Edellisen merkinnän kommenteissa kysyttiin uutisesta, jonka mukaan Aurinkokunnan lähellä ei olekaan pimeää ainetta, vaikka teorian mukaan näin pitäisi olla. Tieteellisestä artikkelista on Euroopan eteläisen observatorion ESOn lehdistötiedotekin.

Pimeä aine on ainetta, joka vuorovaikuttaa heikosti valon ja tavallisen aineen kanssa. Tämän takia se on näkymätöntä eikä siihen voi koskea. Jos pimeää ainetta on olemassa, niin se koostuu toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista. Useat seikat viittaavat pimeän aineen olemassaoloon. Ne kaikki liittyvät pimeän aineen gravitaatiovaikutukseen: kuten tavallinen aine, pimeä aine on massiivista ja toimii gravitaation lähteenä. Todistuskappaleista eräs helpoimmin selitettävä on se, miten tähdet liikkuvat galakseissa.

Oman galaksimme näkyvä aine muodostaa litteän kiekon, jonka keskellä on pallomainen pullistuma. Mittaamalla millä nopeudella tähdet kiertävät Galaksin keskustaa saadaan selville, paljonko massaa niiden ja keskustan välillä on, samaan tapaan kuin Auringon massan voi määrittää siitä miten nopeasti planeetat kiertävät Aurinkokunnan keskustaa. Mitä enemmän massaa kappaleen radan sisällä on, sitä nopeammin se kiertää. Toisin kuin Aurinkokunnassa, Galaksissa massa on jakautunut keskustaa laajemmalle. Galaksin keskustan lähettyvillä tähtien liikkeet selittyvät vain näkyvän kiekon ja keskuspullistuman tähtien ja kaasun massan avulla. Mutta kun tarkastellaan tähtiä, jotka ovat kaukana keskustasta, näkyvän aineen massa ei riitäkään selittämään niiden nopeuksia. Tähdet kiertävät paljon nopeammin kuin mitä näkyvän aineen massasta seuraisi tunnetun gravitaatiolain mukaan. Samanlaisia havaintoja on tehty monista muista galakseista.

On kaksi mahdollisuutta: on olemassa näkymätöntä ainetta tai gravitaatiolaki poikkeaa odotetusta. Luultavasti kyseessä on pimeä aine, vaikka täysin varma asiasta ei voi olla, ellei pimeän aineen hiukkasia havaita muuten kuin niiden gravitaatiovuorovaikutuksen avulla.

Pimeän aineen hypoteesin yksinkertaisin versio on hyvin ennustusvoimainen: ainoa, mitä siinä säädetään on pimeän aineen määrä ja jakauma. Galaksimme tähtien liikkeet selittyvät, jos galaksin näkyvä osa kelluu itseään paljon isommassa, suunnilleen pallonmuotoisessa pilvessä näkymätöntä ainetta. Kiekon tähtien liikkeistä voi arvioida, miten pimeä aine on jakaantunut palloon. Tämä puolestaan määrää sen, miten tähdet liikkuvat muuallakin kuin kiekossa.

Lehdistötiedotteen aiheena oleva ESOn tutkimus perustuu 400 galaksimme kiekon alapuolella olevan tähden liikkeiden mittauksiin. Mitä kauemmas kiekosta mennään, sitä vähemmän tähtiä vetää puoleensa kiekon näkyvä aine ja sitä selvemmin pimeän aineen vaikutuksen pitäisi näkyä. Tutkimusryhmän analyysin mukaan kuitenkin tähtien liikkeet selittyvät täysin näkyvän aineen perusteella, pimeää ainetta ei tarvita ollenkaan. Tuloksen mukaan Aurinkokunnan tienoilla ei olisi pimeää ainetta juuri lainkaan, mikä on pahasti ristiriidassa pimeän aineen mallin ennusteiden kanssa.

Artikkelin refereenä on toiminut Chris Flynn Tuorlan observatoriosta ja kuulemani mukaan referointiprosessi on ollut poikkeuksellisen tarkka, joten ainakaan ilmeisiä virheitä analyysissä ei ole. Havainnot ovat sopusoinnussa useimpien aiempien mittausten kanssa, mutta ovat niitä laajempia ja ulottuvat kauemmas levystä. Tähtien määrä on niin iso ja mittauksen tarkkuus niin hyvä, että tulos on tilastollisesti erittäin merkittävä.

Mikä sitten voi olla pielessä? Eräs mahdollinen virheiden lähde on se, että vaikka tähtien nopeus mitataan seuraamalla aseman muutosta ajan myötä, niiden etäisyyttä ei mitata suoraan. Tähdet ovat erilaisia eri etäisyyksillä kiekosta ja etäisyydet on päätelty epäsuorasti siitä, minkätyyppiset tähdet ovat kyseessä. Artikkelin kirjoittajien mukaan tämän ei pitäisi olla ongelma. Teoreettisena kosmologina en osaa arvioida tällaisia kokeellisen astrofysiikan piiriin kuuluvia seikkoja, mutta minua askarruttaa toinen asia, nimittäin aineen jakauman teoreettinen käsittely artikkelissa. Kaikkia näkyvän aineen tähtiä ja niiden liikkeitä ei ole mitattu, vaan laskuissa on mukana paljon oletuksia aineen jakaumasta ja käyttäytymisestä. Hiukkasfysiikassa, mikä minunkin taustani on, ollaan oletusten kanssa huolellisempia, ja astrofyysikoiden tapa vetää mutkien perusteella vahvoja johtopäätöksiä kuin kuljettaisiin suoraa reittiä ei aina tunnu oikeutetulta.

