Huippujen laskeminen
Oikeakätinen neutriino on kenties yksinkertaisin ehdokas pimeän aineen hiukkaseksi. Viime kuussa kirjoitin oikeakätisen neutriinon yhteydestä siihen kysymykseen, miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antiainetta. Tulin kommenteissa maininneeksi, että oikeakätisen neutriinon massalle on yläraja siitä, että se voi hajota tavalliseksi neutriinoksi ja röntgensäteeksi, eikä tällaista säteilyä ole nähty.
Kommenttini sattuikin olemaan sikäli ajankohtainen, että Science-lehdessä julkaistiin viisi päivää sen jälkeen artikkeli (tässä ilmainen versio), jonka pääsisältö on juurikin se, että tuota neutriinoiden hajoamissäteilyä ei ole havaittu. Kaksi ja puoli viikkoa myöhemmin puolestaan julkistettiin kaksi sitä arvostelevaa artikkelia. Selvitän tässä tilannetta, mutta tiivistettynä vastaus kysymykseen siitä, onko pimeän aineen säteilyä havaittu on ”ehkä”.
Jos pimeän aineen hiukkanen voi hajota, siitä syntyvää säteilyä pitäisi tulla joka puolelta, koska pimeää ainetta on kaikkialla. Säteilyä pitäisi tulla sitä enemmän, mitä isompi pimeän aineen tiheys on. Niinpä kirkkaimmin pimeydestä hohtaisivat sellaiset paikat kuin Linnunradan keskusta ja galaksiryppäät.
Valitettavasti siellä, missä on eniten pimeää ainetta on myös eniten tavallista ainetta. Suurin pulma on pimeän aineen säteilyn erottaminen tavallisen aineen säteilyn seasta. Tämä ongelma on riivannut myös muiden pimeän aineen hiukkasiksi tarjottujen ehdokkaiden annihilaatiossa syntyvän signaalin etsimistä.
Syynäämistä helpottaa se, että hajoamisessa tai annihilaatiossa syntyvillä hiukkasilla on aina sama energia. Jos oikeakätinen neutriino hajoaa neutriinoksi ja fotoniksi, kummankin energia vastaa puolta neutriinon massasta. Niinpä taivaalla näkyvän säteilyn energiajakaumassa pitäisi näkyä terävä piikki.
Useimpien tähtitieteellisten kappaleiden ja ilmiöiden –vaikkapa neutronitähtien törmäysten– lähettämän säteilyn kirkkaus riippuu melko tasaisesti energiasta kuin nouseva tai laskeva mäki, siinä ei ole kapeita piikkejä eikä kuoppia. Poikkeuksena ovat yksittäiset atomit, joiden energia on kvantittunut, eli ne lähettävät valoa vain tietyillä energioilla.
Oikeakätisten neutriinojen etsimiseen taivaalta on siis periaatteessa yksinkertainen resepti: mitataan röntgensäteitä, siivotaan pois tasaisesti energiasta riippuva tausta ja atomien tunnetut energiapiikit. Jos jäljelle jää energiapiikki, on löydetty pimeää ainetta. Säteilyn energia kerrottuna kahdella kertoo sitten pimeän aineen hiukkasen massan. Säteilyn kirkkaudesta voi puolestaan päätellä hiukkasen eliniän, jos tietää pimeän aineen tiheyden. Mitä lyhytikäisempi hiukkanen, sitä useammin niitä hajoaa, joten sitä enemmän säteilyä tulee.
Reseptin seuraaminen ei käytännössä ole aivan helppoa. Viime viikkoina esille nousseen kiistan juuret ovat vuoden 2014 havainnoissa. Silloin kaksi ryhmää kävi läpi galaksiryppäistä ja Andromedan galaksista tehtyjä röntgensädehavaintoja. Eri kohteissa näkyi energiahuippu, joka ei vastaa mitään atomien lähettämää valoa ja sopii hyvin oikeakätisen neutriinon odotettuun massaan. Lisäksi eri teleskooppien havainnot olivat yhteensopivia. Säteilyn kirkkaus vieläpä sopi pimeän aineen odotettuun tiheyteen ja oikeakätisen neutriinon mahdolliseen elinikään. Havaintojen mukaan oikeakätisen neutriinon elinikä olisi 10^27 sekuntia, eli kymmenen miljardia kertaa pidempi kuin maailmankaikkeuden ikä. (Koska hiukkasia on paljon, osa niistä silti hajoaa koko ajan.)
Signaali oli kuitenkin heikko, kirkkaus oli huipussaan vain prosentin taustaa korkeammalla. Lisäksi esitettiin erilaisia tähtitieteellisiä selityksiä huipun alkuperälle. Tulkintaa vaikeutti se, että röntgenteleskoopit eivät pystyneet mittaamaan energiaa tarpeeksi tarkkaan tehdäkseen eroa terävän piikin ja vähän leveämmän huipun välillä. Niinpä jäätiin odottamaan uusia havaintoja, jotka voisivat varmistaa tai kumota piikin olemassaolon ja alkuperän.
Nyt maaliskuussa julkaistussa Science-lehden artikkelissa onkin kokonaisen vuoden verran uusia röntgenhavaintoja Linnunradasta. Tutkijat katsoivat Linnunradan sellaisia suuntia, joissa taivas on mahdollisimman tyhjä, jotta tavallisesta aineesta syntyvää säteilyä olisi mahdollisimman vähän. He eivät löytäneet mitään energiapiikkiä. Tästä he päättelivät, että pimeä aine ei ole oikea selitys aiemmille havainnoille galaksiryppäistä ja Andromedasta, koska silloin myös näissä Linnunradan havainnoissa olisi pitänyt näkyä huippu.
Tässä vaiheessa mainittakoon, että vaikka Science ja Nature ovat maailman arvostetuimpia tiedelehtiä, kosmologiassa niille vähän naureskellaan. Näihin lehtiin halutaan erityisen tärkeitä tuloksia ja läpimurtoja, mikä johtaa (ainakin kosmologiassa) siihen, että niissä julkaistaan suureelliseen kuosiin puettua vakiotavaraa sekä liian kauas kurottavia ja siksi virheellisiä tuloksia.
Niin ilmeisesti nytkin. Kaksi ja puoli viikkoa Sciencen artikkelin ilmestymisen jälkeen (se oli sitä ennen ollut yli vuoden saatavilla arXiv-nettiarkistossa) jälkeen kahdessa kommentissa huomautettiin vakavista puutteista.
Science-artikkelin kirjoittajat vertasivat analyysissään kahta vaihtoehtoa: onko energiajakauma tasainen vai onko tasaisen jakauman päällä yksi huippu? Näistä tasainen jakauma ilman huippua sopii havaintoihin paremmin. Havaitulla energia-alueella on kuitenkin kaksi tunnettua atomeista syntyvää energiahuippua. On siis mielekkäämpää verrata seuraavaa kahta vaihtoehtoa: tasainen jakauma plus kaksi huippua vai tasainen energiajakauma plus kolme huippua?
Käyrä, jossa on kolme huippua sopii havaintoihin selvästi paremmin kuin sellainen, jossa on vain kaksi huippua tai ei yhtään. Science-artikkelin kirjoittajat eivät siis onnistuneet löytämään taivaalta tarpeeksi tyhjää aluetta, etteikö siellä hehkuvia atomeita lymyäisi. Sitten he olivat luulleet kolmea matalaa vierekkäin olevaa huippua tasaiseksi käyräksi.
Kolmannen huipun paikka ja korkeus sopii hyvin yhteen aiempien havaintojen kanssa. Havaintojen tarkkuus ei kuitenkaan vieläkään riitä pimeän aineen selityksen varmistamiseen tai kumoamiseen. Tarvitaan parempia laitteita.
Japanin avaruusjärjestö JAXA laukaisi helmikuussa 2016 Hitomi-satelliitin, jonka laitteiden joukossa oli erittäin tarkka röntgenteleskooppi. Hitomin odotettiin ratkaisevan ongelman hyvin nopeasti. Ohjelmisto- ja laiteongelmien takia satelliitti kuitenkin tuhoutui kiertoradalla maaliskuussa 2016 ennen mittausten aloittamista. JAXA lähettää yhdessä Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASAn ja Euroopan avaruusjärjestö ESAn kanssa lähivuosina taivaalle XRISM-teleskoopin, joka korvaa Hitomin. Tuloksia odotetaan suurella mielenkiinnolla.
Oikeakätisten neutriinojen metsästykseen suunnitellaan myös hiukkaskiihdytinkokeita. Jos jotain löytyy taivaalta tai maan päältä, toisella saralla voidaan varmistaa ensimmäinen havainto täysin riippumattomasti – tai osoittaa, että jotain on taas tulkittu väärin.
Entäpä vasenkätinen antineutriino? Eikös silloin uskota siihenkin, jos oikeakätiseen neutriinoon?
Tällä haavaa kai näyttää siltä, että oikeakätisyys ja antineutriinous voivat olla kytkennällinen välttämättömyys, vai kuinka?
Kaikki todentamaton on uskonvaraista.
Jos on olemassa oikeakätisiä neutriinoita, on tosiaan olemassa myös vasenkätisiä antineutriinoita.
Räsänen: Science-artikkelin kirjoittajat eivät siis onnistuneet löytämään taivaalta tarpeeksi tyhjää aluetta, etteikö siellä hehkuvia atomeita lymyäisi.
Tulee mieleen taannoinen (2014) kohu-uutinen siitä että BICEP2-tutkimus väitti löytäneensä mikroaaltotaustasta varhaisen kosmoksen gravitaatioaaltojen polarisaatiokuvion. No kuvio oli totta, mutta se tuli Linnunradan pölystä.
Tällöinkin tutkimuksessa etsittiin nimenomaan tarpeeksi ”tyhjää” aluetta Linnunradasta. Planckin karttaa Linnunradasta oli esikatseltu ei-riittävän huolellisesti.
Vähän samanlainen tarina tosiaan, vaikka tässä tapauksessa itse datan suhteen oltiin huolellisempia.
BICEP2:n tapauksessahan alue valittiin Planckin ryhmän jäsenen pitämässä esitelmässä näyttäneestä kuvasta otetun valokuvan perusteella, ymmärtämättä oikein mitä kuvassa oli.
Sanottakoon, että jo vuoden 2014 havainnoissa käytettiin dataa taivaan keskivertoa tyhjemmistä alueista. Silloin niillä tuettiin sitä, että uusi piikki ei ole laitteeseen liittyvä virhe (koska sitä ei näkynyt taivaan tyhjemmässä osuudessa, toisin kuin Andromedan ja galaksiryppäiden suunnassa). Mutta nyt dataa oli enemmän, niin että siinä näkyi piikki.
Eikös ole niin, että jos taivaalla on ns. tyhjä alue, siellä on myös vähemmän pimeää ainetta?
Tältä pohjalta koko esitetty periaate näyttää hiukan oudolta.
Tietääkseni on niin, että esim. galaksit syntyvät, pysyvät koossa ja pyörivät tasaisesti juuri sen takia, että ne ovat syntyneet pimeän aineen massakeskittymiin.
Pimeän aineen ja tavallisen aineen jakauma Linnunradassa on erilainen. Pimeä aine on mallien mukaan jakautunut pallomaisesti, näkyvässä aineessa on paljon isompia klimppejä ja enemmän rakennetta, esimerkiksi haarat.
Kirjoitin merkinnässä kyllä näin: ”siellä, missä on eniten pimeää ainetta on myös eniten tavallista ainetta”. Tämä pitää paikkansa: tavallisen aineen tiheys on isoin Linnunradan keskustassa, kuten myös pimeän aineen tiheys. Tämä ei ole ristiriidassa sen kanssa, että taivaalla on suuntia (poispäin keskustasta ja haaroista), joissa tavallisen aineen ja pimeän aineen suhde on keskivertoa pienempi.
Tässä tuli mieleen aihetta vain vähän sivuava kysymys:
Olettamukset:
1. Pimeä aine vuorovaikuttaa huonosti tavallisen materiaalin kanssa
2. Pimeä aine noudattaa gravitaatiolakeja
Näistä seuraa, että
3. Pimeä aine putoaa massakeskittymiin, esim. tähtiin, mutta poistuu samalla nopeudella kuin saapuikin
4. Kysymys: Entä mitä tapahtuu kun pimeä aine putoaa mustaan aukkoon?
Kohdat 1-3 menevät tosiaan noin. Tosin se, että pimeä aine joskus vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa johtaa siihen, että osa siitä törmäilee tähtien aineen kanssa, menettää energiaa ja jää niihin vangiksi. Tähdissä saattaa siis olla pimeän aineen ydin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/pimea-sydan/
Jos pimeää ainetta putooa mustaan aukkoon, sille käy samalla tavalla kuin tavalliselle aineelle.
Ilmeisesti pimeä aine ei lähetä säteilyä kertymäkiekosta?
Luulisi että sitä on tutkittu?
Mustaa aukkoa kiertävä ainekiekko vaikuttaa ehkä huonoimmalta mahdolliselta paikalta etsiä pimeän aineen säteilyä, kun sieltä tulee monenlaista tavallisen aineen säteilyä paljon, ja aine liikkuu eri nopeuksilla, niin että spektriviivoja on vaikea erottaa.
Ilmeisesti steriilit neutriinot eivät vaikuta materiaan edes heikon vuorovaikutuksen kautta, mutta pystyvät törmäämään ja menettämään energiaa. Eikö tähän tarvita jotain vuorovakutusta? Onko oletettavaa, että vastaavia antihiukkasia esiintyy pimeässä aineessa ? Voitaisiinko annihilaatio havaita?
Steriilien neutriinojen ainoat vuorovaikutukset (gravitaatiota lisäksi) on se, että ne voivat muuttua toisiksi neutriinoksi sekä hajota neutriinoksi ja fotoniksi.
Ne eivät siis törmäile. Pimeän aineen jakauma galakseissa onkin erilainen kuin tavalliseen aineen juuri siksi, että pimeä aine ei pysty törmäilemään ja siten menettämään energiaa.
Oikeakätisillä neutriinoilla ei ole annihilaatiosignaalia. Karkeasti sanottuna tämä johtuu siitä, että ne ovat omia antihiukkasiaan, kuten fotonit. (Oikeasti selitys on vähän monimutkaisempi.)
Eli steriliinin neutronin tapauksessa pimeitä tähtiä ei syntyisi, mutta kasvattavattavat mustia aukkoja. Muutenkaan ne eivät ilmeisesti kasaannu keskenään.
Aivan. Kasaantuvat vain sen verran, minkä gravitaatio vetää. Eli niistä muodostuu isoja ja harvoja tihentymiä, kuten se, missä Linnunrata istuu. Galaksien sisällä on myös pienikokoisempia tihentymiä, mutta ei mitään tähtiin verrattavaa.
Tässä Suomen kielellä: Neutriinojen sekoitusmatriisin Majorana-vaiheet Hannu Hakalahti 2013
https://jyx.jyu.fi/bitstream/handle/123456789/41303/URN:NBN:fi:jyu-201305031552.pdf?sequence=1
Tuossahan on mukava historiaosuuskin.
Kiitos Lentsikka hyvästä vinkistä!
Tenkanen esitti viime vuoden puolella, että hiukkasfysiikan kokeissa olisi pitänyt jo näkyä merkkejä pimeästä aineesta, mikäli se olisi jäännettä alkuräjähdyksestä. Onko myös steriilistä neutriinosta odotettu tuloksia kokeissa?
Siitä, mitä Tenkanen esitti, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/takaisin-alkuun/
Tämä merkintä (sekä edellinen https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vasemmalta-oikealle/) käsittelee juurikin sitä, millaisia merkkejä steriilistä neutriinosta odotataan kokeissa.
Tenkasen teksti oli hyvin perattuna.
”Suunnitteilla on useita kokeita, jotka yrittävät mitata näiden hiukkasten heiveröisiä signaaleja, esimerkiksi CERNin SHiP.”
Lähinnä hain mitä signaaleja voisi löytyä, jos hajoaminen on ainoa vuorovaikutus ja onko niitä odotettu näkyvänkään.
Tässä ja aiemmassa merkinnässä mainitut röntgensäteet esimerkiksi.