlemevi yakınında kuruluyor. İki yarımkürede 60'tan fazla teleskoptan oluşacak dizinin, bugünkü H.E.S.S., MAGIC ve VERITAS gibi araçlardan yaklaşık on kat daha duyarlı olması bekleniyor.

Ekipten Emmanuel Moulin, H.E.S.S.'in gözlem programının bu yeni dizi için önemli bir miras bıraktığını ve galaktik merkezin gelecekteki gözlemlerine zemin hazırladığını söylüyor. Karanlık madde avında "nerede yok" bilgisi de değerli: Kuramcılar bu sınırlarla hangi parçacık modellerinin elenmesi gerektiğini daha net görebilecek.

Kısaca

• H.E.S.S., Samanyolu'nun merkezinde 546 saatlik gözlemde karanlık maddeye işaret eden bir gama ışını çizgisi bulamadı.
• Konan sınırlar, belirli bir dağılım modeli altında bu tür sinyal için en sıkı sınırlar.
• Yaklaşık 1,1 TeV kütleli "termal Higgsino" adayı ilk kez zorlanıyor.
• On kat daha duyarlı CTAO, aramayı devralacak.