Mieleeni muistuu kosmologi Andrew Liddlen ohjenuora, jonka mukaan pitää olla valmis heittämään mikä tahansa yksittäinen astrofysikaalinen havainto roskiin ilman mitään syytä. Mainittakoon, että vuonna 1932 tähtitieteilijä Jan Oort esitti Galaksin kiekon ulkopuolisten tähtien mittausten perusteella, että tarvitaan pimeää ainetta, mikä on jäänyt historiaan ensimmäisenä väitteenä pimeän aineen olemassaolosta. Oort oli kuitenkin väärässä, ja hänen tarkkailemiensa tähtien liikkeet selittyivät vain näkyvällä aineella.

Mitä jos nyt tehty havainto tulkintoineen pitää paikkansa? Tekijät mainitsevat sen mahdollisuuden, että pimeä aine olisikin jakautunut amerikkalaisen jalkapallon muotoisesti, niin että sitä on paljon keskustassa ja sen ylä- ja alapuolella mutta vähän muualla, mutta tämä vaikuttaa hyvin epätodennäköiseltä. Ajatukset suuntautuvat sitten vaihtoehtoon pimeälle aineelle, eli siihen että gravitaatiolaki onkin erilainen kuin mitä arvelemme. Tämäkin vaikuttaa epätodennäköiseltä, koska kukaan ei ole löytänyt gravitaatioteoriaa, joka selittäisi kunnolla kaiken sen, mitä pimeä aine selittää, ja ne jotka selittävät osankin siitä ovat varsin kömpelöitä. Valmiita vastauksia ei ole.

Artikkelin kirjoittajat varoittavat enempää tulkitsemasta ja selittämästä heidän tuloksiaan ennen kuin aiheesta saadaan uusia mittauksia. Onnellista kyllä, ESA laukaisee elokuussa 2013 kiertoradalle GAIA-satelliitin, jonka eräs keskeinen tavoite on Galaksin tähtien paikkojen ja liikkeiden tarkka määrittäminen. Tulosten saamiseen on niin paljon aikaa, että sillä välin varmasti ilmestyy useita teoreettisia spekulaatioita, ja kenties tutkimuksesta löytyy joku virhe. Joka tapauksessa pöytä pyyhitään puhtaaksi viimeistään parin vuoden kuluttua.

Päivitys (24/05/12): Viime viikolla ilmestyneen asiantuntevan tutkimuksen mukaan eräs oletus tähtien liikkeistä oli väärin ja asian korjaaminen johtaa siihen, että pimeää ainetta tarvitaan havaintojen selittämiseen, samoissa määrin kuin mitä muut havainnot ja mallit kertovat. Asiaa kenties tutkitaan vielä, mutta se on nyt vähemmän mielenkiintoinen.

Kommentit (38)

Tiedemies

Minulla on mielessä metatieteellinen kysymys, jota täytyy vähän pohjustaa, ja pari yksittäistä fysiikkaan liittyvää kysymystä. Aloitetaan tästä: Meillä on malli joka kertoo miten gravitaatio toimii; tässä tapauksessa se taitaa olla yleinen suhteellisuusteoria, mutta sillä ei ole kovin paljon väliä mikä se malli on. Se toimii todella hätkähdyttävän tarkasti tietyissä tilanteissa, esimerkiksi maapallon lähettyvillä, meidän aurinkokunnassamme ja sen lähettyvillä, mutta ei kovin hyvin toisissa kuten galaksien tasolla, siinä miten tähdet kiertävät galaksien keskustaa. OK.

Meillä on kaksi mahdollisuutta: 1) säilytämme mallin, mutta löydämme/keksimme jotain mikä saa mallin toimimaan, tässä tapauksessa pimeän aineen. Tähän liittyy ensimmäinen fysiikkaan liittyvä kysymykseni: onko pimeä aine tarjonnut jotain sellaisia ennusteita, joita on voitu kokeellisesti varmistaa? Olen lukenut ainakin gravitaatiolinssi-ilmiön joidenkin yksityiskohtien tukevan tätä teoriaa, mutta osaatko arvioida evidenssin vahvuutta. 2) Oletamme, että malli on virheellinen. Tässä tapauksessa sanotkin että mallit ovat varsin kömpelöitä, mutta onko niille mahdollisesti ollut jotain ennusteita joita pimeä aine ei kykenisi tuottamaan?

Jos nyt ajatellaan ns. kopernikaanista vallankumousta, ensimmäiset heliosentriset mallit olivat ymmärtääkseni paljon epätarkempia ja kömpelömpiä kuin geosentriset mallit, ja oikeastaan vasta Newtonin gravitaatiolaki kykeni tyydyttävästi selittämään planeettojen liikkeitä. Osaatko kommentoida, kuinka vakavasti fyysikot noin yleensä suhtautuvat tällaisiin rinnastuksiin? Oma näppituntumani on, että kopernikaanisen vallankumouksen kaltainen mallien "kääntyminen päälaelleen" on äärimmäisen harvinaista ja siksi siihen pitäisikin suhtautua hyvin epäillen, mutta toisaalta, merkittävä edistys on tapahtunut usein niin, että on ollut kömpelöitä välivaiheita joista on päästy lopulta paljon tarkempiin malleihin. Vertaisin tässä linkittämäsi kirjoituksen "täytyy säätää useita eri vipuja"- argumenttia siihen, miten esim. heliosentrinen malli joutui vaikeuksiin eri planeettojen ratojen elliptisyyden kanssa, kun oletus oli että radat ovat ympyräratoja tai niiden "yhdistelmiä".

Yleisemmin, mikä painoarvo on sillä, että olemassaolevia mallleja "täydennetään" pimeän aineen tapaisilla oletuksilla versus sillä, että keskitään uusia malleja? Minusta näyttää siltä, että moniin muihin tieteen (tai "tieteen") aloihin verrattuna juuri fyysikot ovat erityisen taipuvaisia rakastumaan suosikkimalliinsa niin että ovat erityisen haluttomia siitä luopumaan. Vastaako tämä omaa käsitystäsi asiasta?

romario

Eiköhän uusia malleja mietitä paljonkin, kukapa ei haluaisi nimiinsä tuollaista vallankumouksellista teoriaa. Toimivaa ei vain kyetä kehittämään. Sama tilanne kuin vaikkapa tuottavan fuusioreaktorin rakentamisessa. Noh, molemmat asiat ovat varmaankin tavallisen pulliaisen tavoittamattomissa, kehittelen mielummin toimivaa grillimarinadia illaksi, se tulee toimimaan todennäköisesti ainakin kohtuullisesti.

Metusalah

Pimeän aineen probleema on yksi kiehtovimmista kosmologian nykyajan kysymyksistä. Kiitos mielenkiintoisesta blogiaiheesta!

Syksy kirjoitti muun muassa: "Useat seikat viittaavat pimeän aineen olemassaoloon. Ne kaikki liittyvät pimeän aineen gravitaatiovaikutukseen: kuten tavallinen aine, pimeä aine on massiivista ja toimii gravitaation lähteenä. Todistuskappaleista eräs helpoimmin selitettävä on se, miten tähdet liikkuvat galakseissa."

Maallikon näkökulmasta katsoen tällaiseen hypoteettiseen tarkasteluun liittyy joitakin "kiusallisia" (ainakin näennäisiä) ristiriitoja.
Tässä yksi esimerkki: Oma galaksimme on näkyviltä osiltaan (kuten merkinnässä todettiin) litteä kiekko, jonka keskellä on pallomainen pullistuma. Linnunrata on siis tyypillinen kierteisgalaksi, mutta kysymys kuuluu: miksi vain noin 30% havaituista galakseista on tätä tyyppiä? Jos on olemassa jokin universaali "pimeän aineen laki" tai teoria, miksi sitten on olemassa niin paljon toisistaan poikkeavia galaksityyppejä?

Eusa

Eikö pimeän aineen ja gravitaatiolakien säätöjen lisäksi ole kolmaskin mahdollisuus? Jospa avaruuden etäisyyksien mittaus, varsinkin kaukaisien kohteiden etäisyyksien, ei pidäkään yhtä todellisen paikallisen vuorovaikutusetäisyyden kanssa. Voisivatko etäiset galaksit ollakin todellisuudessa pienempiä kuin nyt on mitattu/arvioitu?

Onko tiedossasi tutkimuksia, joissa havaintomittakaava onkin asetettu priorisoiden havaittuja kiertoaikoja eikä doppler-punasiirtymää? tuleeko ristiriitoja? Jos koko mittausmenettely standardietäisyyksien perusteita myöten perusteltaisiin gravitaatiolain pitävyydellä, millaisena kaikkeutemme rakenne näyttäytyisi? Onko olemassa malleja, joissa etäisyyskäsitys perustuisi enemmän gravitaatioon kuin Hubblen lakiin? Onko mitään havaintoja avaruuden "koverista" gravitaatiolinsseistä? Kuperistahan on kyllä.

pompelipoo

Yksi asia jää aina mainitsematta, tässä sivuttiin sitä vähän. Voisiko olla mahdollista että etäisyyksien mittaamisen "tikapuut" on huonosti kalibroitu? Eikö niissä tikapuissa ensin oleteta jotain, sitten jonkun kirkkauden perusteella päästään seuraavalle askelmalle, sitten vähän x-luokan supernovaa kehiin ja päästään taas seuraavalle askelmalle. Eli ehkä gravitaatio on oikein, pimeää ainetta ei tarvita, vaan etäisyyksien mittaus on pielessä.

Mr. Ikuinen Rakkaus

Mitä mieltä olet density wave teoriasta?

Liittyy tähtien tapaan liikkua galaksissa.

Aiheeseen ei liity Svensmark ja hänen teoriansa siitä ettei sää saa aikaan pilviä, vaan pilvet muokkaavatkin säätä ja kosminen säteily taas saa aikaan pilviä jne.

Density wave teoria taas liittyy Svensmarkiin ja sitä kautta kysymys hänestä. Mitä mieltä olet Svensmarkin teoriasta?

.

milou

Pimeä aine/pimeä energia-artikkeleissa minua vaivaa hiukan se, että ei oikeastaan kerrota muuta kuin, että "Jos pimeää ainetta on olemassa, niin se koostuu toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista."

Ymmärtääkseni standardimalli (en ole asiantuntija kylläkään) ennusti aikoinaan tuntemattomia hiukkasia, joita sittemmin on löytynyt ja lieneekö niin, että viimeistä ennustettua etsitään parhaillaan.

Eikö pimeälle aineelle ole mitään teoriaa edes pohtia mitä se voisi olla? Liittyykö tämä jotenkin siihen, että pimeä aine ilmenee gravitaatiovuorovaikutuksena eikä gravitaatio muutenkaan sovi standardimalliin? Korjaa toki mieluusti, jos olen ymmärtänyt väärin.

Kuka kertoo ensimmäisenä, mistä voisi olla teoriassa kyse? (paitsi toistaiseksi tuntemattomasta hiukkasesta).

Arkkimeedees

Olen miettinyt, että se pimeä energia, joka työntää galakseja kiihtyvästi kauemmas toisistaan, vaikuttaa jo galaksien ulkolaidalla siten, että se saa ne (ulkolaidoilla) pyörimään nopeammin kun mitä niiden näkyvän aineen perusteella pitäisi pyöriä. Gravitaation vaikutus heikkenisi ulospäin vetävän pimeän energian takia. Eräänlainen alipaine siis galaksien laidoilla, joka kiihdyttää pyörimistä. Yritin avata tästä triidiäkin keskustelupalstalla, mutta kukaan ei ole toistaiseksi reagoinut. Heh heh, ajatus on siis saanut ansaitsemansa nuivan vastaanoton.

Mr. Ikuinen Rakkaus

Minähän en usko edes vetävän voiman olemassa oloon, joten eipä tarvitse uskoa pimeään aineeseenkaan.

Neutriinoilla sanotaan olevan massa ja massallisilla hiukkasilla sanotaan olevan kyky vetää muita massallisia hiukkasia puoleensa.

Miten neutriinoista välittyy vetävä voima neutriinon ympäristöön?

Jos vetävävä voima välittyy valonnopeudella ja neutriinot itse liikkuvat lähes valonnopeudella, niin pakkautuuko neutriinojen etupuolelle enemmän vetävää voimaa?

Jos ei pakkaudu, miten neutriino kontrolloi itsestään pois päin siirtyvää vetävää voimaa?

Jos vetävää voimaa siityy koko ajan pois päin neutriinosta ja joka suuntaan yhtä paljon koko ajan, niin silloin neutriinon liikerataan nähden etuolella etenee vetävän voiman aaltoja tiheänä rintamana ja neutriinon liikerataan nähden taaksepäin harvana rintamana?

Eli kysymys kehittyi tällaiseksi. Ovatko vetävän voiman aallot myös ns. punasiirtyneitä ja sinisiirtyneitä?

.

Tiedemies

Oma pointtini oli lähinnä se, että vaihtoehtoinen malli, joka selittäisi sen, mitä pimeällä aineella nyt selitetään, jotenkin muuten, on väistämättä kömpelö vrt. ensimmäiset heliosentriset mallit, jotka antoivat huonompia ennusteita kuin hyvin viilatut geosentriset mallit. Einstein onnistui "kertaheitolla" siinä mielessä, että hänen mallinsä oli tarkempi kuin Newtonin gravitaatio heti alkuun, ja selitti (jopa ennusti) havaintoja joita ei Newtonin gravitaatiosta voitu johtaa. Se mikä minua askarruttaa on, josko nykyisin suhtaudutaan vaihtoehtoisten mallien antamiin näkökulmiin turhan nuivasti, vaikka ne heti kättelyssä eivät osaisikaan ennustaa mitään paremmin.

Lisäksi vähän epäilen että fyysikot eivät oikein lämpene yleisemmin jonkinlaiselle "mallien pluralismille", jossa kuten miten oikeiksi hyväksytään useita erilaisia jopa ristiriitaisia malleja. Tämähän on tilanne useimmilla muilla aloilla. Jopa kemisteillä on samasta ilmiöstä useita eri malleja, riippuen siitä minkä suureen tarkkuutta halutaan painottaa; toki taustalla on aina fysiikan "perustavammanlaatuiset" mallit. Mutta ollanko fyysikkojen parissa tiukasti kiinni ajatuksessa, että todellisuudesta voi olla vain yksi malli ja se on se joka on oikea. Vai onko tätä tapana problematisoida mitenkään?

Mr. Ikuinen Rakkaus

En todellakaan usko että Auringosta ulos työntyvästä neutriinosta voisi välittyä joku maaginen vetävä voima jokaiseen Auringon atomin ytimeen erikseen, mutta voin helposti uskoa että neutriinoista itsestään työntyy koko ajan ulos vielä paljon pienempiä tihentymiä.

Niin että ne törmätessään sen aineen atomien ytimiin, jonka läpi neutriino itse liikkuu, kohdistavat työntävän voiman sen atomin ytimen erilliseen tihentymään johon sattuvat törmäämään.

ja työntävän voiman välittyminenhän on äärimmäisen yksinkertainen asia ymmärtää.

.

Pekka

Onkohan kuitenkin niin, että nk. "pimeän aineen" muodostaa kuitenkin ihan normaalit baryonista ainetta olevat kylmät kappaleet, joita me ei vaan voida eikä osata nykyteknologialla havaita? Tämä olisi kaunein selitys pimeälle aineelle, silloin ei tarvitsisi koettaa yrittää detektoida pimeän aineen hiukkasia tai mitä ne nyt sitten olisivatkaan.

Jesse

Mr. Ikuinen Rakkaus:
Gravitaatiota ja valonnopeutta tutkittaessa kannattaa perehtyä suhteellisuusteoriaan. Ensinnäkin kaikki nopeudet ovat suhteellisia, muiden kappalaiden liike riippuu havaitsijan omasta koordinaatistosta, siispä käsitteet kuten liike-energia ja kappaleen massa ovat myös suhteellisia. Neutriinot tai muutkaan kappaleet eivät mielestäni "vedä" mitään puoleensa vaan jokainen massa kaareuttaa avaruutta (lähettää gravitaatioaaltoja), jolloin kappaleiden liikeradat muuttuvat. Ajattele, että neutriinosi on levossa (omassa koordinaatistossaan) ja meille se matkaa vaikka nopeudella 0.99c. Silloin gravitaatio välittyy avaruuteen valonnopeudella, siis neutriinollekin valonnopeus on valonnopeus. Se mitä me havaitsemme onkin erillainen, huomaamme, että neutriino "roikkuu hyvin" gravitaatioaallon perässä, missä gravitaatio etenee valonnopeudella.

Gravitaatiosta, ajattele vaikka ryttäämätöntä paperin palaa, jossa kulkee vesipisara vasemmalta oikealle. Seuraavaksi käännät paperin tötteröksi ja se vesipisara kulkeekin nyt ympyrärataa paperin pinnalla eikä enään suoria pitkin, kuten ryttäämättömässä versiossa. Huomaa, rytistys muutti myös paperin pisteiden etäisyyttä vaikka vesipisaran kulkemat reitit säilyttivät pituutensa. Samankaltaisesti avaruuksien pisteiden eteisyydet eivät olekkaan ihan itsestäänselviä. Tässä tietysti kuvattiin taso lieriöksi 3d-avaruudessa, aika-avaruudessa asiat ovat monimutkaisempia ja havainnollistus on vaikeaa (eikä gravitaatio taita tasoja lieriöksi, se oli vain matemaattinen johdanto!).

Lopuksi todettakoon, että yleinen teoria on matemaattisesti hyvin haasteellinen. Toisaalta suppea teoria on matemaattisesti helpompi vaikka se saa aikaan joitain hyvin radikaaleja ennustuksia. Suosittelen katsomaan youtubesta populaareja videoita, jos asiat kiinnostavat ja haluaa saada visuaalisempaa näkökulmaa asioihin. Empä kirjottele tästä tämän enempää.

Youtube video gravitaatiosta:
http://www.youtube.com/watch?v=O-p8yZYxNGc
- 5.44 jälkeen havainnollistetaan yleisen suhteellisuusteorian gravitaatiota. Alkuosassa käsitellään Newtonin teoriaa, eroja ja sen semmoista. Havainnollistus on vähän väärä, mutta ihan kiva ei-fyysikoiden käyttöön.

Youtube video "suhteellisuudesta" (nopeus, aika):
http://www.youtube.com/watch?v=xvZfx7iwq94

Syksy Räsänen

Tiedemies:

1. Pimeän aineen hypoteesi on ennustanut oikein ainakin tähtien liikkeitä galakseissa, galaksien ja kaasun liikkeitä galaksiryppäissä, kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksia, galaksien jakauman maailmankaikkeudessa ja gravitaatiolinssit.

2. Eräs muokatun gravitaatiolain versio on pystynyt selittämään ja ennustamaan galaksien kiertonopeuden ja kirkkauden välisen ns. Tully-Fisher-suhteen, jota ei ole ainakaan toistaiseksi kyetty ymmärtämään pimeän aineen malleissa.

Alkuperäisenä mallina oli oletus tavallisesta gravitaatiosta ja tavallisesta, atomiytimistä ja elektroneista koostuvasta aineesta. Tämä ei vastaa havaintoja, ja mallin muuttaminen ottamalla mukaan pimeää ainetta on sekä helpompaa että kokeiden kannalta menestyneempää kuin gravitaation muuttaminen.

Tutkijat ovat hyvin kiintyneitä teorioihinsa jos havainnot eivät osoita niitä vääriksi eikä ole parempaa mallia. Jos parempi malli löytyy, useimmat vaihtavat lempiteoriaa nopeasti.

Syksy Räsänen

Metusalah:

En tunne galaksien muodostumista, mutta se ei tietääkseni ole mikään ongelma pimeän aineen teorioille. (Galaksien yksityiskohtien laskeminen oikein on tosin osoittautunut hyvin vaativaksi, koska niihin vaikuttavat monet tekijät.) Galaksien monimuotoisuudella tai sen puutteella ei ole mitään suoraa tekemistä pimeän aineen kanssa. Tähtiä ja planeettojakin on erilaisia, vaikka ne kaikki rakentuvat tavallisesta aineesta.

Syksy Räsänen

Arkkimeedees:

Pimeän energian vaikutus on galaksien skaalalla mitätön. Sellaisiakina malleja, joissa pimeä energia ja pimeä aine ovat yksi ja sama asia on rakenneltu, mutta huonolla menestyksellä, koska ne ominaisuudet joita pimeän aineen mallilta vaaditaan havaintojen selittämiseksi ovat aivan erilaiset kuin ne, mitä pimeältä energialta vaaditaan.

Mr. Ikuinen Rakkaus:

Kysymys ei liity merkinnän aiheeseen.

Syksy Räsänen

Pekka, Opettaja:

Pimeä aine ei voi koostua elektroneista, protoneista ja neutroneista (eli tavallisesta aineesta), ks. http://www.tiede.fi/blog/2008/08/06/pimeyden-henkilollisyys/ ja merkinnän http://www.tiede.fi/blog/2008/08/26/monta-tieta-varjoihin/ kommentit.

Hieman tarkemmin voi sanoa, että on olemassa tavallista ainetta, jota emme näe koska se on niin himmeää, mutta nykyisessä kielenkäytössä "pimeä aine" ei yleensä sisällä tällaista atomiytimistä ja elektroneista koostuvaa ainetta.

Eusa

"Etäisyyksien ja kokojen mittauksella ei ole mitään tekemistä sen kanssa, miten tähdet kiertävät galakseissa."

