Käsitteet pimeä aine ja pimeä energia

95 prosenttia universumista ei ehkä olekaan olemassa

Vuosikymmenien ajan fyysikot ovat yrittäneet löytää pimeää ainetta ja pimeää energiaa, jotka selittäisivät maailmankaikkeuden ominaisuudet. Teoriat viittaavat kuitenkin siihen, että molemmat ovat pelkkää mielikuvitusta.

Vuosikymmenien ajan fyysikot ovat yrittäneet löytää pimeää ainetta ja pimeää energiaa, jotka selittäisivät maailmankaikkeuden ominaisuudet. Teoriat viittaavat kuitenkin siihen, että molemmat ovat pelkkää mielikuvitusta.

Shutterstock

Viisi prosenttia näkyvää ainetta, 27 prosenttia pimeää ainetta ja 68 prosenttia pimeää energiaa. Näin universumin koostumus on määritelty perinteisen kosmologian mukaan.

Kukaan ei kuitenkaan tiedä, mitä pimeä aine ja pimeä energia oikeastaan ovat. Siksi fyysikot ovat viimeisen kymmenen vuoden aikana etsineet kiivaasti maailmankaikkeuden salaisia ainesosia. Eri puolille maailmaa on rakennettu herkkiä ilmaisimia pimeyden hiukkasten havainnoimiseksi. Pimeää ainetta on yritetty saada aikaan maanalaisissa kiihdyttimissä ja sitä on etsitty myös avaruudesta. Fyysikot ovat kuitenkin vetäneet vesiperän.

Tuloksettomat ponnistelut uhkaavat syöstä kosmologian olemassaolon kriisiin: tähtitieteilijät tarvitsevat pimeää. Siksi osa tutkijoista on asettanut pimeän aineen ja pimeän energian kyseenalaisiksi.

Teoria 1

Muokattu painovoimalaki tekee pimeästä aineesta turhaa

Pimeä aine keksittiin 1970-luvulla, koska tähtitieteelliset havainnot paljastivat, että tähtien käyttäytyminen galakseissa ei ollut Newtonin painovoimalain mukaista.

Newtonin mukaan suuren kappaleen pieneen kappaleeseen aiheuttama painovoimavaikutus pienenee nopeasti etäisyyden kasvaessa.

Tästä seuraa, että kauimpana galaksien keskustasta sijaitsevat tähdet sinkoutuvat avaruuteen galaksien suuren pyörimisnopeuden takia, jos vain näkyvä aine pitää massallaan niitä paikoillaan.

Tästä syystä tutkijat lisäsivät tuntemattoman, näkymättömän massan, joka ratkaisee universumin vaikean yhtälön.

Israelilaisen Mordehai Milgromin esittämä MOND-teoria sisältää oletuksen, että Newtonin laki pätee vain pienissä järjestelmissä. Jos painovoima heikkenee etäisyyden kasvaessa vähemmän, galaksit pysyvät koossa ilman pimeää ainetta.

Pimeys pelasti Einsteinin

Käsitteet pimeä aine ja pimeä energia keksittiin ja lisättiin kosmologiaan Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian pelastamiseksi.

Monimutkainen teoreettinen selitys vuodelta 1915 kuvaa, kuinka avaruuden massa on luonut nykyisen maailmankaikkeuden yhdessä painovoiman kanssa. Teoria kattaa koko kehityksen alkuräjähdyksestä, joka aloitti universumin laajenemisen, nykyaikaan.

Suhteellisuusteoria on kaiken lisäksi saanut tukea useista eri maailmankaikkeuden käyttäytymistä koskevista tähtitieteellisistä havainnoista. Tutkijat eivät olekaan valmiita hylkäämään Einsteinin laajaa työtä edes siinä tapauksessa, että uudet havainnot aiheuttavat selitysongelman.

Ensimmäinen pulmatilanne syntyi jo vuonna 1933, kun sveitsiläinen tähtitieteilijä Fritz Zwicky totesi Coman galaksijoukon pyörivän niin nopeasti, että galaksien näkyvien tähtien ja kaasujen painovoima ei voi millään riittää pitämään joukkoa koossa.

Siksi Zwicky alkoi uumoilla, että galaksijoukossa on jokin näkymätön massa, joka estää galakseja sinkoutumasta eri suuntiin. Useiden 1970-luvulla tehtyjen havaintojen mukaan ongelma koski myös joidenkin galaksien yksittäisiä tähtiä: järjestelmät pyörivät niin vinhasti, että niiden uloimpien tähtien ei pitäisi pysyä radoillaan.

Niinpä tutkijat päättivät tehdä mittavan lisäyksen kosmologiseen teoriaan, jotta se saatiin vastaamaan havaittua todellisuutta. He keksivät pimeän aineen.

Teoria 2

Universumissa on miljardeja mustia aukkoja: äärimmäisen tiheitä aineen massakeskittymiä. Uuden teorian mukaan vanhat mustat aukot ovat tuntematon pimeä aine. On esitetty, että miljardit mustat aukot, joiden massa on sadasosasta Auringon massaa 10 000:een Auringon massaan, ovat syntyneet heti alkuräjähdyksen jälkeen ja pienimmät niistä ovat kerääntyneet galaksien ympärille kiertämään kiekossa. Mustien aukkojen vetovoima on se, mitä pidetään pimeän aineen vaikutuksena.

NÄYTTÖ: Supernovaräjähdyksissä syntyy vain mustia aukkoja, joiden massa on 5–15 Auringon massaa. Jos löydetään musta aukko, jonka massa on pienempi, sen täytyy olla alkuräjähdyksen peruja.

© Mikkel Juul Jensen

1. Alkuräjähdys loi aukkoja

Sekunnin kuluttua alkuräjähdyksestä universumi laajeni nopeammin kuin valonnopeudella. Räjähtävä kehitys aiheutti epätasaisuuksia tiheyteen. Pieniä mustia aukkoja syntyi niihin avaruuden osiin, joissa oli eniten ainetta.

© Mikkel Juul Jensen

2. Pienet aukot yhdistyivät

Miljardin vuoden kuluessa suurimmat mustat aukot yhtyivät keskinäisen painovoimavaikutuksensa takia. Tapahtumasarjan tuloksena syntyivät ne supermassiiviset mustat aukot, joita on galaksien keskustassa.

© Mikkel Juul Jensen

3. Syntyi joukoittain aukkoja

Monet pienet mustat aukot jäivät erillisiksi ja asettuivat galakseja ympäröivään kiekkoon. Siellä ne vaikuttavat pimeän aineen tavoin.

Universumi laajenee yhä nopeammin

Pimeä aine sai suhteellisuusteorian jälleen täsmäämään – vuoteen 1998 saakka. Silloin tähtitieteilijät havaitsivat, että universumin laajeneminen kiihtyy.

Siihen asti oli luultu, että laajeneminen tapahtuu tasaista tai hidastuvaa vauhtia. Tähtitieteellisten havaintojen mukaan kaukana räjähtävät tähdet loistivat kuitenkin odotuksenvastaisen himmeästi verrattuna läheisiin supernoviin.

Paras selitys oli, että etäiset supernovat olivat laskettua kauempana Maasta, koska maailmankaikkeuden laajeneminen oli kiihtynyt. Kiihtyvän laajenemisen tutkijat selittivät pimeällä, hylkivällä energialla.

Einstein oli oikeassa – tietämättään

Pimeä energia liittyy mutkattomasti suhteellisuusteoriaan – itse asiassa Albert Einsteinkin esitti omassa työssään hylkivän energian muodon.

Kun teoria julkistettiin vuonna 1915, tähtitieteessä vallitsi käsitys, jonka mukaan maailmankaikkeus oli niin staattinen, että galaksit pysyivät paikoillaan. Siksi Einstein esitti teoreettisen hylkivän voiman, joka voi vastustamalla painovoimaa estää galakseja vetämästä toisiaan puoleensa.

Einstein piti kuitenkin hylkivän voiman keksimistä uransa suurimpana töppäyksenä, koska Edwin Hubble todisti vuonna 1929, ettei universumi ole staattinen vaan että se laajenee kaikkiin suuntiin.

Vaikka ajatus hylkivästä voimasta painovoiman vastapainona oli väärä, Einsteinin oletuksella oli paljon yhteistä sen pimeän energian kanssa, jolla tutkijat myöhemmin pystyivät selittämään universumin kiihtyvän laajenemisen. Hylkivän energian otaksutaan tulevan galaksijoukkojen väliin jäävistä tyhjiöistä.

Suhteellisuusteorian mukaan tietynkokoinen tyhjiö sisältää aina saman määrän hylkivää energiaa. Sitä mukaa kuin tyhjiö kasvaa, pimeän energian vaikutus vahvistuu. Moderni kosmologia olettaa, että hyljinnästä tuli kuusi miljardia vuotta sitten niin voimakasta, että pimeä energia kaatoi painovoiman yrityksen painaa maa­ilmankaikkeus kokoon ja sai sen laajenemaan kiihtyvää vauhtia.

