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.
NÄYTTÖ:
Uutta painovoimalakia ei pystytä todistamaan kokeellisesti, sillä muutokset tulevat esiin vain tuhansien valovuosien etäisyyksillä. Teoria voi saada tukea tähtitieteellisistä havainnoista.
Teoreettinen pyörimisnopeus
Newtonin laki
Käyrä osoittaa, millä enimmäisnopeudella tähtien pitäisi voida kiertää sinkoutumatta ulos galaksista, kun niitä pitää radoillaan vain galaksin keskustan tähtien ja kaasujen painovoimavaikutus.
- X-akseli osoittaa etäisyyden galaksin keskustasta valovuosina.
- Y-akseli osoittaa pyörimisnopeuden km/s.
Todellinen pyörimisnopeus
Muokattu laki
Jos painovoima ei heikkene niin nopeasti etäisyyden kasvaessa kuin Newtonin painovoimalaki sanoo, tähdet voivat pysyä radoillaan ilman pimeää ainetta nopeudesta huolimatta.
- X-aksen viser afstand fra galaksens centrum i lysår
- Y-aksen viser rotationshastigheden i km/s.
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
Vanhat mustat aukot korvaavat pimeän aineen
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.
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.
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
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.
Aine oli levällään
Alkuräjähdyksen jälkeen universumi oli laakea ja aine jakautui siinä tasaisesti. Yhdensuuntaiset valonsäteet eivät loitonneet toisistaan.
Syntyi galakseja
Miljardin vuoden kuluttua oli jo olemassa suuria galakseja. Aine jakautui yhä niin tasaisesti, että rinnakkaisten säteiden väli ei muuttunut.
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.
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
Kaikkeudella on varjomaailma
Varjomaterian oletetaan olevan tähtiä ympäröivässä kiekossa, sillä oletus sopii havaintoihin.
Varjohiukkaset ovat toisin kuin pimeä aine tavallisten hiukkasten tavoin sähkövarauksellisia. Niiden raskaat ja kevyet variantit vastaavat protoneja ja elektroneja.
Hiukkaset voivat yhtyä ja muodostaa varjoatomeja.
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.