Luodin jäljet

20.8.2018 klo 23.18, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Edellisen merkinnän kommenteissa (ja aiemminkin) on kyselty, ennustaako pimeä aine mitään, vai selittääkö se vain jo tehtyjä havaintoja. Kaikissa pimeään aineeseen viittaavissa havainnoissa on kyse siitä, että kappaleet tai valo liikkuvat eri tavalla kuin mitä pelkästään näkyvän aineen perusteella odottaisi. Kun mukaan ottaa näkymätöntä ainetta yhteensä noin neljä-viisi kertaa niin paljon kuin näkyvää, niin havainnot ja teoria loksahtavat kohdalleen.

Mutta kun pimeän aineen hiukkasta ei kovista yrityksistä huolimatta ole löytynyt, nakertaa kysymys siitä, eikö voisikin olla kyse siitä, että emme kunnolla ymmärrä gravitaatiota? Havainnot selittävän uuden gravitaatiolain kehittäminen on kuitenkin osoittautunut vaikeaksi. Tämä johtuu siitä, että kappaleiden ja valon liikkeet poikkeavat odotuksista eri tavalla eri tilanteissa.

On esimerkiksi selvää, että gravitaatio ei voi olla yksinkertaisesti luultua voimakkaampaa, koska näkyvä aine selittää planeettojen ja muiden kappaleiden sekä valon liikkeet Aurinkokunnassa erinomaisesti. Samoin Linnunradan keskustan tienoilla näkyvä aine riittää selittämään tähtien ja kaasun liikkeet. Pimeän aineen pitää siis olla jakautunut eri tavoin kuin tavallisen aineen. Näkyvä aine rutistuu kasaan, koska se voi jäähtyä säteilemällä energiaa pois. Pimeä aine ei pysty samaan (ainakaan yhtä tehokkaasti), ja siksi sen klimpit jäävät isommiksi ja harvemmiksi – ei ole pimeitä aurinkokuntia eikä pimeitä planeettoja. Tietokonesimulaatiot galaksien muodostumisesta varmistavat pimeän aineen erilaisen käytöksen ja selittävät sen jakautumisen galakseissa.

Erään näyttävimmistä esimerkkeistä pimeän aineen oikeaan osuneista ennustuksista tarjoaa 2000-luvun alkupuolella havaittu galaksirypäs 1E 0657-558, tuttavallisemmin luotirypäs. Kyseinen vajaan neljän miljardin valovuoden päässä oleva kokoelma galakseja ja kaasua iskeytyi isomman galaksiryppään läpi hieman yli kolme miljardia vuotta sitten. Senkin tapauksessa on kyse siitä, että näkyvä aine vuorovaikuttaa itsensä kanssa voimakkaammin kuin pimeä aine.

Galaksiryppäissä on paljon enemmän galaksienvälistä kaasua kuin galakseja: galaksit uivat kymmeniä miljoonia asteita kuumassa kaasussa. Galakseja on sen verta harvassa, että kun ryppäät törmäävät, niiden galaksit menevät toistensa ohi ja jatkavat matkaansa suoraan eteenpäin. Ryppäiden kaasukehät sen sijaan iskeytyvät kovasti, hidastuvat ja kuumenevat entisestään.

Galaksit hohtavat näkyvää valoa ja infrapunavaloa, mutta kaasu on niin kuumaa, että se hehkuu röntgensäteitä. Niinpä galaksit ja kaasu on helppo erottaa toisistaan. Alla olevassa kuvassa galaksit ovat valokiekkoja (mukana on myös meidän ja ryppään välissä olevia tähtiä ja muuta roskaa) ja kaasu on väritetty punaisella.


(Kuvan lähde: NASA.)

Luotirypäs ja sen kumppani näyttävät siltä kuin odottaisi: kaasu on jäljessä galakseja, ja sen törmäysrintaman muoto näkyy vielä.

On myös mitattu, miten paljon ryppään kukin osa taittaa takana olevien kohteiden valoa, eli paljonko massaa niissä on. (Lisää gravitaatiolinsseistä täällä.) Massa on väritetty kuvaan sinisellä.

Pimeän aineen mallien mukaan ryppäissä on paljon enemmän pimeää ainetta kuin tavallista ainetta, ja sen hiukkaset menevät toistensa ohi. Niinpä pimeä aine, on liikkunut esteettä samaan paikkaan kuin galaksit, joten valtaosa massasta on samassa paikassa galaksien kanssa, kuten kuvassa näkyy.

Jos pimeää ainetta ei olekaan olemassa, pitää selittää, miksi ryppäissä valo taipuu eniten galaksien kohdalla, vaikka suurin osa tavallisen aineen massasta on kaasussa. Periaatteessa uudessa gravitaatioteoriassa valon taipumisen ei tarvitse olla voimakkainta siellä missä on eniten massaa. On kuitenkin vaikea ymmärtää, miksi taipuminen menisi massan edellä. Toistaiseksi kukaan ei ole onnistunut muotoilemaan gravitaatiomallia, joka olisi sopusoinnussa sekä luotiryppään että muiden havaintojen kanssa.

On tietysti mahdollista, että huomenna joku esittää tällaisen gravitaatiomallin. Mutta tämä ei muuttaisi sitä, että luotiryppään muoto on pimeän aineen ennustus. Varta varten rustatun gravitaatiomallin kohdalla se olisi vain selitys. Sama pätee kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksiin ja useisiin muihin havaintoihin. Pimeän aineen kilpailijat juoksevat nappiin osuneiden ennustusten perässä, huonolla menestyksellä.

Luotiryppään piirteiden ja muiden gravitaatioon perustuvien havaintojen kannalta ei ole väliä, millainen pimeän aineen hiukkanen tismalleen on. Kunhan se vuorovaikuttaa heikosti, liikkuu hitaasti ja vetää ainetta puoleensa, se sopii yhteen havaintojen kanssa. Mutta havainnot antavat yhä parempia rajoja sille, miten heikosti tismalleen pimeä aine voi vuorovaikuttaa. Esimerkiksi luotiryppään avulla voi rajoittaa sitä, miten voimakkaasti pimeän aineen hiukkaset voivat vuorovaikuttaa itsensä kanssa, jotta eivät olisi jääneet galakseista jälkeen. Pimeän aineen hiukkasen ominaisuuksia tiirataankin nykyään kiihdytinten ja laboratoriohavaintojen lisäksi yhä enemmän taivaalta, ja saa nähdä missä niistä saadaan ensiksi kiinni.

Päivitys (21/08/18): Korjattu yksi virhe (tavallinen aine -> pimeä aine).

17 kommenttia “Luodin jäljet”

  1. Eusa sanoo:

    Mitä sanot siihen, että Sabine Hossenfelder esittää Bullet Clusterin osoittavan pimeän aineen mallin heikkoutta verrattuna toisiin selityksiin?

    http://backreaction.blogspot.com/2017/01/the-bullet-cluster-as-evidence-against.html?m=1

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Luotirypäs on harvinainen tapaus. mutta ei niin harvinainen, että se olisi ongelma. Niitä odottaisi näkyvän taivaalla noin yksi.

      (Jälkikäteen määriteltyjen todennäköisyyksien kanssa on syytä olla huolellinen: jos valitsee taivaalta yhden pilven ja kysyy, mikä on todennäköisyys, että juuri sellainen pilvi muodostuu on näköpiirissä juuri sillä hetkellä, se on aina mitättömän pieni. Pitää tarkastella ennemmin joukkoa tietynlaisia mahdollisia pilviä.)

      https://arxiv.org/abs/1412.7719

      Millään muotoa luotirypäs ei ole osoitus pimeän aineen selityksen heikkoudesta verrattuna muihin selityksiin, koska tietääkseni mikään muu malli ei selitä sen yksityiskohtia ja sovi yhteen muiden havaintojen kanssa.

      1. Lentotaidoton sanoo:

        Räsäsen mukaan tapaus on harvinainen, mutta näin tuleekin olla. Tämän Räsäsen antaman linkin mukaan Bullet Cluster on vain marginaalisesti sovitettavissa ΛCDM-kosmologiaan . Itseasiassa niin että jos (juuri) tällaisia systeemejä löytyisi lisää, niin se haastaisi standardin kosmologisen mallin.

        “We find that only about 0.1 systems like the Bullet Cluster 1E 0657-56 (where the collision has occurred already) can be expected up to z = 0.3. Increasing the relative velocity to 4500 km/s — the shock front velocity deduced from X-ray observations of 1E 0657-56 — no candidate systems are found in the simulation. Thus the existence of 1E 0657-56 is only marginally compatible with the ΛCDM cosmology, provided the relative velocity of the two colliding clusters is indeed as low as suggested by hydrodynamical simulations. Hence if more such systems are found this would challenge the standard cosmological model.”

