Jälkeen jääneistä

30.6.2015 klo 19.40, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Havaintojen mukaan maailmankaikkeudessa on vahvempia gravitaatiokenttiä kuin ne, jotka näkyvän aineen massa yleisen suhteellisuusteorian mukaan aiheuttaa. On siis kaksi mahdollisuutta: joko on olemassa ainetta, jota ei nähdä, eli pimeää ainetta, tai yleinen suhteellisuusteoria ei päde.

Vahvemmista gravitaatiokentistä on havaintoja useista erilaisista yhteyksistä, kuten gravitaatiolinsseistä, maailmankaikkeuden laajenemisesta ja kosmisesta mikroaaltotaustasta. Pimeä aine on selittänyt ja ennustanut näitä havaintoja erinomaisen menestyneesti vuosikymmenien ajan, eikä yhtä onnistunutta gravitaatioteorian muutokseen perustuvaa selitystä ole keksitty. Kosmologit pitävät siksi yleisesti erittäin luultavana, että pimeää ainetta on olemassa. Vähintäänkin voidaan sanoa, että pimeän aineen olemassaolo on vankemmalla pohjalla kuin pimeän energian.

Onkin kummallista, että tähtitieteilijä Vera Rubin ei ole saanut Nobelin palkintoa 1970-luvulla tekemistään havainnoista, joilla oli merkittävä rooli pimeän aineen tuomisessa valokeilaan, vaikka vuoden 1998 havainnoista maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisestä (jonka luultavimpana selityksenä yleisesti pidetään pimeää energiaa) myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 2011.

Toistaiseksi kuitenkin kaikki pimeään aineeseen liittyvät havainnot pohjaavat gravitaatioon. Jotta pimeästä aineesta voisi saada varmuuden, pitäisi havaita sen hiukkasvuorovaikutuksia. Mahdollisia havaintoja onkin julistettu PAMELA– ja Fermi-satelliittien, kansainvälisellä avaruusasemalla olevan AMS-mittalaitteen ja maanpäällisen CDMS-kokeen toimesta, mutta mikään niistä ei ole osoittautunut kiistattoman paikkansapitäväksi.

Huhtikuussa julki tuodussa tutkimuksessa esitettiin uusi väite: pimeän aineen hiukkasvuorovaikutuksia on kenties havaittu galaksiryppäiden liikettä seuraamalla. Galaksiryppäissä on kolme ainesosaa: galaksien tähdet, kaasu ja pimeä aine. Pimeää ainetta on eniten, seuraavaksi eniten on kaasua, tähtien osuus massasta on pienin. Tähdet ja kaasu havaitaan niiden lähettämän valon perusteella, pimeän aineen jakauman voi päätellä (osasten liikkeistä riippumattomasti) havaitsemalla sen aiheuttaman valon taipumisen.

Tähtiä on niin harvassa, että ne matkaavat avaruuden halki toisiinsa törmäämättä. Myöskään pimeän aineen ei odoteta juuri vuorovaikuttavan itsensä kanssa, joten se liikkuu samalla tavalla kuin tähdet. Galaksien kohdatessa niiden kaasukehät sen sijaan hankaavat toisiaan ja kuumenevat, ja kaasu hidastuu.

Tätä hyödynnettiin vuonna 2006 kuuluisaksi tulleen ”luotiryppään” kohdalla. Luotiryppäässä on kaksi toistensa läpi mennyttä galaksia. Tähtien ohitettua toisensa kaasu on jäänyt jälkeen. Valon taipuminen kuitenkin osoittaa, että voimakkain gravitaatiokenttä on samassa paikassa kuin tähdet. Tämä on tärkeä todistusaineiston palanen pimeän aineen puolesta. Jos nimittäin havaintoja yrittäisi selittää siten, että pimeää ainetta ei ole olemassa, vaan näkyvä aine saa aikaan odotettua suuremman gravitaatiokentän, niin odottaisi, että valo taipuu eniten kaasun kohdalla, koska sen massa on isompi kuin tähtien. Pimeä aine kuitenkin ennustaa juuri sen mitä nähdään: valo taipuu eniten tähtien kohdalla, koska suurin osa massasta on pimeää ainetta, joka liikkuu kuten tähdet.

Huhtikuun tutkimuksessa on vertailtu tähtien ja pimeän aineen liikkeitä tarkemmin 1.4 miljardin valovuoden päässä olevan galaksiryppäässä Abell 3827. Ryppäässä on neljä kirkasta keskusgalaksia, jotka liikkuvat kohti toisiaan, ja tutkimusryhmä on tehnyt uusia tarkkoja havaintoja sekä galakseista että valon taipumisesta. Havainnoissa on yllättävä piirre: yhden galaksin pimeä aine on jäljessä sen tähtiä. Tällainen ei ryhmän tekemän jatkotutkimuksen perusteella ole ollenkaan tavallista simuloiduissa galaksiryppäissä, joissa pimeän aineen vuorovaikutus itsensä kanssa on pieni.

Luotiryppäässä kaasu on jäänyt jälkeen tähdistä ja pimeästä aineesta kokemansa kitkan takia. Yksi tapa selittää tähtien ja pimeän aineen eroa ryppään Abell 3827 kohdalla olisi siis se, että pimeä ainekin kokisi kitkaa.

Tutkijat arvioivat, miten voimakkaasti pimeän aineen pitäisi vuorovaikuttaa itsensä kanssa, jotta siitä syntyisi havaittu ero tähtien ja pimeän aineen asemassa. Tarvittava vuorovaikutuksen voimakkuus on heidän mukaansa ainakin 10 000 kertaa pienempi kuin luotiryppäästä tuleva yläraja. Toisin sanoen, ei ole ristiriitaa sen välillä, että luotiryppään tapauksessa kitkaa ei huomata, mutta Abell 3827:n kohdalla se on merkittävä. Luotiryppään törmäys on nimittäin tapahtunut verrattain äskettäin, kun taas Abell 3827:n galaksien arvioidaan pudonneen toisiaan kohti noin miljardi vuotta, jona aikana pienikin kitka voi johtaa isoon eroon.

Vuorovaikutus on silti paljon voimakkaampi kuin mitä pimeän aineen hiukkasilta yleensä odotetaan. Suosituimmissa pimeän aineen malleissa vuorovaikutus on noin 10 000 kertaa heikompi kuin mitä Abell 3827:n selittämiseen vaaditaan. Rajat siitä, että pimeän aineen annihilaatiosäteilyä ei ole nähty, ovat heikompia, mutta silti paljon tiukemmat kuin mitä Abell 3827 vaatisi.

Annihilaatiosäteilyä ei kuitenkaan synny, jos pimeä aine koostuu vain hiukkasista, mutta ei antihiukkasista. Esimerkiksi joissakin teknivärimalleissa on juuri näin, ja niissä pimeän aineen hiukkasten keskinäinen vuorovaikutus voi myös olla paljon vahvempi kuin suositummissa malleissa. Ja jos havaintoihin sopivaa hiukkasmallia ei vielä ole, niin äkkiäkös teoreetikko sellaisen kasaan laittaa.

Yhdentoista päivän kuluttua kuitenkin tuotiin julki artikkeli, joka arvosteli sitä, miten galaksirypästä ja hiukkasten vuorovaikutuksia oli mallinnettu. Yksi tekijöistä, Subir Sarkar, oli myös eräs ensimmäisiä BICEP2-kokeen gravitaatioaaltoväitteiden epäilijöitä; sattumoisin hän oli myös esimieheni ollessani tutkijana Oxfordissa kymmenisen vuotta sitten. Heidän mukaansa analyysissä oli kaksi vakavaa ongelmaa.

Ensinnäkin, ryppääseen putoavien tähtien kohdalla oli tarkasteltu vain niiden gravitaatiovuorovaikutusta ryppään koko massan kanssa (joka vetää niitä kohti keskustaa), ja jätetty huomiotta se, että galaksin oma pimeä aine vetää tähtiä puoleensa. Kun puutteen korjaa, kitkan pitää olla paljon väitettyä suurempi, jotta se pystyisi erottamaan pimeän aineen ja tähdet toisistaan. Lisäksi kitka oli oletettu vakioksi koko ryppään historian aikana, vaikka sen pitäisi muuttua ryppään osasten kehittyessä. Kirjoittajat tekivät oman, huolellisemman mutta silti alustavan analyysin, ja sen mukaan vuorovaikutuksen pitää olla noin 10 000 kertaa väitettyä isompi – eli samaa suuruusluokkaa luotiryppäästä tulevan ylärajan kanssa kanssa. Asiaa pitäisi kuitenkin tutkia tarkemmin, ennen kuin selviäisi, ovatko nuo havainnot ristiriidassa.

Lisäksi voidaan todeta, että johtopäätös Abell 3827:n pimeän aineen sijainnista ei ole ongelmaton. Ero tähtien ja pimeän aineen välillä perustuu gravitaatiolinssi-ilmiöön, mutta käytetty gravitaatiolinssimalli sopii havaintoihin erittäin huonosti. On mahdollista, että havaittu valon taipuminen johtuu osittain meidän ja Abell 3827:n välissä olevasta pimeästä aineesta, missä tapauksessa johtopäätökset ryppään pimeän aineen sijainnista pitäisi miettiä uudestaan. Lisäksi johtopäätös perustuu toistaiseksi vain yhteen galaksiin.

Jos pimeän aineen vuorovaikutus itsensä kanssa on niin iso kuin mitä on esitetty, niin siitä odottaisi saavan varmistuksen katsomalla tarkemmin muita galaksiryppäitä, joten tulevia havaintoja odotetaan mielenkiinnolla. Riippumatta siitä, osoittautuuko idea pitävän paikkansa, se on mielenkiintoinen esimerkki siitä, miten kosmologisten havaintojen avulla voidaan testata hiukkasfysiikan teorioita. LHC-hiukkaskiihdytin jauhaa törmäyksistä dataa joka sekunti, mutta voi olla, että hiukkasfysiikan tulevaisuus kuuluu teleskoopeille.

Muiden Ursan blogien tavoin Kosmokseen kirjoitettua on heinäkuun lomalla. Blogin kirjoittamiseen palaamisen lisäksi pidän elokuussa kaksi yleisöluentoa, molempiin on ilmainen ja avoin pääsy.

Keskiviikkona 12.8. kello 18 puhun Turun biennaalissa aiheesta ”Vieras todellisuus”.

Keskiviikkona 26.8. kello 18.00 puhun museo Gustafissa Antero Toikan näyttelyn Visio 2015 yhteydessä, ehkäpä kosmologiasta ja kauneudesta.

Päivitys (30/06/15): Blogin nimi korjattu.

2 kommenttia “Jälkeen jääneistä”

  1. Eusa sanoo:

    Kohteliaimmin huomautan, että …kaikkeutta etsimässä oli Tiede-lehdessä julkaisemasi blogin nimitys, ei Ursan.

  2. Syksy Räsänen sanoo:

    Eusa:

    Niinpä, kiitos korjauksesta.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *