Pimeä aine on menestynyt hypoteesi, joka on selittänyt useita gravitaatioon liittyviä havaintoja ja tehnyt onnistuneita ennustuksia, galaksien liikkeistä mikroaaltotaustaan. Jotta pimeän aineen olemassaolo voitaisiin katsoa todistetuksi, tarvittaisiin kuitenkin havaintoja pimeästä aineesta itsestään, ei vain sen painovoimasta.

Pimeän aineen havaitsemiskeinot jaetaan suoriin ja epäsuoriin. Suora havaitseminen tarkoittaa sitä, että pimeän aineen hiukkaset tavoitetaan laboratoriossa, kun taas epäsuorassa havaitsemisessa nähdään vain pimeän aineen hiukkasista syntyvää säteilyä.

Suora havaitseminen olisi selkeintä. Neutriinot on löydetty hiukkaskiihdyttimissä ja se saattaa onnistua pimeän aineen kohdallakin. Monet toivovat, että Large Hadron Colliderin (LHC) hiukkastörmäyksissä CERNissä syntyisi pimeän aineen hiukkasia. Kiihdytinkokeiden hyvä puoli on se, että niitä on mahdollista toistaa, ja olosuhteet ovat tarkkaan hallittuja. Hiukkasten ominaisuuksia on siten mahdollista selvittää yksityiskohtaisesti. Kääntöpuolena on se, että jos pimeän aineen hiukkasen massa ja vuorovaikutukset eivät satu olemaan LHC:n luotaamalla alueella, ei kiihdytin näe pimeästä aineesta jälkeäkään.

Suoraan havaitsemiseen on olemassa kehittyneitä hiukkaskiihdyttimiä halvempi vaihtoehto. Jos pimeää ainetta on olemassa, sitä kulkee jatkuvasti maapallon läpi. Pimeän aineen vuorovaikutus tavallisen aineen kanssa on heikko, mutta ei aivan olematon, joten pimeä aine välillä tönii tavallista ainetta. Tällä hetkellä on kymmenisen eri koetta, joissa yritetään huomata tämä häiriköinti. Kokeissa vahditaan syvällä maan alla tarkkaan eristettyä aineen palaa, ja odotetaan, että joku atomi kokee yllättävän töytäisyn. Tämän lähestymistavan kauneus on sen yksinkertaisuudessa. Toisaalta se, että kokeet eivät ole herkkiä pimeän aineen tarkalle luonteelle, tekee niiden tulkinnasta on vaikeampaa. DAMA-niminen koe on väittänyt löytäneensä pimeän aineen jokunen vuosi sitten, mutta muut ryhmät eivät ole pystyneet varmentamaan havaintoa, ja asia on auki.

Epäsuoran havaitsemisen lähtökohtana on se mahdollisuus, että pimeä aine koostuu sekä hiukkasista että niiden antihiukkasista. Nämä annihiloituvat kohdatessaan ja tuottavat korkeaenergistä säteilyä. Pimeä aine saattaa myös hajota kevyemmiksi hiukkasiksi, radioaktiivisten ydinten tapaan. Säteilyn energiasta voidaan päätellä hiukkasen massa, ja hyvällä tuurilla muitakin ominaisuuksia. Esimerkiksi edellisessä merkinnässä mainitut oikeakätiset neutriinot tunnistaa röntgensäteistä, kun taas fotonin supersymmetrisen partnerin annihilaatiosta seuraa tyypillisesti gammasäteilyä.

Koska pimeän aineen vuorovaikutukset ovat heikkoja, hiukkaset ja antihiukkaset kohtaavat harvoin, eikä säteilyä tulvi joka puolelta. Löytääkseen pimeää ainetta pitää katsoa jonnekin, missä sen tiheyden pitäisi olla suuri. Linnunradan keskusta on hyvä paikka yrittää, samoin kääpiögalaksit. Suurin ongelma on se, että galaksien keskustasta tulee kaikenlaista säteilyä muutenkin, ja pimeän aineen osuuden erottaminen on monimutkaista puuhaa. Mahdollisesti pimeästä aineesta kieliviä säteilyhavaintoja on olemassa muutama. Tällä hetkellä en löisi vetoa minkään niistä puolesta muuten kuin hyvillä kertoimilla.

