20 Şubat 2022

Antihelyum gizemi ve karşıt yıldızlar

Madde- antimadde eşit miktarda olmuş olsaydı ne olurdu? Yanıt basit: Hepsi birbirini yok edecek ve bugünkü evren oluşmayacaktı

2018 yılında, Uluslararası Uzay İstasyonu'nun dışına monte edilen bir Alfa Manyetik Spektrometresi (AMS)'nin iki antihelyum çekirdeği tespit ettiği bilgisi bilim insanları arasında şaşkınlık ve şüphe ile karşılandı.

Çünkü antihelyum çekirdeği, helyum çekirdeğinin karşıtıdır ve bilinen doğal süreçler antihelyum çekirdeği üretemez. Helyum üretiminde olduğu gibi karşıt helyum çekirdeği üretiminin en kolay yolu, onun bir yıldız tarafından üretilmesidir.

Ve bu yıldız, bir "antiyıldız" olmalıdır.

Ayrıca, bu yıldızın da karşıt parçacıklardan oluşmuş olması ve karşıt elementler üretiyor olması gerekir; bu da ancak bilimkurgu senaryolarında rastlanabilecek türden bir şeydir.

Ancak ortada iki antihelyum çekirdeği gerçeği var ve bilim insanları için bunun bir açıklaması olmalıdır; ama nasıl?

Karşıt madde

Gerçekliğimizi oluşturan normal maddenin karşıtı olan antimaddenin varlığı, ilk kez 1928 yılında akıllara düşmüştü. Bu tarihte fizikçi Paul Dirac, elektronların hareketini tanımlayan bir denklem yazmış ancak denklemin çözümünde matematiksel bir tuhaflık ortaya çıkmıştı.

Tuhaf olan şey, Dirac denkleminin elektronlar için iki çözüm vermesi ve bunlardan birinde elektronların pozitif yüke sahip görünmesiydi. Bu parçacık, bir anlamda elektronun karşıtı bir parçacıktı ve kanıtı şaşırtıcı bir şekilde 1932 yılında geldi.

Amerikalı bilim insanı Carl Anderson, uzayın derinliklerinden Dünya'mıza gelen ve atmosferden geçerken diğer parçacıklarla etkileşen yüksek enerjili kozmik ışınlar üzerinde çalışırken elektronunkine benzer parçacık izleri gördü. Bunlar elektronla aynı özelliklere sahip ancak pozitif yüklü bir parçacığın bıraktığı izlere benziyordu. Dahası bu parçacıklar kozmik ışınlar tarafından negatif yüklü elektronlarla birlikte eşzamanlı olarak üretilmişlerdi.

Ardından bu parçacığın Dirac denkleminin çözümünde ortaya çıkan karşıt parçacık olduğu anlaşıldı ve pozitif yükü nedeniyle "pozitron" olarak adlandırıldı. Böylece Dirac'ın antimadde öngörüsü de gözlemsel olarak doğrulanmış oldu.

Sonraki birkaç on yılda fizikçiler, diğer madde parçacıklarının antimadde karşıtlarını da keşfettiler.

Dahası madde, karşıtı ile bir araya geldiğinde birbirini yok ederek geride enerji bırakıyor ve doğal olarak maddenin yapısında antimadde parçacığı bulunmasını olanaksız kılıyordu.

Ve bu kanıtlar, Paul Dirac'a 1933 Nobel Fizik Ödülü'nü getirdi; pozitronu keşfeden Anderson ise bundan üç yıl sonra 1936 yılı Nobel'inin sahibi olacaktı.

Madde-antimadde savaşı

Antimaddenin keşfi, Büyük Patlama Kuramı'na yeni bir bakış getirdi.

Biliyorsunuz Büyük Patlama anında saf enerji çıkışı olmuş ve hemen sonrasında bu enerji parçacıklarından madde oluşmuştu.

Yeni bilgiler ışığında, Büyük Patlama'nın erken evrende eşit miktarda madde ve antimadde çiftleri yaratmış olması gerekiyordu ve bu çiftler bir araya geldiklerinde geride enerji bırakarak birleşip yok olmalıydılar.

Ama öyle olmadı ve biz kendimizi bir normal madde evreni içinde bulduk.

Bunun nedeni olarak eşit olması beklenen madde-antimadde oranında, madde lehine çok küçük bir asimetri, yani çok küçük ölçekte madde fazlalığı bulunduğu açıklaması getiriliyor.

Ancak, bu asimetriye hangi süreçlerin neden olduğu ise belirsiz.

