Kaikki näkyvä massa on nyt löydetty – missä kaikkeuden loppuosa piilee?

Etsittyään 20 vuotta tähtitieteilijät ovat nyt löytäneet kaiken universumin näkyvän massan. Löytämistään odottaa kuitenkin vielä koko näkymätön osa, jonka osuus on 95 prosenttia. Uuden teleskoopin on tarkoitus tähdätä suurimpaan palaan: pimeään energiaan.

Etsittyään 20 vuotta tähtitieteilijät ovat nyt löytäneet kaiken universumin näkyvän massan. Löytämistään odottaa kuitenkin vielä koko näkymätön osa, jonka osuus on 95 prosenttia. Uuden teleskoopin on tarkoitus tähdätä suurimpaan palaan: pimeään energiaan.

Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Kaikkeuden galaksien välisessä pimeydessä on tyhjää. Enimmäkseen. Siellä leijailee ohuita vetykaasupilviä, mutta niitä eivät kykene havaitsemaan edes maailman tehokkaimmat teleskoopit. Pilvet ovat niin harvoja, että kuutiometriin ei satu välttämättä ainoatakaan atomia. Pilvillä on kuitenkin mittaa miljardeja kilometrejä, ja kun niiden kokonaismassa lasketaan, päädytään itse asiassa lukuun, joka saa 24 vuotta vanhan laskelman täsmäämään.

Noin puolet tavallisesta, näkyvästä aineesta – tähdistä, planeetoista, pölystä ja kaasuista – on jäänyt teleskoopeilta havaitsematta sen jälkeen, kun vuonna 1997 laskettiin, paljonko niiden pitäisi nähdä. Tilanne on nyt muuttunut: vetypilvien massa vastaa täsmälleen puuttuvaa määrää.

Seuraavaksi tähtitieteilijät suuntaavat katseensa kaikkeuden pimeään energiaan, jonka osuus kaikesta on peräti 68 prosenttia. Yhdysvaltalainen teleskooppi alkaa 5 000 erikoisvalmisteisella valonjohtimellaan kerätä 35 miljoonan galaksin valoa ja voi ennen pitkää ratkaista modernin kosmologian suurimman arvoituksen.

© SHUTTERSTOCK & KEN IKEDA MADSEN

Kaikkeus enimmäkseen pimeä

Kosmologian standardimallin mukaan universumi koostuu kolmesta pääaineksesta: pimeästä energiasta, pimeästä aineesta ja tavallisesta aineesta. Viimeksi mainittu on havaittavaa ainetta, jonka osuus on vain 4,9 prosenttia. Maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta on saatu toisistaan eriäviä mittaustuloksia, ja eroihin saattaa olla syynä se, että näkymättömässä kaikkeudessa – pimeässä energiassa (68,3 prosenttia) tai pimeässä aineessa (26,8 prosenttia) – on jotain, mitä ei tunneta tarpeeksi hyvin.

Radiopurske paljastaa piileviä kaasuja

Kaikki nähtävä, kosketettava ja haistettava koostuu atomaarisesta aineesta – atomeista ja molekyyleistä, joista on tapana puhua alkuaineina. Asia on näin myös muualla universumissa siitäkin huolimatta, että on vaikea löytää konkreettisia todisteita aineiden olemassaolosta. Vuosikymmenien ajan on yritetty kartoittaa kaikki maailmankaikkeuden atomaarinen aine.

Noin 200 miljardia tunnettua galaksia sisältää 14 prosenttia siitä näkyvästä massasta, joka tähtitieteellisten laskentamallien mukaan pitäisi olla olemassa. Lisäksi tutkimuksissa on löydetty kaasupilviä galaksiryhmien sisältä ja niiden välistä. Jopa puolet näkyvästä massasta on kuitenkin pysytellyt piilossa teleskooppien objektiiveilta aina vuodesta 1997.

Tähtitieteilijät ovat jo kauan arvelleet, että äärimmäisen ohuet vetypilvet kätkevät sisäänsä massaa. Ne sijaitsevat galaksiryhmien lomassa eräänlaisissa valtavissa taskuissa, ja niissä vallitsee miljoonien asteiden lämpötila. Teleskoopit eivät ole kuitenkaan erottaneet kaasua.

Kuumuuden vuoksi vetyatomit ovat hajonneet: ytimen protoni ja ainoa elektroni ovat irronneet toisistaan niin sanotuksi plasmaksi. Siksi vetyatomit ovat näkymättömiä, sillä hajonnut atomi ei kykene enää vastaanottamaan eikä lähettämään valoa.

Vapaasti liikkuvat elektronit voivat kuitenkin vaikuttaa valoon, joka läpäisee vetypilvet. Kun valoaallot liikkuvat vetyplasman läpi, vapaat elektronit taittavat niitä samalla tavalla kuin prisma taittaa valoa.

Yhdysvaltalaiset ja australialaiset tutkijat analysoivat nopeita radiopurskeita tämän tiedon pohjalta. He eivät tienneet varmasti, mistä purskeet olivat peräisin, mutta suositun teorian mukaan ne ovat lähtöisin magnetareista eli neutronitähdistä, joilla on erityisen voimakas magneettikenttä. Vain sekunnin miljoonasosia kestävät purskeet voivat lähettää yhtä paljon energiaa kuin Aurinko säteilee 80 vuodessa.

Näkyvä kaikkeus on kosminen seitti. Kirkkaana loistavat pisteet esittävät galaksiryhmiä. Käytännössä näkymätöntä vetykaasua on löydetty seitin lankojen välisiltä pimeiltä alueilta.

© The Millennium Simulation Project

Energiaa pursuavia purskeita, jotka saapuvat Maahan radioaaltoina, on havainnoitu 36:lla Australiassa yhdessä toimivalla ASKAP- eli Australian Square Kilometre Array Pathfinder -radioteleskoopilla. Vapaat elektronit taittavat pitkiä radioaaltoja enemmän kuin lyhyitä, joten ne hidastuvat enemmän. ASKAP rekisteröi tämän viivästymisen.

Kun purskeiden eri aallonpituuksien välinen aikaero ja etäisyys niiden lähtöpaikkaan tunnetaan, voidaan laskea niiden kuumien vetypilvien massa, jotka radioaallot ovat läpäisseet. Laskun lopputuloksen selviäminen oli tutkijoille varsinainen heureka-hetki: se vastasi täsmälleen sitä massaa, jonka olemassaoloa ei ole kyetty todistamaan vuodesta 1997 asti.

© NOIRLab/KPNO/NSF/AURA/P. Marenfeld

Teleskooppi etsii pimeää energiaa galaksien liikkeestä

5 000 valonjohdinta kerää valoa 35 miljoonasta galaksista ja määrittää niiden nopeuden 11 miljardin vuoden ajalta. Tavoitteena on selvittää, vaihteleeko pimeän energian määrä vai pysyykö se samana, ja saada vihiä siitä, mistä energia syntyy.

Näkökenttä kattaa 38 kertaa täysikuun

Neljä metriä suuren pääpeilin vastaanottama valo keskitetään teleskoopin yläosassa sijaitsevaan DESI-nimiseen laitteeseen. DESI vangitsee eri etäisyyksillä aika-avaruudessa sijaitsevien 5 000 galaksin valoa alueelta, joka vastaa taivaalla 38 täysikuun kokoista alaa.

© DESI Collaboration

Galaksien valo päätyy 5 000 valonjohtimeen

Galaksien valo osuu "verkkosilmään", jossa on 5 000 etukäteen galaksien aseman mukaan säädettyä valonjohdinta. Koska valonjohtimia voidaan kääntää ja kallistaa robottimoottoreilla, DESI saadaan muutamassa minuutissa vaihtamaan tarkkailukohdettaan.

Kaapeli välittää valon johtimista spektrometriin

Valo kulkee 50 metriä pitkää kaapelia pitkin kymmeneen niin sanottuun spektrometriin, jotka mittaavat valon voimakkuuden ja aallonpituudet. Mitä kauempana galaksi sijaitsee, sitä heikommin se loistaa ja sitä venyneempiä aallonpituudet ovat maailmankaikkeuden laajenemisen takia. Siksi kaukaisimpien galaksien valo on punaisempaa.

© DESI Collaboration

Aallonpituudet osoittavat kaikkeuden laajenemisen

Aallonpituuksia analysoimalla saadaan tietoa laajenemisnopeudesta, sillä mitä enemmän aallonpituudet ovat venyneet sen jälkeen, kun ne ovat lähteneet galaksista, sitä nopeammin avaruus on kasvanut. Siten voidaan määrittää, onko pimeä energia vaikuttanut samalla voimalla koko universumin olemassaolon ajan.

Verkkosilmä tähyää pimeään

Kansainvälinen tiedeyhteisö riemuitsi puuttuvan massan löytymisestä. Juhlat on kuitenkin jo juhlittu, ja nyt paiskitaan töitä: on aika kartoittaa kaikkeuden loppuosa.

Universumin massasta on 26,8 prosenttia niin sanottua pimeää ainetta. Vaikka tästä ei ole koskaan tehty suoria havaintoja, tiedetään, että sitä on olemassa. Galaksiryhmät kiertävät niin nopeasti, että galaksit syöksyisivät niistä sinne tänne, jollei näkymätön, pimeä massa pitäisi omalla painovoimallaan niitä radoillaan. Tavallinen aine ja pimeä aine vetävät painovoimallaan toisiaan puoleensa ja ovat vaikuttaneet rinnakkain kaikkeuden lapsuudesta asti, jolloin pimeän aineen kertymät kokosivat sitä vetykaasua, josta ensimmäiset galaksit syntyivät. Ilman pimeää ainetta galakseja ei siis olisi nykyään olemassa.

Pimeän aineen osuus galaksien ja galaksiryhmien kokonaismassasta on 85 prosenttia, mutta massasta voidaan nähdä vain 15 prosenttia.

Universumin palapelin suurin osa on kuitenkin pimeä energia. Pitkään oletettiin, että maailmankaikkeuden laajenemisen on täytynyt alkaa hidastua, koska painovoima pysäyttää ennen pitkää laajenemisen ja vetää kaiken taas kokoon.

Kaksi myöhemmin Nobelin fysiikanpalkinnon saanutta tutkimusryhmää teki kuitenkin vuonna 1998 mullistavan havainnon. Siinä tapauksessa, että painovoima on pysäyttämässä maailmankaikkeuden laajenemisen, kaukaisten supernovien pitää loitota jatkuvasti hitaammin.

Havaintojen mukaan asia oli päinvastoin: kaukaiset supernovat etääntyvät aina vain nopeammin. Maailmankaikkeuden laajeneminen siis kiihtyy. Laajenemista kiihdyttävän voiman tutkijat nimesivät pimeäksi energiaksi.

Samat tutkijat päätyivät siihen hämmästyttävään päätelmään, että energian osuus kaikkeudesta on 68,3 prosenttia. Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan energian ja massan välillä on yhteys. Lyhyesti sanottuna se tarkoittaa, että massa voi muuttua energiaksi ja energia massaksi. Esimerkiksi kun puu palaa, sen massa muuttuu energiaksi. Ja kun kokeessa on muutettu kaksi massatonta fotonia elektroniksi ja positroniksi, fotonien energia on muuttunut massaksi.

Toisin sanoen astrofysiikassa pimeällä "energialla" on kahtalainen merkitys – sen tiedetään vastaavan 68,3:a prosenttia universumin massasta. Sen sijaan siitä, mikä hylkivä voima on ja kuinka se vaikuttaa, ei ole aavistustakaan.

Uusi laite on valmis tutkimaan pimeää energiaa. DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) kartoittaa vuoteen 2025 mennessä 35 miljoonan galaksin liikkeet viimeisten 11 miljardin vuoden ajalta. DESIn "objektiivi" on eräänlainen verkkosilmä, joka koostuu 5 000 optisesta kuidusta.

Teleskooppi asetetaan tarkkailemaan yksi kerrallaan niitä alueita, joissa aikaisempien havaintojen mukaan on tutkittavia galakseja. Kaikki 5 000 kuitua säädetään kutakin aluetta varten erikseen, joten jokainen kuitu voi periaatteessa tarkkailla omaa galaksiaan. Havainnoitava alue kattaa taivaasta osan, joka on 38 kertaa niin suuri kuin täysikuu.

Toimintatapansa ansiosta DESI voi vastaanottaa valoa noin 5 000 uudesta galaksista 20 minuutin välein. Valonmittaukset välittyvät verkkosilmästä niin sanottuihin spektrografeihin, jotka määrittävät valon eri aallonpituudet ja siten myös värit. Mitä punaisemmaksi valo on muuttunut, sitä enemmän se on venynyt matkallaan kaukaisista galakseista Maahan.

Valon venymismäärä paljastaa kaksi asiaa: Maan ja galaksien välisen etäisyyden ja nopeuden, jolla galaksit etääntyvät Maasta.

Tutkijoiden on nyt mahdollista alkaa edetä pimeän energian ominaisuuksien paljastamisessa. Ensin määritetään, vaihteleeko se vai onko se vakio.

Tähänastisten tutkimusten valossa näyttää siltä, että tyhjiössä on aina sama määrä pimeää energiaa tiettyä tilavuutta kohti. Siispä syynä siihen, että pimeä energia alkoi 5–6 miljardia vuotta sitten kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista, oli se, että tyhjiö kasvaa jatkuvasti maailmankaikkeuden laajenemisen seurauksena.

Viime vuosien kosmologisissa tutkimuksissa on kuitenkin tehty joitakin keskustelua herättäneitä havaintoja, jotka vihjaavat päinvastaisesta: pimeä energia vaihtelee ja "väkevöityi", kun maailmankaikkeuden laajeneminen alkoi kiihtyä. Jos pimeä energia on vakio, se johtuu virtuaalihiukkasista, jotka häviävät melkein heti syntymänsä jälkeen.

Siinä tapauksessa, että energia vaihtelee, se voi koostua tuntemattomista voimahiukkasista. Jos arvoitus onnistuttaisiin ratkaisemaan, kyseessä olisi suurin mullistus kosmologian alalla yli 20 vuoteen – ja valtava harppaus kohti universumin massan ymmärtämistä.