Taiteilijan näkemys Linnunradasta. Sininen kehä osoittaa pimeän aineen oletetun jakaumaan muutaman vuoden takaisessa tutkimuksessa. Kuva: ESO/L. Calçada
Taiteilijan näkemys Linnunradasta. Sininen kehä osoittaa pimeän aineen oletetun jakaumaan muutaman vuoden takaisessa tutkimuksessa. Kuva: ESO/L. Calçada

Suomalaisfyysikko esittää aivan uutta selitystä pimeän aineen olemukselle.

Pimeä aine hallitsee maailmankaikkeutta. Valtaosa aineesta on tätä silmille ja havaintolaitteille näkymätöntä ainetta, jonka koostumusta ei tunneta.

Fyysikko Tommi Tenkanen ehdottaa nyt, että pimeä aine syntyi jo ennen muuta ainetta eli ennen niin sanottua kuumaa alkuräjähdystä. Se selittäisi pimeän aineen outouden. Pimeän aineen jäljet voisi kaiken lisäksi yhä havaita maailmankaikkeudessa.

Yhdysvaltalaisessa Johns Hopkins -yliopistossa tutkijana työskentelevän Tenkasen tutkimus julkaistiin vastikään Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Tenkasen muotoilu, että pimeä aine syntyi ennen normaalin aineen synnyttänyttä alkuräjähdystä hämmentää maallikkoa. Tämän ajattelun mukaan ensin oli kaikkeuden erittäin nopea laajeneminen eli niin sanottu inflaatio. Vasta sitten seurasi aineen synnyttänyt kuuma alkuräjähdys.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

”Emme tiedä mitä tapahtui ennen inflaatiota ja oliko universumilla alkua ensinkään. Sen sijaan kuuma alkuräjähdys tapahtui inflaation jälkeen, ja sen olemassaolo on erittäin varmaa”, Tenkanen sanoo.

Jos pimeä aine koostuu ennen kuumaa alkuräjähdystä syntyneistä hiukkasista, ne vaikuttavat Tenkasen mukaan ainutlaatuisesti siihen, miten galaksit jakautuvat avaruudessa.

”Mallissani pimeän aineen alkuperäinen jakauma maailmankaikkeudessa ei täysin vastaa tavallisen aineen jakaumaa. Siis sitä, miten tiheässä galaksien ja galaksijoukkojen siemenet olivat varhaisessa maailmankaikkeudessa. Tämä on poikkeuksellista”, Tenkanen sanoo.

Tenkanen kommentoi tutkimusta tiedotteessa ja sähköpostitse HS:lle.

Pimeällä aineella on keskeinen rooli galaksien ja galaksiryhmien synnyssä. Pimeä aine tuntee nykyisen teorian mukaan ainakin painovoiman, vaikka muut voimat eivät siihen näytä vaikuttavan.

Pimeän aineen tarina alkoi 1930-luvulla. Sveitsiläis-yhdysvaltalainen tähtitieteilijä Fritz Zwicky havaitsi, että kaukaisen ryhmän galaksit kiersivät toisiaan nopeammin kuin piti näkyvän massan perusteella. Ehkä näkymätön aine lisäsi galaksien massaa. Vastaaviin tuloksiin päätyivät Vera Rubin ja Kent Ford Jr. 1970-luvulla.

Sittemmin pimeän aineen olemassaolo on varmistettu muilla keinoilla. On mitattu sen vaikutusta muun muassa avaruuden taustasäteilyyn, joka on mikroaalloille venynyttä alkuräjähdyksen jälkihehkua.

Tähän asti tutkijat ovat katsoneet, että pimeä aine on pikemmin alkuräjähdyksen ylijäämää. Sen etsiminen on melkein turhauttavaa, koska tutkijat eivät tarkalleen tiedä, mitä etsiä.

Havaintolaitteisiin ei ole jäänyt merkkejä esimerkiksi wimpistä. Se on englanninkielinen lyhenne sanoista heikosti vuorovaikuttava massiivin hiukkanen (Weakly Interacting Massive Particle). Tämä oletettu pimeän aineen hiukkanen voisi olla kymmeniä kertoja raskaampi kuin atomin ytimen protoni.

Yksi keino wimpin etsimiseksi on maan alle rakennettu säiliö, jossa on nestemäistä ksenonia. Kun pimeän aineen hiukkanen törmää ksenonatomiin, atomin energiatila muuttuu ja syntyy havaittavaa valoa. Se pitää vain erottaa muiden törmäyksien aiheuttamista välähdyksistä. Wimpiä ei ole löydetty.

Tai sitten pimeän aineen hiukkaset ovat nobelisti Frank Wilczekin esittämiä aksioneja, jotka ovat hyvin keveitä. Niitäkin etsitään kokeissa. Niissä osoitetaan laserilla seinää, jossa on magneettikenttä, ja katsotaan näkyykö toisella puolella valoa.

Jos aksioneja on, jotkin fotonit muuttuvat magneettikentässä aksioneiksi, matkaavat seinän läpi ja muuttuvat sitten mikroaaltosäteilyksi eli fotoneiksi eli valoksi. Niitä ei ole löytynyt.

Juuri se, että mitään hiukkasta ei ole suorilla havainnoilla löytynyt, viittaa Tenkasen mukaan pimeän aineen alkuperään.

Kuten muukin kosmologia, myös Tenkasen teoreettinen työ perustuu Albert Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan. Matematiikka osoittaa hänen mukaansa, että pimeä aine saattoi syntyä universumin alkua seuranneen inflaation aikana.

Inflaatio tarkoittaa maailmankaikkeuden laajenemista aivan alkuhetkillä eksponentiaalisen nopeasti. Niin piti tapahtua, koska muutoin universumi ei olisi yhdenmukainen joka suunnassa.

Inflaatiossa syntyi niin sanottuja skalaarihiukkasia. Niistä on havaittu kuulu Higgsin hiukkanen. Sen kuvaillaan antavan massan muille hiukkasille paitsi sähkömagneettista säteilyä välittäville fotoneille, vahvaa ydinvoimaa välittäville gluoneille ja neutriinoille. Tenkasen mallissa pimeä aine on ikään kuin Higgsin hiukkasen sisarus.

Kosmisen inflaation aikana syntynyttä pimeää ainetta on Tenkasen mukaan tutkittu matemaattisesti jo kauan. Aksionit ovat yksi esimerkki tuloksista.

”Uutta on mallin yksinkertaisuus sekä yhteys hiukkasfysiikan ja tähtitieteen välillä. Käytännössä meillä on ennuste galaksien jakaumalle maailmankaikkeudessa”, Tenkanen tiivistää.

Tiedämme pimeästä aineesta ehkä enemmän sitten, kun Euclid-satelliitti aloittaa havainnoinnin ensi vuosikymmenen alussa. Euclid on Euroopan avaruusjärjestön satelliitti, joka kartoittaa maailmankaikkeuden aineen jakaumaa tarkemmin kuin aikaisemmat havaintolaitteet. Tenkanen toivoo sen selvittävän myös, missä vaiheessa pimeä aine syntyi.

”Käytännössä tämä tapahtuu määrittämällä, paljonko maailmankaikkeudessa on ainetta eri mittakaavoilla ja miten se on jakautunut”, hän sanoo.

Tokilogi
Seuraa 
Viestejä2486

"Tähän asti tutkijat ovat katsoneet, että pimeä aine on pikemmin alkuräjähdyksen ylijäämää. Sen etsiminen on melkein turhauttavaa, koska tutkijat eivät tarkalleen tiedä, mitä etsiä."

Pimeän aineen hiukkasia ei ehkä ole vapaana, jos niistä muodostuu gravitaation aiheuttava kenttä.

jussipussi
Seuraa 
Viestejä51422

Tällaisella otsikoinnilla olisi moni lukija mahdollisesti säästytynyt ihmettelyltä ja päänsäryltä: Fyysikko Tommi Tenkanen ehdottaa nyt, että pimeä aine syntyi kosmisen inflaation aikana.

Sisältö jatkuu mainoksen alla