Ymmärrä pimeä aine 6 minuutissa

Pimeä aine on universumin suuri arvoitus. Lähes 100 vuoden tutkimusten jälkeenkään siitä ei ole nähty jälkeäkään – siitä huolimatta, että sen olemassaolo kyetään mittaamaan. Tästä voit lukea lisää pimeästä aineesta.

Pimeä aine on universumin suuri arvoitus. Lähes 100 vuoden tutkimusten jälkeenkään siitä ei ole nähty jälkeäkään – siitä huolimatta, että sen olemassaolo kyetään mittaamaan. Tästä voit lukea lisää pimeästä aineesta.

Shutterstock

Universumi ei koostu vain tähdistä, planeetoista ja galakseista. Mukana on myös outo osapuoli, pimeä aine.

Outoa asiassa on se, että mittauksilla on voitu osoittaa pimeän aineen olemassaolo, mutta vieläkään ei tiedetä, mistä se koostuu, koska kukaan ei ole nähnyt sitä.

Tiedemaailma on etsinyt vastausta jo lähes 100 vuotta – toistaiseksi tuloksetta.

© M. Montes (University of New South Wales, Sydney, Australia)/ESA/NASA

Pimeä aine numeroina

Tähtitieteilijät tutkivat pimeää ainetta. Kaikki Aurinkokunnan pimeä aine painaa luultavasti noin 100 biljoonaa tonnia.

Tutkimus

Vuonna 2012 Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen Cernin hiukkaskiihdytin Large Hadron Collider (LHC) todisti Higgsin bosonin olemassaolon, joka sitä ennen oli ollut vain matemaattinen hypoteesi.

Nyt Cern aikoo kehittää uuden, paljon suuremman, kiihdyttimen todistamaan pimeän aineen olemassaolon.

Uusi kiihdytin, Future Circular Collider (FCC), on pituudeltaan 100 kilometriä, kun nykyisen LHC:n tunneli on vain 27 kilometriä.

Valtavan FCC:n tarkoitus on törmäyttää protoneja yhteen seitsenkertaisella voimalla verrattuna LHC:hen.

100-kilometrisen uuden tunnelin toivotaan tuovan pimeän aineen esiin törmäyttämällä protoneja.

© A. Pantelia/cern

Vallitsevan oletuksen mukaan pimeä aine koostuu superraskaista hiukkasista, jotka vaativat suunnattoman suuren voiman iskeytyäkseen toisiinsa ja luodakseen sellaisia yhteentörmäyksiä, jotka voisivat tarjota tutkijoille välähdyksen salaperäisestä pimeästä aineesta.

Tämänhetkisen suunnitelman mukaan Future Circular Collider on valmis vuonna 2035. Sen hinta on noin 24 miljardia euroa.

Virstanpylväät

Vuonna 1933 julkaistiin ensimmäinen teoria pimeästä aineesta. Sittemmin ilmiöstä on saatu tietoja teleskoopeilla ja hiukkasilmaisimilla.

1933: Galaksijoukosta tuntui puuttuvan jotakin

Astrofyysikko Fritz Zwicky havaitsi, että Coman galaksijoukon massa ei oikeastaan riittänyt pitämään joukkoa kasassa. Pelissä täytyi olla muutakin.

© L. Jenkins (GSFC)/JPL-Caltech/NASA

1978: Pimeä aine vaikuttaa kierteisgalakseihin

Kaksi amerikkalaistutkijaa huomasi, etteivät kierteisgalaksit kierrä Keplerin lakien mukaisesti. He vahvistivat idean "pimeästä aineesta”.

© ESA/Hubble

2006: Galaksien kolarista ilmeni outo painovoima

Kun Chandra-teleskooppi kuvasi Bullet Cluster -kaksoisgalaksijoukon törmäystä, saatiin todiste siitä, että joukkoja hallitsee pimeän aineen painovoima.

2008: Hubble toi asiaan lisävalaistusta

Hubble-teleskooppi löysi todisteen pimeästä aineesta, kun sen havainnot osoittivat, että pimeä aine taivuttaa Abell 2218 -galaksin valoa.

© NASA

2012: Taittunut valo paljasti pimeän aineen

Kanadalaistutkijat tarkkailivat pimeän aineen painovoiman vaikutusta galaksien valon taittumiseen ja laativat toistaiseksi laajimman kartan ilmiöstä.

© M. Postman (STScI) and the CLASH Team/ESA/NASA

2013: ISS:llä ehkä havaittiin pimeää ainetta

Eräs teoria esittää, että positroneiksi kutsuttuja hiukkasia syntyy pimeän aineen törmäyksissä. Vuonna 2013 ISS rekisteröi 400 000 positronia.

© NASA

2019: Hiukkaskiihdytin karsii ehdokkaita

Yhdysvaltalainen hiukkaskiihdytin ABRACADABRA poisti hypoteettisen alkeishiukkasen, aksionin, pimeän aineen ehdokkaiden luettelosta.

© MIT

Tulevaisuus

Laitteet tarkkailevat pimeää ainetta kilometrien syvyydessä

Yksi yleisistä teorioista esittää pimeän aineen koostuvan raskaista hiukkasista, joita kutsutaan nimellä weakly interacting massive particle eli WIMP.

Aiemmin tutkijat ovat yrittäneet todistaa WIMPien olemassaolon, mutta se ei ole onnistunut. Kolme hiukkasilmaisinta ryhtyy nyt selvittämään asiaa.

Yhdysvalloissa, Kanadassa ja Kiinassa on sijoitettu erittäin herkkä hiukkasilmaisin useiden kilometrien syvyyteen maanpinnan alle. Näiden kolmen ilmaisimen on määrä todistaa pimeän aineen olemassaolo etsimällä teoreettisia, käsittämättömän pieniä ja minimaalisesti vuorovaikuttavia hiukkasia.

© PandaX/Shanghai Jiao Tong University

Kiinalainen maanalaislaboratorio hyödyntää jalokaasua WIMPien etsinnässä

Sichuanissa Kiinassa on maailman syvin maanalaislaboratorio. Siellä PandaX-hankkeessa työskentelevät tutkijat yrittävät eri tavoin selvittää pimeän aineen olemusta. Uusi, PandaX-xT-niminen, ilmaisin alkaa vuonna 2020 etsiä WIMPejä jalokaasu ksenonin avulla, sillä hiukkasten oletetaan vuorovaikuttavan ksenonin atomiydinten kanssa.

© Nick Hubbard/Sanford Underground Research Facility

Herkkä ilmaisin kultakaivoksessa

Syvällä maan alla vanhassa kultakaivoksessa Etelä-Dakotassa WIMPejä saalistaa LUX-ZEPLIN, maailman herkin hiukkasilmaisin. Ilmaisin jäähdytetään 100 pakkasasteeseen ja täytetään nestemäisellä ksenonilla. Kun kaasu reagoi WIMPien kanssa, ilmaisin tuottaa pienen valonvälähdyksen.

© SLAC/Fermilab

Värähtely kertoo universumin rakennusaineista

Kanadalainen hiukkasilmaisin SuperCDMS mittaa vuodesta 2020 WIMP-hiukkasten värähtelyjä, kun ne törmäävät −273 asteeseen jäähdytettyjen germaniumkiteiden atomiytimiin.