Eräs kiehtova mahdollisuus on, että tähdillä olisi pimeästä aineesta koostuva ydin. Pimeä aine ajautuu tähteen jouduttuaan tämän painovoiman piiriin, ja vajoaa keskustaan törmäillessään tähden aineeseen. Vuorovaikutusten heikkouden takia tähteen jäävän pimeän aineen määrä on vähäinen, mutta lieventävänä asianhaarana Aurinko on paljon lähempänä meitä kuin galaksin keskusta. Lisää aiheesta ystäväni Malcolm Fairbairnin puheessa.

Havaintokeinojen runsaus tekee mahdolliseksi selvittää pimeän aineen ominaisuuksia monesta suunnasta. Jos annihilaatiosäteilystä määritetään hiukkasen massa, niin laboratoriossa havaitusta tönäisystä voidaan lukea, kuinka voimakkaasti se vuorovaikuttaa. Tämä rajoittaakin jo mahdollisia malleja merkittävästi, ja kertoo mitä etsiä kiihdyttimissä.

Pimeän aineen tutkimus yhdistää todellisuuden pienimpiä rakennuspalikoita tutkivan hiukkasfysiikan ja havainnot taivaalta, maailmankaikkeuden suurimmilta skaaloilta. Hiukkasfysiikka on havaintoja pahasti jäljessä: ensimmäiset viitteet saatiin 1930-luvulla, mutta vieläkään ei tiedetä, mikä hiukkanen pimeän aineen taustalla on. Ideoita on paljon, ja käynnissä on kosolti kokeita niiden testaamiseksi. Eniten odotuksia on ladattu kahden viikon kuluttua, syyskuun 10. päivänä, käynnistyvään LHC:hen. Moni toivoo, että LHC lopettaa pitkään jatkuneen spekuloinnin ja paljastaa oikean mallin. Parhaassa tapauksessa vastaus olisi täysin odottamaton, ja johtaisi kysymyksiin, joita ei ole vielä muotoiltu.

Kommentit (16)

Jukka

Eikö olisi parempi ensin yrittää ymmärtää miten vetävä voima välittyy? Nyt on keksitty että olisi olemassa joku aine joka on ainakin siinä mielessä erilaista kuin havaittava aine, ettei sitä voi havaita samalla tavalla kuin havaittavaa ainetta.

Miksi tällä erilaisella aineella olisi samanlainen vetävä voima kuin havaittavalla aineella. Miten se vetävä voima välittyy kun puhutaan havaittavasta aineesta? Entäpä välittyykö se pimeän aineen vetävä voima samalla tavalla vai ehkäpä eri tavalla? Onhan se pimeä kuitenmin erilaista kuin havaittava aine. Siis jos sitä pimeää ainetta on olemassa. Ja onko sitä vetävää voimaakaan olemassa? Jos sitä ei osata selittää, niin eikö koko vetävän voiman olemassa olo pidä kyseenalaistaa? Ehkäpä kaikki ns. painovoiman kuvailemat ilmiöt voidaan selittää ilman vetävää voimaa?

Lainaa Syksyä

"Sanottakoon nyt kuitenkin, että avaruusajan kaareutuminen näkyy esimerkiksi maailmankaikkeuden laajenemisessa"

Miten voi nähdä maailmankaikkeuden laajenevan? Eihän tilaa voi nähdä!
Jos viittaat siihen että on havaittu valon olevan sitä punasiirtyneempää, mitä kauempaa valo tulee, niin miten voidaan olla varmoja että valon yleinen punasiirtymä on todiste sille että tila laajenee? Eikö se voi yhtä hyvin tai jopa paremminkin todistaa sen että energia fotoneissa muuttuu vähemmän tiheäksi energiaksi?

Syksy Räsänen

Merkinnässä "Merkkejä näkyvän tuolta puolen" kirjoitin:

http://www.tiede.fi/blog/?p=289

"Pimeä aine selittää monia havaintoja yhdellä selkeällä hypoteesilla. Gravitaatiolakia muutettaessa joudutaan sen sijaan säätämään eri vipuja kullekin havainnolle, ja näin muotoillut teoriat ovat monimutkaisia ja rumia. Tämä ei tarkoita sitä, että ne ovat välttämättä väärin - sen määräävät kokeet, ei estetiikka."

On periaatteessa mahdollista, että havaintojen selittäminen vaatisi sekä pimeää ainetta että erilaisen painovoiman. Tällä hetkellä kuitenkin yksinkertaisin ja menestynein hypoteesi on se, että on olemassa pimeää ainetta mutta gravitaatio toimii tavalliseen tapaan.

Painovoiman olemassaolo on järkevän epäilyn ulkopuolella.

Pekka

Ilmeisesti pimeäkin aine syntyi jossain alkuräjähdyksen vaiheessa? Nyt tutkijat ovat kehittäneet hyviä teorioita mm. vedyn ja heliumin suhteille jota havainnot tukevat kauniisti, aineen ja antiaineen epäsuhdalle jne. En ole kuitenkaan törmännyt vielä kenenkään pohdiskeluihin siitä, miten pimeä aine olisi syntynyt alkuräjähdyksessä. Kun pimeää ainetta on niin jumalattomasti verrattuna näkyvään tavaraan, niin luulisi sellaisen massan syntymisen olevan "jotenkin" selitettävissä alkumaailmankaikkeuden jumalattomasta lämpösäteilystä, toivoisin näkeväni edes villejä arvauksia.
Pimeä aine muistaakseni vuorovaikuttaa vain gravitaation ja heikon ydinvoiman välityksellä. Newtonin gravitaatiolaki on todella tyylikäs ja kaunis, samoin Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria yhdistää kauniisti gravitaation ja kiihtyvyyden aika-avaruudessa. Olisi todella hullu juttu, jos näitä yhtälöitä pitäisi lähteä rukkaamaan jotta saataisiin pimeä aine selitettyä...

Syksy Räsänen

Kevyiden alkuaineiden muodostumisessa on kyse valmiiksi olemassaolevien hiukkasten (protonien ja neutronien) sitoutumisesta toisiinsa. Hieman varhaisemmin maailmankaikkeuden historiassa kvarkit sitoutuivat protoneiksi ja neutroneiksi.

Pimeä aine koostuu useimmissa (joskaan ei kaikissa) malleissa alkeishiukkasista, joilla ei ole sisärakennetta, kuten ei kvarkeillakaan. Kysymys on siis siitä, mistä kvarkit (ja elektronit ja fotonit ja neutriinot) ja pimeä aine ovat peräisin.

Tällä hetkellä vaikuttaa luultavalta, että pimeä aine ja tavallinen aine (sekä fotonit ja neutriinot) ovat syntyneet samassa prosessissa varhaisessa maailmankaikkeudessa. Varhainen maailmankaikkeus on luultavasti läpikäynyt hyvin nopean laajenemisprosessin nimeltä inflaatio, jonka lopussa inflaatiota ajanut kenttä on hajonnut pimeäksi ja tavalliseksi aineeksi (sekä fotoneiksi ja neutriinoiksi).

Pimeän aineen ja tavallisen aineen suhde on tosin määräytynyt vasta sitten,
kun energiatiheys on laskenut siinä määrin, että pimeä aine ei enää vuorovaikuta merkittävästi tavallisen aineen kanssa, eikä annihiloidu fotoneiksi.
Eräs vaatimus toimiville hiukkasfysiikan malleille on se, että niistä seuraa oikea määrä pimeää ainetta.

Jukka

"Painovoiman olemassaolo on järkevän epäilyn ulkopuolella."

Maapallon liikkumattomuus oli aikoinaan järkevän epäilyn ulkopuolella!

Jos, niin miten pimeä aine tönisi näkyvää ainetta? Jos hiukkaset eivät säteile energiaansa, niin miten ne vuorovaikuttavat aineen kanssa? Minusta tuntuu sille että yksinkertaisín tapa vuorovaikuttaa on siinä että hiukkanen säteilee energiaansa joka itsessään aiheuttaa tönimisen! Aivan kuten komeetta siirtää itse itsellään liike-energiansa siihen kohteeseen johon se törmää, muuttumalla voimakkaasti vähemmän tiheäksi energiaksi, jolloin syntyy voimakas paine jne.

Pekka

Onko teoriaa tai havaintoa siitä, miten pimeä aine liikkuu ympäröidessään galaksiryhmää tai galaksia? Tarkoitan sitä, että onko esim. galaksin ja sitä ympäröivän pimeän aineen hiukkasten välillä nopeusero, ja jos niin mitä suuruusluokkaa se voisi olla? Mielikuvittelen tilanteen missä pimeän aineen hiukkaset vaan "lilluvat" kaikkialla ympärillämme, jolloin on aika turhaa odottaa että voidaan havaita pimeän aineen hiukkasen aiheuttama töytäisy syvällä maan alla olevaan kohteeseen?

Syksy Räsänen

Pekka:

Pimeän aineen liikkeestä galaksissa ei ole havaintoja. Teorian perusteella odotetaan, että pimeä aine ei kierrä galaksia koherentisti (kuten näkyvä aine), vaan pimeän aineen hiukkasilla on nopeuksia eri suuntiin. (Tyypilllisesti tätä mallinnetaan gaussisella nopeusjakaumalla.)

Pimeän aineen pienen mittakaavan -siis aurinkokunnan suuruusluokan- virtauksista on erilaisia malleja, mutta asiaa ei tunneta varmasti. Ei tiedetä, minkä kokoisiksi klimpeiksi pimeä aine on kasautunut, eikä sitä miten ne liikkuvat. Tämä on merkittävä epävarmuustekijä yritettäessä yhdistää pimeän aineen malleja ja havaintoja laboratoriossa. Galaksiin verrattuna aurinkokunta on niin pieni, että tulee luultavasti olemaankin mahdotonta laskea, miten pimeä aine virtaa juuri täällä.

Vaikka pimeä aine ei virtaisi merkittävästi, aurinkokunta tietysti matkaa galaksin halki, ja Maa kiertää aurinkoa, joten laboratoriossa oleva detektori kyllä liikkuu pimeään aineeseen nähden.

Mainitsemani DAMA-kokeen väite pimeän aineen löytämisestä perustuu juuri signaalin muuttumiseen vuodenajan mukaan (eli sen mukaan, liikkuuko detektori pimeän aineen virtaa vastaan vai virran suuntaan).

Pekka

Tätä ovat fyysikot varmaan pohtineet kyllästymiseen asti, mutta onko olemassa mahdollisuus, että pimeä aine koostuu kuitenkin joistain jo tunnetuista hiukkasista? Tämä olisi mielestäni se ilmeisin vaihtoehto, jos se vaan jollain kumman kuviolla olisi mahdollista. Vapaa neutroni hajoaa varsin pian, mutta onko edes teoriassa mahdollista, että luonnossa voisi esiintyä useamman neutronin stabiili muoto, vaikkapa neljä neutronia samassa möykyssä? Jos tällaista "neutronipölyä" leijuisi galaksien ympärillä olevassa kylmyydessä, niin siitähän tulisi massaa tosi helposti?

Syksy Räsänen

Pekka:

Pimeä aine ei voi koostua tunnetuista hiukkasista. Stabiileja useampia neutroneja sisältäviä ytimiä ei ole olemassa - paitsi jos mukana on protoneja, jolloin tarvitaan myös elektroneja, jotta kokonaisuus olisi sähköisesti neutraali. Tällöin on kyseessä tavallinen aine.

Yksi vaihtoehto oli aikoinaan se, että pimeä aine koostuisi planeettojen kokoisista klimpeistä tavallista ainetta tähtienvälisessä avaruudessa (esimerkiksi kaasupalloista, joiden massa ei ollut ihan tarpeeksi korkea ydinreaktioiden syttymiseen keskustassa - melkein-tähdistä).

Nykyään kuitenkin tiedetään, että tämä ei ole mahdollista. Kevyiden alkuaineiden synnyn perusteella (ja kosmisesta mikroaaltotaustasta) tiedetään, paljonko baryoneita (eli protoneita plus neutroneita) on olemassa, ja määrä on pienempi kuin havaittu pimeän aineen määrä.

Lisäksi tällaiset massaklimpit olisi nähty gravitaatiolinssihavainnoissa.

Mainittakoon, että irtonaiset neutronit eivät voisi olla pimeää ainetta vaikka olisivatkin stabiileja. Neutronit ovat kokonaisuutena sähköisesti neutraaleja, mutta koska ne koostuvat sähköisesti varatuista kvarkeista, niillä on sähköinen ja magneettinen dipolimomentti, jotka olisi nähty mikroaaltotaustassa.

Pekka

Pahus, mä jo odottelin kutsua Nobel-vastaanotolle pokkaamaan palkintoa pimeän aineen löytymiseen johtaneesta vinkistä... pitääkin mennä tästä fysiikan alkeiskurssille ja yrittää sitten uudestaan...

Syksy Räsänen

Syksy:

"Neutronit ovat kokonaisuutena sähköisesti neutraaleja, mutta koska ne koostuvat sähköisesti varatuista kvarkeista, niillä on sähköinen ja magneettinen dipolimomentti, jotka olisi nähty mikroaaltotaustassa."

Tarkennettakoon vielä, että neutronien elektroninen dipolimomentti on liian pieni, jotta sitä olisi havaittu, mutta niiden magneettinen momentti on iso.

Aineen synty - blogit - Tiede.fi

[...] (En tässä yhteydessä käsittele pimeää ainetta, joka saattaa koostua yhtä suuresta määrästä ainetta ja antiainetta: annihilaatiosta tulevan säteilyn etsiminen onkin yksi tapa löytää pimeä aine.) [...]

Kiekkoja ja palloja - blogit -...

[...] kyseessä on pimeä aine, vaikka täysin varma asiasta ei voi olla, ellei pimeän aineen hiukkasia havaita muuten kuin niiden gravitaatiovuorovaikutuksen [...]

Vieraita avaruudesta - blogit ...

[...] mielenkiinnon kohteeseen, antihiukkasiin, niitä odotetaan syntyvän pimeän aineen hiukkasten annihiloituessa antihiukkastensa kanssa galaksin keskustassa ja muissa paikoissa, missä pimeän aineen hiukkasia arvellaan olevan paljon. [...]

Loistava keskusta - blogit - T...

[...] kosmisista säteistä kirjoittaessani, että niitä käytetään pimeän aineen etsimiseen. Ideana on se, että useimmissa malleissa pimeää ainetta on yhtä paljon hiukkasia ja [...]

Jutunkerrontaa - blogit - Tied...

[...] AMS mittaa sähköisesti varattuja hiukkasia ja antihiukkasia (eli kosmisia säteitä), lähinnä elektroneja, positroneja, protoneita ja antiprotoneita. Koe pitää lukua siitä paljonko hiukkasia detektoriin tulee, mistä suunnasta ne saapuvat ja kuinka nopeasti ne kulkevat, eli kuinka suuri energia niillä on. Antihiukkaset ovat erityisen kiinnostavia, koska niitä syntyy vain erityisissä olosuhteissa, kuten supernovien jäänteissä, pulsareissa ja pimeän aineen hiukkasten annihilaatiossa. [...]

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