Näyttääpä olevan ainakin tuon viitatun tutkimuksen otosalueella kappaleiden massan, koon ja etäisyyksien suhteen - miksei siis galaksien ja tähtien suhteen voisi olla samoin? Mutta ymmärrän pelkosi siitä, että punasiirtymästä Doppler-efektinä laskettavan (kiihtyvän) laajenemisen tulkinnan kyseenalaistaminen altistaisi naurunalaiseksi joutumiseen. Sellaisia tutkijoita saattaa silti piankin tulla ja julkaista kaikkeudesta täysin vaihtoehtoisen mallin/malleja. Tunnen matematiikkaa sen verran, että näen syvän avaruuden havaintoihin voitavan soveltaa helposti useita yhteensopivia morfologisia ratkaisuja. Toivottavasti useita vakavasti otettavia uusia hypoteeseja tulee sillä vaikka ne eivät sen toimivimmiksi falsifioitavia olisikaan, kosmologisesta puusilmäisyydestä on oireellisia merkkejä ja siitä on päästävä jotta tiede voisi mennä eteenpäin!

Syksy Räsänen

Eusa:

Tarkennettakoon, että vastasin kommenttiisi, jossa oli kyse galaksien koon ja etäisyyksien mittauksista. Tähtien etäisyyksien mittaus on tietysti oleellista sille, miten tähdet kiertävät galakseissa, mutta se on aivan eri asia kuin galaksien etäisyyksien mittaus.

Se, että havainnot edellyttävät pimeää ainetta tai muutettua gravitaatiolakia on järkevän epäilyn ulkopuolella.

Havainnot kiihtyvästä laajenemisesta (jos se on oikea selitys niille) eivät muuten perustu Doppler-efektiin - mutta tämä ei liity merkinnän aiheeseen, joten ei siitä sen enempää.

pompelipoo

Eli olisiko asia näin, katsotaan galaksia, sen puolessa välissä tähdet kiertää nopeudella x, ja ulkoreunalla 1/4 x, eli etäisyys neliöön? Voidaan mitata suhteellinen nopeus, eikä galaksin etäisyyden tiedolla oikeastaan ole merkitystä?

Topi Rinkinen

Moi,

yks per är toiseen -muotoiselle kentälle (jollainen gravitaatiokin on) saadaan yks per är -muotoinen lähikenttä (mikä vaaditaan että tähtien pyörimisnopeus galaksien ympäri tapahtuu vakionopeudella, etäisyydestä riippumatta) esimerkiksi pitkähköllä (ehkä 2-20 galaksin halkaisijaa) akselimaisella (akselin halkaisija vaikka galaksin ytimen verran) massakeskittymällä niin, että galaksin tähdet kiertävät tämän "akselin" ympäri. Jos tämän akselinmaisen massakeskittymän massa on reilusti galaksin näkyvää massaa isompi, saisi se tähdet kiertämään tunnetulla tavalla (vakionopeudella).

Tällainen pimeän aineen keskittymä ei vaikuttaisi tähtien vetovoimiin toisiinsa nähden: ne liikkuvat kuten näkyvä aine antaa ymmärtää, koska tällöin ei pimeää ainetta olisi "normitähtien" välissä.

Onko tällaisen rakenteen mahdollisuutta tutkittu?

-Topi

Eusa

Päättelyni menee näin: jos tietyn galaksin etäisyydeksi saadaan punasiirtymän perusteeella sanotaan vaikka 0.5 miljardia valovuotta ja todellinen vuorovaikutusetäisyys olisikin vain 30 milj. valovuotta, on sillä rotaatiokäyrän tulkintaankin jotain merkitystä. Ja voihan se loppu pimeäksi massaksi aJateltu olla vaikka tähtiryhmien "jäykkyysrakenteita" vähän samoin kuin suurin osa baryonisesta massastakin tulee hiukkasten välisistä sidoksista...

Topi Rinkinen

Sorry, vasta nukuttuani tajusin mitä tutkimuksen "amerikkalainen jalkapallo" -muoto tarkoittaa. Eli gravitaatiokentältään samantapainen muoto, mutta realistisempi kuin tiukka akseli.

-Topi

Syksy Räsänen

pompelipoo:

Suunnilleen noin, siis galaksin etäisyys meistä ei ole keskeistä, vaan galaksissa näkyvien tähtien nopeus ja etäisyys keskustasta. (Se, miten näitä asioita ja galaksien massoja oikeasti mitataan on monimutkainen juttu, parempi että en mene siihen tarkemmin.)

Tähtien kiertonopeus suurella säteellä on suunnilleen riippumaton säteestä (kun taas näkyvän aineen määrä laskee hyvin nopeasti).

Topi Rinkinen:

Tällainen muoto on käsittääkseni muiden havaintojen puolesta epäsuosiossa, muun muassa siksi, että tähtien liikkeiden selittämiseen tarvitun pimeän aineen suhde näkyvään aineeseen kasvaa etäisyyden keskustasta myötä. En tiedä onko se täysin poissuljettu mahdollisuus. Teoreettisesti on hankala ymmärtää miten pimeä aine päätyisi tuollaiseen muotoon.

Metusalah

pompelipoo kirjoitti:
"Eli olisiko asia näin, katsotaan galaksia, sen puolessa välissä tähdet kiertää nopeudella x, ja ulkoreunalla 1/4 x, eli etäisyys neliöön?"