Teoria 3

© shutterstock/mikkel juul jensen

Hyljintä siirtää universumin rajoja

Uudessa teoriassa maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen selitetään toisella tekijällä kuin pimeällä energialla. Sen mukaan alkuräjähdyksessä syntyi kahdenlaista ainetta: tavallista ainetta (yllä) ja antimateriaa(alla). Ne erosivat jo sekunnin kuluttua, koska hiukkaset hylkivät toisiaan.

Aine yhtyi galakseiksi, kun taas antimateria muodosti antigalakseja, jotka eivät koskaan joudu kosketuksiin, sillä kohtaaminen johtaisi romahdukseen. Kun ne hylkivät toisiaan, universumi laajenee yhä nopeammin ilman pimeää energiaa.

NÄYTTÖ: Vuodesta 2011 alkaen avaruusaseman ilmaisin on saalistanut antihiiltä ja raskaampia antiatomeja, joita voi syntyä vain antigalaksien antitähdissä.

Pimeys on keksitty juttu

Käsitteet pimeä aine ja pimeä energia paikkasivat suhteellisuusteorian aukot ja yhdessä ne muodostavat 95 prosenttia universumista. Niin merkittävä väite kaipaa tuekseen vahvoja todisteita.

Huolimatta vuosikymmenien sinnikkäästä yrittämisestä tutkijat eivät ole onnistuneet valottamaan maailmankaikkeuden pimeää puolta. Siksi yhä useammat tähtitieteilijät ja fyysikot ovat hylkäämässä 95 prosenttia universumista teoreettisena harhana ja peräämässä uusia kosmologisia oppirakennelmia.

Pimeälle aineelle ja pimeälle energialle on olemassa vaihtoehtoja. Radikaaleimman idean on esittänyt israelilainen tutkija Mordehai Milgrom. Hän ei usko maailmankaikkeudessa olevan tuntematonta massaa.

Milgromin mukaan galaksien pyörimisnopeuden aiheuttama selitysongelma johtuu siitä, että Newtonin painovoimalaki vuodelta 1666 ei päde. Milgrom esittää painovoimavaikutuksen heikkenevän hitaammin etäisyyden kasvaessa kuin Newtonin laki sanoo.

Milgromin modifioidun newtonilaisen dynamiikan eli MOND-teorian mukaan Aurinkokunnan kaltaisissa pienissä järjestelmissä paikkansa pitävä Newtonin painovoimalaki ei päde suurissa rakenteissa, kuten galaksissa, jonka läpimitta on 100 000 valovuotta, tietyn massasta riippuvan rajan jälkeen. Siitä eteenpäin painovoima ei enää heikkene niin nopeasti kuin Newton sanoo. Siksi galaksin näkyvän aineen painovoima pystyy pitämään uloimmat tähdet paikallaan.

Milgrom ei ole vielä saanut osakseen kovin paljon ymmärtämystä tiedepiireissä. MOND-teoria tarvitsee tukea tutkimustuloksista, sillä se ei selitä, miksi painovoima vaikuttaa eri tavalla kuin tähän asti on luultu, eikä se kuvaa maailmankaikkeuden kehitystä alkuräjähdyksestä alkaen.

Yhdysvaltalaisen tähtitieteilijän Stacy McGaughin havainnot 153 galaksista voivat olla ensimmäinen askel kohti vahvistusta, sillä MOND on täydellisesti sopusoinnussa galaksien käyttäytymisen kanssa ja antaa selityksen niiden pyörimiselle ilman pimeää ainetta.

Teoria 4

Kiihtyvä laajeneminen on näköharha

Perinteisen kosmologian mukaan pimeä energia sai universumin laajenemisen kiihtymään noin kuusi miljardia vuotta sitten. Uuden teorian esittäneet tutkijat ovat kuitenkin sitä mieltä, ettei pimeää energiaa ja kiihtyvää laajenemista ole olemassakaan.

Klassisessa tähtitieteessä maailmankaikkeuden muoto on paperimaisen laakea. Samanlaisuuden takia yhdensuuntaiset valonsäteet ovat aina rinnakkaisia: ne eivät leikkaa toisiaan eivätkä loittone toisistaan, vaikka ne kulkisivat koko kaikkeuden läpi.

Uuden teorian mukaan maailmankaikkeuden muoto muuttui kuusi miljardia vuotta sitten. Aine oli kertynyt galaksijoukkoihin laajojen tyhjiöiden ympärille, joten massa jakautui universumissa hyvin epätasaisesti.

Siksi avaruus kaareutui niin, että yhdensuuntaiset valonsäteet alkoivat loitota toisistaan pitkillä etäisyyksillä. Tästä syystä kaikkeus näyttää todellista suuremmalta.

NÄYTTÖ: Teorian vahvistaminen vaatii hyvin tarkkoja tietoja avaruuden laajenemisesta kaikkeuden olemassaoloaikana. Tutkijat saavat kunnon työvälineen, kun Euclid-satelliitti laukaistaan 2020.

/ 3

Aine oli levällään

Alkuräjähdyksen jälkeen universumi oli laakea ja aine jakautui siinä tasaisesti. Yhdensuuntaiset valonsäteet eivät loitonneet toisistaan.

1

Syntyi galakseja

Miljardin vuoden kuluttua oli jo olemassa suuria galakseja. Aine jakautui yhä niin tasaisesti, että rinnakkaisten säteiden väli ei muuttunut.

2

Muodostui tyhjyys

Kahdeksan miljardin vuoden aikana syntyi isoja galaksijoukkojen ympäröimiä tyhjiöitä. Hyvin epätasaisesti jakautuva massa sai avaruuden kaareutumaan niin, että yhdensuuntaiset valonsäteet alkoivat ennen pitkää loitota toisistaan. Loittoneminen aiheuttaa näköharhan: kaikkeus näyttää laajenevan yhä nopeammin, vaikka laajeneminen tapahtuu vakionopeudella.

3
© Mikkel Juul Jensen

Pimeä energia on laskuvirhe

Kun kosmologiaa uudistetaan, myös pimeä energia on tulilinjalla. Yhden teorian mukaan pimeä energia on vain laskuvirhe.

Suhteellisuusteorian yhtälöt ovat niin monimutkaisia, että käytännön työssä niitä joudutaan yksinkertaistamaan, vaikka tulokset ja päätelmät eivät välttämättä pidä kutiaan.

Budapestissä toimivassa Loránd Eötvösin yliopistossa saatiin yksinkertaistamalla maailmankaikkeus laajenemaan kiihtyvää vauhtia ilman pimeää energiaa. Unkarilaistutkijat katsovatkin, että pimeä energia on vain teoreettinen hätäratkaisu.

Teoria 5

Syynä siihen, että pimeää ainetta etsivät fyysikot ovat vetäneet vesiperän, voi olla se, että he etsivät vääränlaisia hiukkasia. Pimeän aineen pitäisi olla varauksettomia hiukkasia, jotka vaikuttavat muihin hiukkasiin vain painovoimallaan. Universumin pimeä osa voikin olla näkymätön varjopuoli, jossa hiukkaset käyttäytyvät kuin näkyvä aine ja reagoivat myös painovoiman kautta.

NÄYTTÖ: Varjofotoneita voi syntyä kokeessa, jossa metallia pommitetaan elektroneilla. Teorian mukaan ne hajoavat hetkessä elektroni-positronipareiksi.

© shutterstock

Varjomaterian oletetaan olevan tähtiä ympäröivässä kiekossa, sillä oletus sopii havaintoihin.

© shutterstock

Varjohiukkaset ovat toisin kuin pimeä aine tavallisten hiukkasten tavoin sähkövarauksellisia. Niiden raskaat ja kevyet variantit vastaavat protoneja ja elektroneja.

© shutterstock

Hiukkaset voivat yhtyä ja muodostaa varjoatomeja.

© shutterstock

Varjohiukkaset ja -atomit voivat vaikuttaa toisiinsa vaihtamalla valoa samalla tavalla kuin näkyvät hiukkaset ja atomit. Varjofotonien vaihto levittää ainetta koko maailmankaikkeuteen.

Totuuden hetki lähestyy

Tällä hetkellä useimmat kosmologit, astronomit ja fyysikot uskovat teorioihin pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta. Monet myös yrittävät todistaa niiden olemassaolon.

Jos tutkijat eivät lähivuosina pysty näyttämään todisteita, on pakko myöntää, että he ovat vuosikymmeniä etsineet jotakin, jota ei ehkä ole olemassa.

Silloin on paneuduttava vaihtoehtoisiin teorioihin, joilla maailmankaikkeuden outo käytös voitaisiin selittää.