Madde-antimadde savaşında parçacıklar birleşerek geride enerji bırakırken asimetri nedeniyle savaşı çok küçük bir farkla madde kazanıyor ve günümüz evreni oluşuyor; Dünya'daki en küçük yaşam formlarından en büyük yıldızlara kadar gördüğümüz her şey neredeyse tamamen normal maddeden oluşmakta.

Peki, madde- antimadde eşit miktarda olmuş olsaydı ne olurdu?

Yanıt basit: Hepsi birbirini yok edecek ve bugünkü evren oluşmayacaktı. Muhtemelen yeni bir Büyük Patlama gerçekleşecekti.

Peki, madde yerine bu asimetri antimadde lehine olsaydı ve savaşı madde değil de anti madde kazanmış olsaydı ne olurdu?

Belki yine bir evrenimiz olurdu, ama o zaman evrenimizi oluşturan tüm bileşenler antimadde parçacıklarından oluşurdu.

Yani bu antimadde evren, bizim ayna görüntümüz olurdu!

Antihelyum gizemi

Artık biliyoruz, yüksek enerjili kozmik ışınlar Dünya atmosferine girdiklerinde parçalanarak madde- antimadde parçacıkları üretebiliyorlar; fakat bu süreçte bir antihelyum çekirdeği oluşması olasılığı son derece düşük, hatta imkansız gibi bir şey.

Çünkü kozmik ışın kaynaklı antimadde parçacıkları (pozitron, antiproton ve antinötron) atomaltı parçacıklardır. Buna karşın helyum çekirdeğinin karşıtı olan antihelyum çekirdeği, iki antiproton ve iki antinötrondan oluşur. Dolayısıyla bir antihelyum çekirdeğinin oluşması için çok büyük miktarda enerji gereklidir ve bunun için bilim insanları yıldızları işaret ediyor.

Ancak bu yıldızlar bizim bildiğimiz normal madde yıldızları olamazlar; onlar bir tür antimadde üreten türden "antiyıldızlar" olmalılar.

O nedenle, tek bir antihelyum çekirdeğinin bile gözlemlenmesi, evrenin bir yerlerinde bu tür yıldızların varlığı için güçlü bir kanıt sayılabilir.

Peki, o zaman bu yıldızlar neredeler?

Bu sorunun yanıtını bulmak için bilim insanları dikkatlerini evrendeki gama ışını kaynaklarına çevirdiler.

Çünkü karşıt yıldızların içinde, normal yıldızlarda olduğu gibi füzyon reaksiyonları olacak ve aynı dalga boylarında elektromanyetik ışınımlar üreteceklerdir.

Eğer bu tür karşıt madde yıldızları varsa; eğer normal madde parçacıkları ve gazlar böyle bir yıldızın çekim alanına girerlerse, burada kendi karşıtları ile karşılaşacak ve onlarla birleşerek çok yüksek enerjili gama ışınımı üreteceklerdir.

Bu öngörülerden hareketle bir grup araştırmacı daha önce kaynağı saptanamamış 6.000 gama patlamasını incelemeye aldılar.

Ancak bazı bilim insanları aynı görüşte değildi.

Doğrulanmış antihelyum tespitleri, anti-yıldızların varlığı için iyi bir gösterge olabilir, ancak şu ana kadar Alfa Manyetik Spektrometresi (AMS) dışında elde başka bir kanıt yok.

Peki, bilim insanları antiyıldızların varlığına şüpheyle bakıyorlarsa, neden bu konu tartışmaya değer bulunuyor?

Bunun nedeni "karanlık madde": Evrenimizde normal maddenin neredeyse beş katı bir büyüklüğe sahip gizemli karanlık madde, antiyıldız tezinin tartışılır olmasının bir nedeni.

Diyelim ki antiyıldız varlığı kanıtlandı, bilim insanları bu yıldızların son dönem yıldızları olamayacağını, onların erken dönem "antihidrojen" bulutlarının sıkışması ile oluşmuş olabileceklerini belirtiyorlar. Bu nedenle, bulunabilecek herhangi bir karşıt yıldız, erken evrenin kalıntısı olacak ve bize erken dönem için bilgi sağlayabilecek.

Ancak, yaklaşık 13 milyar yıl boyunca normal maddenin hakim olduğu evrenimizde nasıl yok olmaktan kurtuldukları ise ayrı bir gizem. Ve nasıl bugüne kadar ayakta kalmayı başarabilmişler?

Yığınlarca soru: Yanıt bulan her derin gizemin yerini bir diğeri alıyor ve her yeni keşif, çok daha fazla soruyla bize geri dönüyor.

Ve bizler, içinde bulunduğumuz gerçekliği anlama çabasından asla vaz geçmiyoruz; belki de varlığımızın temel nedeni budur!