Osa näkyvästäkin aineesta on hukassa

Tutkijat eivät ole etsineet turhaan vain salaperäistä pimeää ainetta. Myös puolet näkyvästä aineesta on kuin pois pyyhitty. Nyt teleskooppi on paljastanut, minkälaiseen muotoon aine todennäköisesti kätkeytyy.

Shutterstock

Kun tähtitieteilijät tähyilevät teleskoopeillaan universumiin, he näkevät miljardeja tähdistä, planeetoista ja kieppuvista kaasuista koostuvia galakseja. Galaksien välissä leijuu suuria kaasupilviä. Jotain kuitenkin puuttuu. Se, minkä tutkijat pystyvät näkemään, muodostaa vain vähän yli puolet siitä kaikesta näkyvästä aineesta, mikä universumin pitäisi sisältää.

Astrofysiikan teorioiden mukaan kaikkeudessa on 27 prosenttia pimeää ainetta, joka pitää galaksit koossa, 68 prosenttia pimeää energiaa, joka kiihdyttää universumin laajenemista, ja viisi prosenttia näkyvää ainetta. Pimeitä hiukkasia ei ole löydetty, vaikka niitä on etsitty vuosikymmeniä avaruusteleskoopeilla, ilmaisimilla ja hiukkaskiihdyttimillä.

Ei myöskään tiedetä, mistä pimeä energia tulee. Ja nyt hukassa on lisäksi vajaat 40 prosenttia näkyvästä aineesta, jonka pitäisi olla havaittavissa. Tutkijat tuntevat siis vain kolme prosenttia universumin kokonaismassasta. Nyt avaruusteleskooppi XMM-Newton on ehkä löytänyt puuttuvan aineen, joka voi olla kätkeytynyt tulikuumaan galaksienväliseen kaasuun.

Röntgensäteet paljastavat aineen kätköpaikat

Esan XMM-Newton-röntgenteleskooppi on havainnut kaksi ultrakuumaa kaasupilveä, jotka korkean lämpötilansa vuoksi ovat näkymättömiä. Pilvi sisältää osan universumin puuttuvasta aineesta, ja jos vastaavia pilviä on muuallakin, niihin ehkä sisältyy loputkin näkyvästä aineesta.

Eso

1. Säteilyä kvasaarista

Valtavat kaasupilvet pyörivät kvasaarin keskuksen supermassiivisen mustan aukon ympärillä ja syöksevät hiukkasia suihkuvirtauksina avaruuteen. Sekä kaasut että suihkuvirtaukset lähettävät paljon suurienergiaista röntgensäteilyä, joka kulkee universumin halki.

Eso

2. Törmäyksiä kaasupilviin

Avaruudessa edennyt säteily on törmännyt kahteen kuumaan galaksienväliseen kaasupilveen. Pilvien happi on absorboinut kaksi röntgensäteilyn aallonpituuksista siirtämällä kaksi elektronia korkeampaan energiatilaan.

Eso

3. Teleskooppi näkee hapen

Kun kvasaarista tullut säteily päätyy XMM-Newton-avaruusteleskooppiin, spektrin kaksi puuttuvaa aallonpituutta paljastavat säteilyn kulkeneen hapen läpi. Pilvien sisältämän hapen määrän perusteella tutkijat ovat voineet laskea, paljonko muita aineita pilvissä on.

Eso

Ainetta katoaa galakseista

Tähtitieteilijät ovat varmoja näkyvän aineen olemassaolosta. Kaikki aine on nimittäin nähty kosmisessa taustasäteilyssä, joka lähti liikkeelle 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen ja joka on eräänlainen vastasyntyneen universumin pysäytyskuva. Nasan COBE-satelliitti teki ensimmäiset havainnot kosmisesta taustasäteilystä vuonna 1992, ja 2013 Planck-satelliitti mittasi erittäin tarkasti taustasäteilyn lämpötilaerot.

Taustasäteilyn hyvin pienet lämpötilaerot paljastavat massan jakautumisen nuoressa universumissa, ja tästä tutkijat ovat laskeneet, että viisi prosenttia massasta on näkyvää ainetta. Määrä on täysin sopusoinnussa alkuräjähdysteorian kanssa siinä, miten monta kevyttä vety-, helium- ja litiumatomia muodostui alkuräjähdyksen jälkeen.

Tähtitieteilijät voivat yhä nähdä lähes kaiken aineen, jos he tarkkailevat ensimmäisten viiden miljardin vuoden aikana syntyneitä galakseja ja kaasupilviä. Myöhempien yhdeksän miljardin vuoden ajalta sen sijaan on kadoksissa ainakin viittäsataa miljardia galaksia vastaava massa. Nykyään universumin 200 miljardia galaksia sisältävät tähtien, planeettojen ja kaasun muodossa vain 14 prosenttia näkyvästä massasta. Lopun täytyy olla jossakin galaksien välissä, mutta sieltä on löytynyt vain 47 prosenttia.

Universumista 5 % on näkyvää ainetta. Siitä 40 % on kätkössä tutkijoiltakin.

Tutkijat tietävät, että ratkaisua puuttuvan aineen mysteeriin kannattaa etsiä galaksien kehityksestä. Ensimmäisten viiden miljardin vuoden aikana syntyneet galaksit muodostivat kaasupilvistä tähtiä 10–20 kertaa niin tehokkaasti kuin nykyiset galaksit, joten aine jäi galaksien sisään tähtinä. Nykyään hillitsee tähtien syntyä etenkin kaksi tekijää, jotka työntävät kaasua tyhjään galaksienväliseen avaruuteen.

Ensimmäinen tekijä ovat supernovaräjähdykset. Räjähtävät tähdet lähettävät voimakkaita paineaaltoja, jotka sinkoavat valtaosan tähden massasta avaruuteen ja joskus jopa ulos galaksista. Nuoressa universumissa supernovat olivat harvinaisia, koska tähdet eivät vielä olleet palaneet loppuun, mutta nykyään juuri supernovat hävittävät paljon kääpiögalaksien massaa.

Toinen tekijä on vielä paljon supernoviakin voimakkaampi: suurten galaksien keskusten supermassiiviset mustat aukot. Aktiivisissa galakseissa mustien aukkojen ympärillä pyörii suuri määrä kaasua, joka on vajoamassa kohti singulariteettia. Pyörivä kaasukiekko luo erittäin voimakkaita magneettikenttiä, jotka syöksevät kaksi valtavaa hiukkassuihkuvirtausta galaksin läpi ja edelleen galaksienväliseen avaruuteen.

Kuumuus tekee näkymättömäksi

Tutkijat ovat pystyneet selvittämään, miten aine häviää galakseista, mutta eivät sitä, mihin se päätyy. On tosin jo pitkään uumoiltu, että supernovien ja suihkuvirtausten avaruuteen syöksemät kaasuvirrat jakautuvat laajoille alueille ja muuttuvat hyvin ohueksi vetykaasuksi, jota teleskoopit eivät näe.

Galaksien välissä suurina kylminä kaasukuplina leijuvat vetypilvet on suhteellisen helppo erottaa teleskoopeilla, kun käytetään apuna kaukaisia, voimakkaita valonlähteitä, kuten aktiivisia galakseja, joiden valo matkallaan Maata kohti kulkee vetypilvien läpi. Valon läpäistessä pilven vetyatomit absorboivat sellaisia valohiukkasia, joiden ultravioletti aallonpituus nostaa vetyatomin ainoan elektronin korkeampaan energiatilaan. Atomin ”virittämiseen” kulunut aallonpituus katoaa spektristä ja paljastaa kaasun olemassaolon.

Menetelmä ei kuitenkaan toimi, jos kaasut ovat äärimmäisen kuumia, jopa 10 miljoonan asteen lämpöisiä. Silloin vety on plasmaa, jossa atomiytimen elektroni ja protoni ovat toisistaan erillään eikä atomi enää pysty absorboimaan valoa. Vedystä tulee lähes kokonaan näkymätöntä.

Osa puuttuvasta aineesta voi olla kuumaa kaasua, joka on kasautunut galakseja yhdistävän pimeän aineen säieverkon ympärille.

© Oliver Hahn, Tom Abel, Ralf Kaehle

Nyt Fabrizio Nicastron johtama tutkijaryhmä Italian kansallisesta astrofysiikan laitoksesta on etsinyt kuumaa kaasua toisella menetelmällä. Ryhmä on mitannut Esan XMM-Newton-röntgenteleskoopin avulla röntgensäteilyä, joka tulee äärimmäisen kirkkaasta, aktiivisesta galaksista – kvasaarista.

Ryhmä ei olekaan etsinyt vedyn tunnusmerkkejä vaan happea, jota kaasupilvissä myös on pieniä määriä. Hapen ydin koostuu kahdeksasta protonista, joita ympäröi kahdeksan elektronia. Miljoonien asteiden lämpötilassa happi menettää kuusi elekronia, mutta ydin pystyy silti yhä absorboimaan röntgensäteilyä siirtämällä loput kaksi elektronia ylempään energiatilaan.

Teleskooppihavaintojen mukaan kvasaarista tullut röntgensäteily on neljän miljardin valovuoden matkallaan läpäissyt kaksi kuumaa galaksienvälistä kaasupilveä, joissa happi on absorboinut kaksi sen aallonpituuksista. Koska tiedetään, mikä hapen ja vedyn välinen suhde on kylmemmissä kaasupilvissä, voidaan hapen määrästä laskea, paljonko pilvissä on vetyä, ja siten epäsuorasti paljastaa vedyn olemassaolo.

Laskelmat viittaavat siihen, että ultrakuumat kaasupilvet sisältävät puuttuvasta aineesta ainakin neljäsosan mutta mahdollisesti enemmänkin – ehkäpä kaiken.

Galaksit sisältävät vain 14 % näkyvästä massasta

Universumin galaksit sisältävät yhteensä vain 14 % näkyvästä aineesta. Tähdet muodostavat siitä puolet, ja toinen puoli on kaasuja, jotka eivät ole tarpeeksi tiheitä kasautuakseen tähdiksi.

Loppu näkyvästä aineesta jakautuu lähes tyhjään avaruuteen. 28 ­% on viileissä kaasupilvissä, jotka leijuvat passiivisina galaksien välissä, koska ne eivät ole tarpeeksi kylmiä muodostaakseen tähtiä. 15 % on yli 100 000-asteisissa kaasupilvissä, jotka ovat kasautuneet halomuodostelmiksi galaksien ympärille.

Puuttumaan jää vielä noin 40 % näkyvästä aineesta. Tähän asti sitä ei ole osattu paikantaa, mutta nyt tutkijat arvelevat, että se koostuu yli 10 000 000-asteisista kaasupilvistä, jotka ovat sinkoutuneet ulos galakseista. Pilvet ovat kätkössä galaksienvälisessä avaruudessa, koska ne ovat liian kuumia näkyäkseen.

Näkyvän aineen jakautuminen:

  • Noin 40 % puuttuu

  • 28 % Kylmää intergalaktista kaasua

  • 15 % Lämpimiä intergalaktisia kaasupilviä

  • 7 % Galaksien tähtiä

  • 5 % Galaksien kuumaa kaasua

  • 4 % Galaksi­joukkojen kuumaa kaasua

  • 1,8 % Galaksien kylmää kaasua

Ainetta voi olla pimeissä säikeissä

Nyt tutkijat aikovat etsiä lisää ultrakuumaa kaasua muualta universumista. Osa kaasusta saattaa kätkeytyä myös universumin luurankoon, joka muistuttaa galakseja yhdistävää kolmiulotteista hämähäkinverkkoa. Verkon säikeet koostuvat pimeästä aineesta, joka on saattanut vetää puoleensa osan kuumasta galaksienvälisestä kaasusta.

Mitä enemmän kaasupilviä havaitaan, sitä varmemmin kaikki universumin aine löytyy. Sitten pitää enää löytää ne pimeät hiukkaset ja pimeä energia, jotka muodostavat loput 95 prosenttia universumista.

Lue myös:

Galaksit

Heinäkuun loppu: Linnunradan sydän valaisee yön

1 minuuttia
Galaksit

Huhtikuun alkupuoli: Tuhannet galaksit välkkyvät yötaivaalla

2 minuuttia
Linnunrata
Galaksit

Näin paljon Linnunrata painaa

3 minuuttia
Suosituimmat

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!