Syksy vastasikin jo tähän, joten minun kannattaisi varmaan pitää näppini erossa aiheesta, mutta kommentoin silti:
Pimeä aine ilmenee tutkijoille ongelmana siinä, että jos galaksin puolessa välissä tähdet kiertävät nopeudella x, ne eivät kierräkään ulkoreunalla 1/4x (etäisyys neliöön), vaan paljon nopeammin kuin niiden "pitäisi", esim. 3/4 x. Kun Syksy kirjoitti blogissaan "todistuskappaleista eräs helpoimmin selitettävä on se, miten tähdet liikkuvat galakseissa", hän mahdollisesti tarkoitti juuri tätä tähtien nopeuden problematiikkaa galaksien ulkoreunoilla? Ja tämän seikan selittäminen lienee se "monimutkainen juttu". Hyvin mahdollisesti olen väärässäkin; tätä kommenttiani ei tarvitse välttämättä edes julkaista.

Tiedemies

Hei, vielä yksi kysymys: Onko joissakin yrityksissä ratkaista asia jotain senkaltaista, että esim. suhteellisuusteorian tapainen malli avaruuden rakenteesta on epähomogeeninen, siis avaruudessa on ikäänkuin luonnostaan "kuoppia" ja "kupruja", ja että tämä selittäisi yhtä aikaa sekä pimeän aineen että pimeän energian? So, ettei kyse olisikaan massasta vaan avaruuden kummallisesta topologiasta?

Syksy Räsänen

Tiedemies:

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika-avaruus kaartuu sen sisältämän ainesisällön mukaan. Koska galaksien ainesisältö on epätasaisesti jakautunut, myös aika-avaruus on kaartunut eri tavalla eri kohdissa. Galakseissa yleisen suhteellisuusteorian ja Newtonin teorian erot ovat hyvin pieniä, ja tätä ilmiötä kuitenkin kuvaa suurella tarkkuudella Newtonin teorian gravitaatiovoima. Aika-avaruuden kuprut tässä yhteydessä siis vain tarkoittavat sitä, että gravitaatiovoima on isompi lähempänä massoja.

On sen sijaan mahdollista, että kiihtyvä laajeneminen selittyisi maailmankaikkeuden epätasaisuuksilla, eikä pimeää energiaa tarvittaisi. Ks. http://www.tiede.fi/blog/2008/03/16/kolmen-vaihtoehdon-mysteeri

Topologia ei liity asiaan.

sidemiete

Tiedemies: Lisäksi vähän epäilen että fyysikot eivät oikein lämpene yleisemmin jonkinlaiselle “mallien pluralismille”, jossa kuten miten oikeiksi hyväksytään useita erilaisia jopa ristiriitaisia malleja.

Lisää informaatiota (fysiikkaa) saadaan sijoittamalla siihen enemmän rahaa. Kiihdytinten energia on kasvanut eksponentiaalisesti ja kehitys tasaantunee siinä missä öljynkulutuskin. Miksei sitten fysiikkakin.

Jos peak physics on tulossa lähiaikoina, niin silloin on vain pakko hyväksyä nykyinen asioiden tila mallien pluralismista. Ei ole olemassa ristiriidatonta havainnoin toteen näytettyä mallia maailmankaikkeudesta.

Toisaalta, fysiikan unifikaatio 1960-luvulla, ts. yhtäläisen työkalupaketin näkeminen esimerkiksi tilastollisessa fysiikassa ja hiukkasfysiikassa ("tilastollinen fysiikka saadaan tekemällä hitufysiikalle Wickin rotaatio") on johtanut joidenkin mielestä jonkinlaiseen tieteellisen monismin ideaalin havitteluun. Katso vaikka John Baezin ja Mike Stayn "Physics, Topology, Logic and Computation: Rosetta Stone" -artikkeli, joka on hyvä esimerkki tästä.

Kosmos

Jos pimeä aine on keskittynyt galaksimme näkyvään kiekkoon, selittäisikö se havainnot. Näin kai jotkin teoreettiset mallit ennustivat.

Vuonna 2010 julkaistun tutkimuksen mukaan galaksiamme ympäröivä pimeän aineen halo ja galaksimme näkyvä kiekko ovat 90 asteen kulmassa toistensa suhteen. Pimeän aineen halo muistuttaa muodoltaan sivuilta litistynyttä rantapalloa (AAS) .

pete

No joko olisi aika myöntää todellisuus ja tosiasiat. Todellisuus on fysikaa, jota pyritään selvittämään. Tosiasiassa halutaan olla oikeassa, vaikka se olisi kuinka väärän. Siis aina kielletään todellisuuden mahdollisuudet tai mahdottomuudet, koska minä olen oikeassa.

Tavoitteena pitää olla mahdoton, josta rakennetaan mahdollinen tavoite. Kun olen itse varma asiasta sen että, nykyiset mallit rakentuvat 100 vuotta vanhaan periaatteeseen, voimme olla varmoja siitä että malli ei toimi.
Mielestäni on todella typerää ajatella vain yhdenoikean mallin toimivuutta. Malliesimerkkinä on GERN. Laitetaan rahaa miljardi, tuloksena atomien yhdistyminen jota tuskin voi varmistaa. Vaikka saatuna hyötynä olisikin teoreettinen hyöty esimerkiksi vedyn ja hapen yhdistymisestä, sitä ei voi hyödyntä koska se tulisi liian kalliiksi.
Periaatteessa jokainen joka osaa yhdistää tulevaisuuden raaka-aineita järkevällätavalla, on voittaja.
Kun fyysikko ei osaa ajatella omilla aivoilla tai luottaa liikkaa oletettuun tulokseen, on osa pelistä menetetty. Muokattu malli tuottaa tydytyksen keskinkertaiselle fyysikolle. Siis onko fyysikolla omia aivoja, vai onko tavoitellut mallit se ainoa oikea?

