Pimeä sydän

30.8.2018 klo 12.58, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vaikka pimeä aine on paras selitys monille tähtitieteen ja kosmologian havainnoille, varmuuden saisi vain löytämällä pimeän aineen hiukkasen. Tähän on perinteisesti ajateltu olevan kolme tapaa: suora havainto, epäsuora havainto ja kiihdytinhavainto. Suora havainto tarkoittaa sitä, että hiukkanen havaitaan laboratoriossa, epäsuora sitä, että hiukkasen hajoamis- tai annihilaatiotuotteet nähdään taivaalla ja kiihdytinhavainto sitä, että hiukkanen tuotetaan hiukkaskiihdyttimissä.

Neljänneksi mahdollisuudeksi on viime vuosina noussut astrofysikaalinen havainto (astrofysiikka on hienompi tapa sanoa tähtitiede), eli sen havaitseminen, miten pimeä aine vaikuttaa tähtitieteen ilmiöihin. Eräs kiinnostava spekulatiivinen idea tältä saralta on pimeät tähdet. Heti alkuun on syytä kiiruhtaa sanomaan, että tämä nimi (jolla on historiaa elokuvan saralla) on harhaanjohtava. Mustat aukot todella ovat mustia, mutta pimeät tähdet ovat kirkkaita: itse asiassa niille on leimallistase, että ne ovat paljon kirkkaampia kuin tavalliset tähdet. Nimi tarkoittaa vain sitä, että tähden tärkein energianlähde on pimeän aineen annihilaatio.

Useissa pimeän aineen malleissa (kuten nynnyjen tapauksessa) pimeä aine koostuu sekä hiukkasista että antihiukkasista. Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat kevyemmiksi hiukkasiksi, tyypillisesti enimmäkseen fotoneiksi ja neutriinoiksi. Koska maailmankaikkeus laajenee, aineen tiheys laskee ajan kuluessa – eli aine on ennen ollut tiheämpään pakattua. Niinpä varhaisessa maailmankaikkeudessa pimeä aine ja antiaine annihiloituivat esteettä keskenään, mutta tiheyden laskiessa hiukkaset eivät enää löydä toisiaan ja ainetta ja antiainetta jää jäljelle.

Mutta samalla kun maailmankaikkeuden keskitiheys laskee, syntyy tihentymiä kuten galakseja gravitaation kasatessa ainetta. Kun maailmankaikkeus on noin 200 miljoonaa vuoden ikäinen, joissakin harvoissa paikoissa aineen tiheys kasvaa niin isoksi, että ydinreaktiot käynnistyvät: toisin sanoen, tähdet syttyvät. Tavallisten tähtien energianlähde on keskustan fuusioreaktiot. Kun ydinpolttoaine loppuu, tähti romahtaa, räjähtää ja syytää reaktioissa syntyneet alkuaineet pölyksi, josta uudet tähdet ja planeetat rakentuvat.

Koska pimeä aine ei pysty jäähtymään, se ei rusahda kasaan yhtä tehokkaasti kuin tavallinen aine. Tämän takia pienistä klimpeistä, kuten tähdistä ja planeetoista, suurin osa on näkyvää ainetta. Mutta vaikka tähden massasta alle tuhannesosa olisi pimeää ainetta, se voi olla vastuussa suurimmasta osasta tähden energiantuotannosta, koska annihilaatio on erittäin tehokasta. Hiukkasen ja antihiukkasen hävittäessä toisensa kaikki niiden massaa vastaava energia muuttuu hiukkasiksi ja tähden sisällä lämmöksi. Ydinreaktioissa vapautuu vain noin prosentti ydinten energiasta.

Nykyisissä tähdissä pimeällä aineella ei ole havaittavaa roolia, mutta varhaisina aikoina pimeän aineen tiheys oli isompi, joten annihilaatiota oli enemmän. Pimeät tähdet ovat voineet olla tähtien kehityksen ensimmäinen vaihe.