        1. Eusa sanoo:

          Pyrkivätköhän ne, joilla on parhaimmat laitteistot, aktiivisesti löytämään lisää vastaavia kohteita? Liekö kandidaatteja näkynyt?…

          1. Eusa sanoo:

            https://www.youtube.com/watch?v=rn_CBHvq29k
            https://www.youtube.com/watch?v=xBDiS2WK38w
            https://www.youtube.com/watch?v=mRtGUCLjQ3w

            Eikös näitä joitain samankaltaisia olekin jo havaittu? Ainakin kaasun ja kappalemaisten kohteiden entrooppinen olemus on erilaista; kaasulla energiatiheyserot ovat tasaisempia kuin kappaledynamiikassa – löytyisikö siitä vihjettä ilman suurta määrää pimeitä hiukkasia?

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Se, että galaksiryppäissä kaasu jakautuu tasaisemmin kuin galaksit on hyvin tunnettua, eikä asialla sinällään ole mitään tekemistä pimeän aineen kanssa.

          3. Syksy Räsänen sanoo:

            En tiedä, etsitäänkö nimenomaisesti samanlaisia kohteita. Muita ryppäiden törmäyksiä on kyllä näkynyt, mutta ei mitään aivan samanlaista.

  2. Harri Pohja sanoo:

    Kiitos taas mielenkiintoisesta kirjoituksesta!

    ”…näkyvä aine vuorovaikuttaa itsensä kanssa voimakkaammin kuin tavallinen aine.” — tässä ”tavallinen” aine tarkoittanee pimeää ainetta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä, kiitos, korjasin.

  3. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    Muistelisin niin että pimeän aineen hiukkasten kandidaattien joukossa on ollut sellaisia jotka nykyinen hiukkasfysiikka (= standardimalli ?) tuntee, mutta enemmän kai puhutaan (spekuloidaan) aivan uusista tuntemattomista hiukkasista.
    Pidetäänkö selvänä että jos/kun pimeän aineen hiukkanen löytyy niin se tulee merkitsemään hiukkasfysiikan radikaalia uusiutumista ?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Standardimallin neutriinot olivat 1980-luvulla pimeän aineen ehdokas, mutta nykyään tiedetään, että ne eivät kelpaa. (Ne liikkuvat liian nopeasti ja niissä on liian vähän massaa.)

      On myös pohdittu, voisiko pimeän aineen hiukkanen koostua kuudesta kvarkista, mutta tätä ei pidetä luultavana.

      https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kuusikon-uudet-seikkailut/

  4. Mika sanoo:

    Mikäli pimeän aineen hiukkasia ei yhä parantuvista koeasetelmista huolimatta tarttuisi haaviin, niin missä vaiheessa – jos koskaan – tulisi mielestäsi raja vastaan, jolloin pitäisi todeta että tarvitaan sittenkin joku toinen selitysmalli havainnoille?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      On malleja, joissa pimeän aineen vuorovaikutukset ovat niin heikkoja (ja/tai sen hiukkasten lukumäärätiheys on niin pieni), että niitä ei havaita millään kokeella, jonka toteuttaminen vaikuttaa tällä hetkellä mahdolliselta. Rajaa ei siis ole näkyvissä.

      Eri asia on sitten se, jos tehdään havaintoja, joita pimeä aine ei selitä.

  5. Sunnuntaikosmologi sanoo:

    APS News heinäkuun numerossa on katsaus pimeän aineen etsintään, lähinnä amerikkalaisesta näkökulmasta. Artikkelissa annetaan aika paljon tilaa teorialle axioneista pimeän aineen hiukkasina. Nämä olisivat erityisen pienimassaisia hiukkasia, mutta näemmä silti voisivat täyttää vaadittavan kokonaismassan. Niiden detektoimiseen on meneillään oma kokeensa (ADMX). Blogi-isännällä on postaus aksioneista 21.12.2016.

  6. Jernau Gurgeh sanoo:

    Minkälainen näkemys sinulla on Neil Turokin ja kumppaneiden paperiin, jossa ainoaksi pimeän aineen kandidaatiksi jää oikeakätiset (steriilit) neutriinot?

    Paperi pureutuu samalla moniin muihinkin ongelmiin mielenkiintoisen universumi/anti-universumi mallin kautta. Ja väittävätpä siitä nousevan testattavia ennusteitakin.

    https://arxiv.org/pdf/1803.08930.pdf

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      En ole lukenut paperia, mutta mikään ei kaiketi estäisi lisäämästä malliin uutta pimeän aineen kandidaattia oikeakätisten neutriinojen lisäksi.

      Oikeakätiset neutriinot ovat vanha hyvä pimeän aineen kandidaatti, ja yksi kiinnostavimpia. Itse tosin pidän enemmän niiden kevyemmästä versiota, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *