Paluu kääpiöiden tasangolle
Suurin osa maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta – mutta mitä pimeä aine tarkalleen on? Tämä on yksi kosmologian suuria kysymyksiä. Yksinkertaisimmissa malleissa pimeä aine vetää gravitaation takia kaikkea puoleensa samalla tavalla kuin näkyvä aine, ja sen muut vuorovaikutukset ovat liian heikkoja havaittaviksi.
Lokakuussa 2024 blogin kommenteissa kysyttiin tutkimuksesta, jonka mukaan havainnot Linnunrataa kiertävistä kääpiögalakseista ovat ristiriidassa näiden yksinkertaisten mallien kanssa. Aihe osoittautui sen verta kiinnostavaksi, että kutsuimme tutkimusta tehneen Jorge Sanchez Almeidan Helsinkiin puhumaan.
Kirjoitin hänen puheestaan blogissa maaliskuussa 2025. Totesin että ”suurin osa poikkeavista havainnoista ei osoittaudu läpimurroiksi vaan virheiksi havainnoissa tai tulkinnassa, mutta suurin osa läpimurroista alkaa pieninä poikkeamina”, ja että ”tässä tapauksessa saanemme lähitulevaisuudessa tietää, kummasta on kyse”. Nyt asia on selvinnyt.
Ystäväni ja kollegani Till Sawala on galaksien simuloimisen asiantuntija, ja hän rupesi tutkimaan asiaa yhteistyökumppaneidensa kanssa. Viime perjantaina Tillin jatko-opiskelija Jenni Häkkinen raportoi heidän yhdessä Alex Rawlingsin ja Matthew Walkerin kanssa tekemänsä työn tuloksista Helsingin yliopiston fysiikan osaston astrofysiikan seminaarien sarjassa.
Kaikissa galakseissa on sekä tavallista ainetta (joka koostuu ytimistä ja elektroneista) että pimeää ainetta (jonka koostumusta ei tiedetä). Koska pimeää ainetta ei nähdä, meidän pitää päätellä sen jakauma näkemämme tavallisen aineen pohjalta. Toisaalta pimeän aineen liikkeiden mallintaminen on helpompaa kuin tavallisen aineen.
Pimeä aine (yksinkertaisimmillaan) tuntee vain gravitaation, tavallisella aineella on monimutkaisia vuorovaikutuksia. Esimerkiksi tavallisen aineen kaasu muodostaa tähtiä, jotka räjähtävät supernovina, jotka puhaltavat kaasua pois galakseista. Tämän takia pienissä galakseissa on vähemmän tavallista ainetta suhteessa pimeään aineeseen kuin isoissa: pienen galaksien gravitaatio on heikompi, joten supernovien on helpompi työntää ainetta ulos.
Pienet galaksit ovat otollisia tutkimuskohteita pimeän aineen luonteen selvittämiseen, koska tavallisella aineella on vain vähäinen vaikutus niiden kehitykseen. Toisaalta niitä on vaikea havaita juuri siksi, että niissä on vähän näkyvää ainetta.
Almeida ja kumpp. väittivät, että kuuden Linnunrataa kiertävän erittäin himmeän kääpiögalaksin keskustassa pimeän aineen tiheys ei riipu etäisyydestä keskustasta, eli siinä on tasanko. Simulaatiot kuitenkin osoittavat, että jos tavallisen aineen voi jättää huomiotta, niin pimeän aineen tiheys kasvaa kohti keskustaa, eli tiheydessä on terävä huippu.
Tämä ongelma kohdattiin jo 1990-luvulla: simulaatiot ennustavat huipun, mutta monissa havainnoissa näkyy tasanko. Simulaatioiden parantuessa on ymmärretty, että tavallisen aineen vaikutus tasoittaa pimeän aineen huipun tasangoksi. Mutta hyvin himmeissä kääpiögalakseissa näkyvää ainetta on niin vähän, sadastuhannesosan verran, että sillä ei ole merkitystä. Niinpä jos Almeidan havainto pitäisi paikkansa, se osoittaisi, että yksinkertaisin pimeän aineen malli on väärin. Hän tarjosi selitykseksi sitä, että myös pimeä aine vuorovaikuttaa itsensä kanssa muutenkin kuin gravitaation avulla, ja voi siksi tasoittaa huipun ilman tavallista ainetta.
Häkkinen ja kumpp. ottivat askeleen tai kaksi taaksepäin. He esittivät kaksi kysymystä. Ensinnäkin: jos tähtien jakaumassa näkyy tasanko, voiko tästä päätellä, että myös pimeällä aineella on tasanko? Toisekseen: kuinka luotettavasti havainnoista voi päätellä onko tähtien jakaumassa tasanko?
He tekivät kymmenen simulaatiota, joissa seurataan kääpiögalaksin jokaisen 5 000 tähden liikkeitä pimeän aineen ja toistensa gravitaation alaisena. He olettivat, että tähdillä on aluksi tasanko ja pimeällä aineella huippu, ja katsoivat miten tilanne kehittyy. Sen sijaan, että tähdet olisivat seuranneet pimeää ainetta ja tiivistyneet kohti keskustaa, niiden jakauma keskustassa pysyi tasaisena. Toisin sanoen siitä, että tähtien tiheys keskustassa on tasainen ei voi päätellä, että tämä pätisi myös pimeälle aineelle.
Tämä riittäisi kumoamaan Almeidan ja kumpp. väitteen. Lisäksi Häkkinen yhteistyökumppaneineen käsitteli simulaatioidensa tuottamaa dataa tähdistä kuin kyse olisi havainnoista selvittääkseen, kuinka tarkkaan tähtien tiheyden voi päätellä. Tuloksena oli, että näin pienestä määrästä tähtiä ei voi luotettavasti erottaa tasankoa ja huippua, joten Almeidan ja kumpp. tuloksia voi epäillä myös tältä osin.
Tutkimus versoi blogin kommenteissa esitetystä kysymyksestä kääpiögalaksien havainnoista, jotka muka osoittivat, että yksinkertaisin pimeän aineen malli ei pidä paikkaansa. Vastaus muistuttaa siitä, että johtopäätöksiä tieteessä ei voi tehdä yksittäisen artikkelin pohjalta, vaan pitää tietää mistä varmuuden asteesta siinä on kyse.
Alan ulkopuolisten, jotka eivät tunne tutkimuksen maastoa eivätkä tiedä miten artikkeli sinne sijoittuu, on vaikea arvioida sen väitteitä. Ongelma näkyy myös muilla aloilla, esimerkiksi koronapandemian aikana julkisuuteen nostettiin yksittäisiä lääketieteen artikkeleita ilman, että niitä suhteutettiin muuhun tutkimukseen ja epävarmuuksiin.
Kosmologiassa on paljon esimerkkejä joskus (kuten tässä tapauksessa) kohtuullisesti ja joskus (kuten Jättikaaren tapauksessa) liioitellen esitetyistä löydöistä, jotka olisivat mullistavia jos ne olisivat totta. Yleensä tämä tarkoittaa, että ne eivät ole totta – mutta pimeän aineen luonteen selvittäminen jatkuu, emmekä tiedä koska vastaan tulee oikea läpimurto.