Pimeät tähdet ovat isoja, niiden säde on yli tuhat kertaa Aurinkoa isompi, mutta annihilaatio on tiukasti rajoittunut keskustaan, ja tähtien pinta on melko kylmä, 10 000 astetta. Tavallisten tähtien kasvua rajoittaa se, että niiden kuumasta pinnasta nouseva aurinkotuuli piiskaa ainetta poispäin. Pimeillä tähdillä ei ole tätä ongelmaa, joten ne voivat ahmia kaasua ja pimeää ainetta ja lihoa yhdestä Auringon massasta kymmenen miljoonaa kertaa Aurinkoa raskaammiksi jäteiksi.

Lopulta, miljoonien tai miljardien vuosien jälkeen, tähden pimeä aine loppuu ja tähti romahtaa. Siitä voi syntyä musta aukko. Pimeitä tähtiä onkin ehdotettu ratkaisuksi siihen, että varhaisessa maailmankaikkeudessa näkyy miljardien Auringon massaisia mustia aukkoja. On vaikeaa ymmärtää, miten tavallisista tähdistä ehtii muutamassa sadassa miljoonassa nopeasti niin valtavia mustia aukkoja, mutta pimeiltä tähdiltä se voisi onnistua.

Tämä on kiinnostava selitys, mutta pimeiden tähtien idea tekee myös ennusteita. Ne ovat hyvin kirkkaita, jopa kymmenen miljardia kertaa Aurinkoa kirkkaampia. Vuonna 2021 kiertoradalle nouseva James Webb Space Telescope voisi havaita yksittäisiä pimeitä tähtiä varhaisessa maailmankaikkeudessa.

Muillakin kappaleilla saattaa olla pimeän aineen sydän. Maa kaappaa gravitaatiollaan pimeän aineen hiukkasia Aurinkokunnan kiertäessa ympäri Linnunrataa, ja jos hiukkaset vähän törmäilevät toisiinsa ja Maan atomeihin (kuten nynnyt ja vastaavat hiukkaset tekevät), ne menettävät hiljalleen energiaa ja päätyvät lopulta gravitaatiokuopan pohjalle, Maan ytimeen. Maan gravitaatio on kuitenkin niin heikko, että annihilaatio ei ole kovin voimakasta, ja sen havaitseminen on vaikeaa, etenkin kun vain neutriinot pääsevät maan alta pakoon. Näitä jalkojemme alla tapahtuvan annihilaation tuotteita on etsitty, mutta mitään ei ole löytynyt.

Eräs ajankohtainen idea on pimeän aineen löytäminen gravitaatioaaltojen avulla. Suoraviivaisinta olisi havaita pimeiden tähtien yhtymisestä syntyviä gravitaatioaaltoja. Siitä syntyy erilaisia gravitaatioaaltoja kuin tähtien tai mustien aukkojen törmäyksistä, koska pimeät tähdet ovat isokokoisempia. On myös ehdotettu, että neutronitähdillä on pimeän aineen ydin, joka vaikuttaa siihen, millaisia gravitaatioaaltoja niiden törmäyksissä syntyy. Toistaiseksi on havaittu vain yksi törmäys, jossa ainakin toinen osapuoli on neutronitähti, mutta ensi vuoden alkupuolella toimintaan palaavan LIGO-havaintolaitteen ja sen seuralaisten odotetaan näkevän niitä tulevien vuosien kuluessa roppakaupalla. Suuri havaintomäärä auttaa pienten poikkeamien vaskaamisessa.

Ei tiedetä, koostuuko pimeä aine sekä hiukkasista että antihiukkasista, eikä sitä, ovatko niiden massat ja vuorovaikutukset sopivia pimeiden tähtien muodostamiseksi: voi olla, että niitä ei ole olemassa. Mutta idean tutkiminen osoittaa, miten fysiikan eri haaroilla –hiukkasfysiikalla, tähtien rakenteen tutkimisella ja yleisen suhteellisuusteorian gravitaatioaalloilla– voi olla yllättäviä yhtymäkohtia, ja että ongelmia kannattaa lähestyä monesta suunnasta.

19 kommenttia “Pimeä sydän”

  1. Eusa sanoo:

    Kylläpä sitä jaksetaan spekuloida villeillä hypoteeseilla… 🙂

  2. Juhani Harjunharja sanoo:

    Mielenkiintoista pohdintaa – ja samalla tavallaa runollisen mystistä: https://www.kirjavinkit.fi/arvostelut/pimea-sydan/

    Siis joka tapauksessa mielenkiintoista kuin Pimeä sydänkin.

  3. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Tästä tulee mieleen Joseph Conradin romaani Pimeyden Sydän, johon myös Ilmestyskirja Nyt-elokuva löyhästi perustuu. Tuon fiktiivisen kertomuksen ja standardimallin pimeän aineen totuusarvo ovat samaa luokkaa.

  4. Leo Sell sanoo:

    Harrastelija

    Miten pimeän aineen tähdet ovat kirkkaita, eli mitä hiukkasia ne (oletetusti) säteilevät?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tekstissä lukee seuraavaa:

      ”Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat kevyemmiksi hiukkasiksi, tyypillisesti enimmäkseen fotoneiksi ja neutriinoiksi.”

      Annihilaatiotuotteiden kirjo riippuu siitä, millaisesta pimeän aineen hiukkasesta tarkalleen on kysymys, mutta myös elektronit ja positronit ovat tavallisia annihilaatiotuotteita.

      Sanalla ”kirkkaus” tekstissä viittaan fotoneihin eli valoon.

  5. Miten tähden ulko-osien fysiikka mukaanlukien aurinkotuuli voisi riippua siitä tuottaako tähden ydin energiaa fuusiolla vai jollain muulla tavalla?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kun tähden pääasiallisena energianlähteenä on annihilaatio, sen lämpötila on pienempi kuin silloin kun päälähteenä on keskustan fuusioreaktiot (jotka vaativat korkean lämpötilan).

      Tarkemmin täällä: https://arxiv.org/abs/1501.02394

      1. Jännittävän kuuloinen ajatus heillä, ja erityisen mielenkiintoista jos voidaan verifioida lähitulevaisuudessa JWST:llä. Ehkä heidän mallinnuksensa on oikein, mutta olisin kyllä luullut päinvastoin että jos tähdelle lisätään jokin uusi energiantuottomekanismi, silloin tähdne kasvu hidastuisi eikä nopeutuisi – vaikkakaan DM ja fuusio eivät olisi käynnissä samanaikaisesti.

      2. Selitän epäilyäni vähän lisää. Karkeasti, ilman fuusiota musta aukko syntyisi tähdestä nopeasti. Fuusion kanssa se syntyy hitaammin. Kun mukaan pannaan DM-energiantuotanto, olettaisi että se syntyisi vieläkin hitaammin. Mutta heidän mukaansa käykin päinvastoin. Se on niin yllättävää että jäin pohtimaan olisiko heidän analyysissään jotain vialla.

        Ursan palvelin ei muuten nykyään näytä hyväksymistä odottavia kommentteja niinkuin se teki ennen, ainakaan minulle. Kun kommentin on lähettänyt, se katoaa näkyvistä kunnes ilmeisesti bloginpitäjä sen hyväksyy. Muutama viikko sitten tuo kiusa ilmaantui.

        1. Erkki Kolehmainen sanoo:

          Huomasin saman.