Syksy Räsänen

Kosmos:

Ei selittäisi. On myös vaikea ymmärtää, miten pimeä aine voisi olla keskittynyt kiekoksi.

Pentti S. Varis

Nobelisti Hannes Alfven hahmotteli aikoinaan teoriaa, jossa avaruus olisi jakautunut materiaa ja antimateriaa olevin soluihin. Italialainen tutkija esittää nyt antimaterian sijaintipaikaksi galaksien välejä avaruudessa. Kun tähän lisätään se, että materian ja antimaterian välillä on karkottava voima, antigravitaatio, saadaan tulokseksi avaruuden kiihtyvä laajeneminen ilman pimeää energiaa tai ainetta:

http://phys.org/news/2011-04-antigravity-dark-energy-universe-expansion....

Termodynamiikan toinen laki sekä pienimmän vaikutuksen periaate Maupertuisin esittämässä alkuperäisessä muodossa ovat Arto Annilan teorian perusperiaatteet, joista koko avaruus laajeneminen mukaanluettuna on johdettavissa ilman pimeään energiaan tai pimeään aineeseen turvautumista:

http://phys.org/news/2011-10-supernovae-universe-expansion-understood-da...

On muitakin jokseenkin koherentteja teoriakehitelmiä, jotka eivät tarvitse pimeän energian tai aineen olettamista. Tämän tosiseikan valossa pimeän aineen tai energian olettaminen saattaa tuntua suorastaan kömpelöltä yritykseltä.

Syksy Räsänen

Pentti S. Varis:

Yleisessä suhteellisuusteoriassa materia ja antimateria vetävät toisiaan puoleensa. Tämän muuttaminen vaatii uutta gravitaatioteoriaa. Lisäksi tiedetään, että antimateria-alueita ei ole, koska niiden ja tavallisten alueiden reunoilta tulisi annihilaatiosäteilyä, ja lisäksi idea on ristiriidassa useiden muiden kosmologisten havaintojen kanssa, kuten kosmisen mikroaaltotaustan.

Pimeä aine ja pimeä energia ovat yksinkertaisimmat mahdolliset selitykset havainnoille. Tämä ei tietenkään tarkoita sitä, että ne välttämättä ovat oikein, mutta pimeän aineen kohdalla hyviä vaihtoehtoja ei ole.

Ei pimeästä energiasta sen enempää, koska se ei liity merkinnän aiheeseen.

Zatal

Olisi muuten mielenkiintoista nähdä onko avaruuden muoto sellainen, että voisimme nähdä oman aurinkomme kuvan sopivan kaareutumisen ansiosta. Onkohan tuo edes teoriassa mahdollista, koska gravitaation vaikutukset kaareutumiseen voi sirotella fotonit liian laajalle alalle havaitsemista varten.

Miten muuten on, vaikuttaako avaruuden epätasainen kaareutuminen siihen mitä voimme nähdä? Osa tähdistä, galakseista sekä muusta havaintomateriaalista voi kadota näkyvistämme, mikäli kaareutuminen tapahtuu sopivalla tavalla. Tämä, sekä moni muukin asia voivat aiheuttaa melkoisia ongelmia galaksien gravitaatiojakautumien tutkimisessa.
Olisi mielenkiintoista nähdä avaruuden 3d-kartta, joka kaikkien kappaleiden paikat olisi arvioitu yhdelle ajanhetkelle, vaikkapa 7 miljardia vuotta sitten. Tätä varten kaareutuminen, etäisyydet, sekä moni muu asia tulisi tuntea todella hyvin. Lisäksi vain 7 mrd sitten lähtenyt säteily olisi kartassa oikeassa paikassa, riippuen kaareutumisen tulkinnasta. Kaikki muu jouduttaisiin arvioimaan aikaisemmalle paikalleen. Tähtien kuolemat yms. kosmiset tapahtumat tuottaisivat myös melkoisen haasteen... Siis tässä päästään aivan uuteen ongelmakenttään, joka on laaja. Toteutuessaan tällainen kartta kertoisi meille todellisemman kuvan niistä tapahtumista joita kaikkialla tapahtuu. Mikäli kappaleiden välinen etäisyys on vaikkapa 3 mrd valovuotta, niin niiden keskinäistä vuorovaikutusta vaikkapa 10 mrd vuoden aikana on vaikea hahmottaa, varsinkin jos puhutaan kaikista muista kappaleista, jotka ovat voineet vaikuttaa asiaan... Lisäksi kartan tekisi mielenkiintoiseksi avaruuden kaareutuminen ja sen hallinta, sekä tietenkin miten pimeän aineen ja pimeän energian vaikutukset huomioitaisiin...
Olisi mielekiintoista nähdä miten edellä hahmottelemani kartta näyttäisi galaksijoukkoina, sekä sitä suurempina rakenteina. Käsittääkseni nykyiset hahmotelmat pyrkivät käyttämään suoraa havaintoaineistoa, jolloin havaintoaineistojen ajallinen eriaikaisuus vääristää saatua lopputulosta.

Syksy Räsänen

Zatal:

Kysymys ei juuri liity merkinnän aiheeseen, mutta sanottakoon, että aika-avaruuden kaareutuminen rajoittaa näkyvyyttä vain mustien aukkojen ja kosmisen horisontin (joka liittyy informaation äärelliseen nopeuteen) kohdalla.

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto