Dünyanın etrafından gelen gizemli sinyal karanlık madde olabilir mi?

Karanlık madde, modern fiziğin en büyük çözülmemiş gizemlerinden biri. Astronomlar varlığından son derece eminler ve evrenin toplam enerji içeriğinin yaklaşık dörtte birini oluşturduğunu tahmin ediyorlar; ancak bilim insanları onun neyden yapıldığını hâlâ bilmiyor.

Öne çıkan iki olasılık; aşırı hafif aksiyonlar (ultralight axions) ve karanlık fotonlar olarak bilinen varsayımsal parçacıklar. Araştırmacıların incelediği kütle aralığında bu parçacıklar olağanüstü derecede hafif; yaklaşık olarak bir elektrondan 19 ila 21 katlık bir büyüklük sırası (1019 – 1021 kat) daha hafiftirler.

Dünya’yı Dev Bir Karanlık Madde Dedektörüne Dönüştürmek

Geleneksel aksiyon deneylerinin birçoğu, laboratuvar ortamında parçacıkları aşırı güçlü manyetik alanlara maruz bırakarak fotonlara dönüştürmeye çalışır. Ancak buradaki temel zorluk ölçek. En güçlü laboratuvar mıknatısları bile yalnızca nispeten küçük bir alanı kapsayabilir.

Kyoto Üniversitesi, Hiroşima Üniversitesi ve Nihon Üniversitesi’nden araştırmacılar bu sınırlamayı aşmanın bir yolunu buldu. Sadece laboratuvar ekipmanlarına bağımlı kalmak yerine, Dünya’nın kendi manyetik ortamının deneyin bir parçası olarak kullanılıp kullanılamayacağını sorguladılar.

Sorumlu yazar Atsushi Taruya, “Araştırmada Dünya’nın kendisini dev bir dedektör olarak kullanıp kullanamayacağımızı sorduk” diyor. “Dünya-iyonosfer boşluğu, tam da incelemek istediğimiz kütle aralığındaki elektromanyetik dalgaları güçlendiren doğal bir rezonatör işlevi görüyor.”

Dünya yüzeyi ile iyonosfer arasındaki bölge, devasa bir boşluk gibi doğal olarak elektromanyetik dalgalarla rezonansa girebilir. Bu durum, ekibin araştırmayı hedeflediği aşırı hafif parçacıklarla ilişkili sinyalleri aramak için bölgeyi son derece kullanışlı hâle getirdi.

Aramayı Daha Yüksek Frekanslara Genişletmek

Aşılması gereken engellerden biri, önceki teorinin yalnızca 1 Hz’in altındaki frekansları güvenilir şekilde açıklayabilmesiydi. Bu durum, potansiyel olarak kullanışlı frekans aralığının büyük bir kısmını keşfedilmemiş halde bırakıyordu.

Bu sorunu çözmek için araştırmacılar, atmosferin elektrik iletkenliğini de içeren yeni bir teorik çerçeve geliştirdiler. Hesaplamaları, Dünya-iyonosfer boşluğunun 8 Hz yakınındaki sinyalleri güçlendirebildiğini gösterdi ve yaklaşık 30 Hz’e kadar güvenilir tahminler yapmalarına olanak tanıdı.

Model ayrıca iki karanlık madde adayı arasında önemli bir fark öngördü. Aksiyonların ürettiği sinyaller konuma göre değişiklik göstermeli ve en güçlü sinyaller Güneydoğu Asya’da beklenmeliydi. Buna karşın karanlık foton sinyallerinin dünyanın her yerinde neredeyse aynı güçte görünmesi gerekiyordu.

On Yıllık Manyetik Veri Test Edildi

Ekip bu teorik çerçeveyi kullanarak, Birleşik Krallık Jeoloji Araştırması’na ait Eskdalemuir Gözlemevi tarafından 2012 ile 2022 yılları arasında toplanan yaklaşık 10 yıllık jeomanyetik ölçümleri inceledi.

Araştırmacılar ilk olarak verilerdeki yapay gürültü kaynaklarını temizledi. Ardından karanlık maddenin uzun süreler boyunca üretmesi beklenen, çok dar bir frekans aralığında yoğunlaşmış kararlı sinyal türünü aradılar. Sonuçlar daha sonra istatistiksel analize tabi tutuldu.

Aynı teorik yaklaşım karanlık fotonlara da uygulandı. Aksiyonların aksine karanlık fotonlar, manyetik alan olmasa bile elektromanyetik dalgalar üretebilir; bu nedenle araştırmacılar, veri setinde bu parçacıkların oluşturması beklenen farklı izleri aradı.

Daha Sıkı Limitler ve Gizemli Sinyal Adayları

Araştırmacılar, belirli bir aksiyon kütlesi aralığı için tüm Dünya’yı etkili bir şekilde dedektör olarak kullanarak, aksiyonların ışıkla ne kadar güçlü etkileşime girebileceğine dair yeni sınırlar belirlediler.

Bu sınırlar, yer tabanlı bir deneyden elde edilen önceki en iyi sonuçtan yaklaşık 100 kat daha sıkıydı. Ayrıca Chandra ve NuSTAR gibi gözlemevleri tarafından yapılan astrofiziksel X-ışını gözlemlerinden çıkarılan kısıtlamalarla da (bu astrofiziksel sınırlar belirli teorik varsayımlara dayansa da) yarışır düzeydeydi.

Karanlık foton araması özellikle ilgi çekici bir sonuç verdi. Araştırmacılar, potansiyel olarak karanlık madde kökenli olabilecek birkaç sinyal adayı tespit etti. Ancak bu sinyallerin kaynağı henüz bilinmiyor ve karanlık maddenin kanıtı olarak doğrulanmış değil.

Bu nedenle karanlık maddenin gerçek kimliği belirsizliğini koruyor. Yine de bu yeni teorik çerçeve, araştırmacılara gelecekteki aramaları genişletmek ve Dünya’nın doğal elektromanyetik ortamını karanlık maddenin mümkün olan en hafif formlarını incelemek için güçlü bir araç olarak kullanma imkânı sunabilir.