  6. Leo Sell sanoo:

    Harrastelija:

    ”Koska pimeä aine ei pysty jäähtymään”. Tarkoitatko että tavallisen aineen lämpötilan syntyessä hiukkastörmäyksistä -ei näitä törmäilyjä synny pimeän aineen kesken, jolloin ”lämpötilan” arvionti riippuu vain niiden kinetiikasta,muuttumattomista nopeuksista,joita verrataan valon nopeuteen?
    DM-anhilaatiotkin ovat törmäyksiä,joista lopulta tulee fotoneja – mutta ilmeisesti ilman lämpöhukkaa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tavallinen aine jäähtyy siten, että muodostuu molekyylejä, joinen sisäinen tila voi muuttua niin, että ne säteilevät energiaa pois.

      Pimeä aine ei tiettävästi muodosta sidottuja tiloja (ainakaan tehokkaasti), joten se ei pysty säteilemään energiaa pois.

      1. Leo Sell sanoo:

        Harrastelija:kiitos vastauksestasi.Ihmettelen kuitenkin edelleen,miten pimeän aineen hiukkaset(wimpit=nynnyt) voivat muodostaa isoja rakenteita kuten tähtiä tai niiden osia,mikäli eivät voi tiivistyä pimeistä hiukkaspilvistä – aluksi ”viilenemällä” olkoonkin etteivät muodostaisi molaarisia sidostiloja?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Pimeiden tähtien massasta vain alle tuhannesosa on pimeää ainetta, valtaosa on tavallista ainetta. Tähdet muodostuvat pimeän aineen pilvien keskelle, joten niiden sisällä on aina vähän pimeää ainetta.

          Pimeää ainetta tulee lisää tähtiin kahdella tapaa.

          Ensinnäkin ne vetävät sitä puoleensa (kuten muutakin ainetta) gravitaation takia.

          Toisekseen tähden läpi kulkevat pimeän aineen hiukkaset törmäilevät tavallisen aineen hiukkasten kanssa menettäen energiaa, jäävät siksi tähden vangiksi ja päätyvät lopulta keskustaan.

  7. Leo Sell sanoo:

    Harrastelija:Hieman lisäaineistoa luettuani, ymmärsin asian näin. Adiabaattinen kompressio supistaa kaasupilveä,joka on molaarisen vedyn (H2) viilentämä. DM-annihilaatioiden samalla voimistuessa,ne tuottavat lämpöenergiaa,mikäli näitä pimeitä hiukkasia on riittävän tiheässä ne viimein ionisoivat vedyn ympäriltään ja DS-eli Pimeä,mutta kirkas,tähti on syntynyt!

  8. Leo Sell sanoo:

    Harrastelija:

    Edellinen – tarkoitin:adiabaattinen kontraktio.

  9. Lentotaidoton sanoo:

    Eli suomeksi: sidottu tilahan tarkoittaa systeemin alinta energiatilaa (Enqvistin tunnettu sutkautus: sika painaa vähemmän kuin paloiteltu sika). Kun pimeä aine ei voi näitä muodostaa (kun eivät tunne sähkömagn vuorovaikusta) niin (ylimääräisen) energian säteileminen ei onnistu).

  10. Jussi Hakama sanoo:

    Hyvä Syksy

    Esittelemässäsi aiheessa oli paljon sellaista loogisuutta, mikä monesta muusta [yhtenäisteoria]teoretisoinnista taas tuntuu puuttuvan.

    Analogiaa geologiaan: kun tarkastelee teorioja, joita aikansa huippututkijat esittivät selittämään esim. jääkausista ja mannerliikunnoista seuranneita ilmiöitä, näkee, miten vaikea lause huippuälykkäällekin tutkijalle on ”En tiedä.” Kuitenkin se oli esim. Joseph Lagrangelle siinä määrin ominainen, että se taitaa olla kaiverrettuna hänen hautakivessäänkin.

    Käsi sydämelle: mikä ala-alue hallitsemallasi alueella tuntuu tässä suhteessa eniten ”haisevan”?

    Kunnioittavasti Jussi Hakama

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aihe ei suoranaisesti liity mitenkään yhtenäisteorioihin.

      En ymmärrä kysymystä.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *