Kuvittele, että olet merellä yöllä. Katsot ylös ja näet tuhansia tähtiä, kimaltelevia sumuja ja Linnunradan pehmeän hohtavan valon. Katsot kaukaisia galakseja, joista jokainen sisältää miljardeja aurinkoja. Entä jos kaikki, mitä näet, kaikki, mitä on koskaan havaittu kaukoputkella, pienimmästä kuusta kaukaisimpaan galaksijoukkoon, edustaa vain 15 % siitä, mitä todella on olemassa? Tämä on hämmästyttävä todellisuus, jossa fyysikot elävät. Loput 85 % kaikesta aineesta maailmankaikkeudessa on tuntematonta, täysin näkymätöntä ainetta, jota olemme nimenneet ”pimeäksi aineeksi”. Se on kaikkialla ympärillämme, kulkee läpi meidän kaikkien juuri nyt, mutta emme silti tunne sen luonnetta. Vuosikymmenten tuloksettomien etsintöjen jälkeen tilanne on muuttumassa. Tutkijat, jotka ovat joutuneet tarkistamaan strategioitaan, uskovat vihdoin tietävänsä, mistä ja miten tätä kosmista aavetta kannattaa etsiä.
Sisällysluettelo
Kiistaton todiste näkymättömästä
Kuinka voimme olla niin varmoja sellaisen olemassaolosta, jota emme näe? Vastaus on yksinkertainen: painovoima. Pimeä aine ei ehkä ole vuorovaikutuksessa valon kanssa, mutta sillä on massa. Ja massa, kuten Einstein opetti meille, vääristää avaruus-aikaa. Juuri sen painovoimavaikutus paljastaa sen.
Kaikki alkoi 1930-luvulla, kun sveitsiläinen tähtitieteilijä Fritz Zwicky tutki galaksijoukkoa Veronikan hiukset -tähtikuviossa. Hän huomasi, että galaksit joukon reunalla liikkuvat liian nopeasti. Gravitaation lakien ja hänen laskemansa näkyvän massan mukaan näiden galaksien olisi pitänyt lentää pois klusterista jo kauan sitten. Jotta ne pysyisivät yhdessä, oli oltava olemassa piilevää massaa, ”dunkla-ainetta”, joka toimi gravitaation sementtinä. Tuolloin hänen ajatuksensa jätettiin suurelta osin huomiotta.
Sitten, 1970-luvulla, astronomi Vera Rubin esitti kiistattoman todisteen. Hän tutki tähtien pyörimistä yksittäisissä spiraaligalakseissa, kuten naapurimme Andromedassa. Hän oletti, että tähdet reuna-alueilla pyörivät hitaammin kuin tähdet lähellä keskustaa, samalla tavalla kuin Pluto kiertää Aurinkoa hitaammin kuin Merkurius. Hän kuitenkin havaitsi, että tähdet reuna-alueilla pyörivät yhtä nopeasti tai jopa nopeammin kuin tähdet keskustassa. Tämä olisi mahdotonta, ellei koko galaksi olisi ympäröity jättimäisellä näkymättömällä aineen kehällä. Nämä ”tasaiset pyörimiskäyrät” muodostivat perustan pimeän aineen teorialla.
Siitä lähtien todisteita on tullut yhä enemmän. Näemme pimeän aineen vaikutuksen kaikkialla. Kun valo kaukaisesta galaksista liikkuu kohti meitä, sen lentorata taipuu massiivisten kohteiden painovoiman vaikutuksesta. Tämä on gravitaatiolinssiefekti . Astronomit havaitsevat vääristymiä, jotka ovat paljon voimakkaampia kuin mitä näkyvä aine voisi aiheuttaa. Olemme kirjaimellisesti kartoittaneet pimeän aineen halot havainnoimalla, kuinka ne vääristävät niiden takana olevien kohteiden valoa.
Mitä pimeä aine ei ole
Ennen kuin tutkijat yrittivät määritellä, mitä se on, heidän piti sulkea pois se, mitä se ei ole. Näkymätön universumi ei koostu vain siitä, mitä meidän on vaikea nähdä, kuten vaeltavista planeetoista, asteroideista tai muinaisista kylmän kaasun pilvistä. Nämä kohteet koostuvat samasta aineesta kuin me: ”baryoneista” (protonit ja neutronit). Suuren alkuräjähdyksen mallit ja kevyiden alkuaineiden (vety, helium, litium) runsaus maailmankaikkeudessa asettavat hyvin tiukat rajoitukset baryonimateriaalin määrälle. Tämä ”tavallinen” materia voi muodostaa vain noin 5 % maailmankaikkeuden kokonais tiheydestä. Materian (näkyvän ja pimeän) kokonaismassa on kuitenkin noin 30 %. Luvut eivät täsmää.
Pimeä aine ei myöskään voi koostua tähtien mustista aukoista tai ruskeista kääpiöistä. Tutkimusohjelmat, kuten MACHO-kokeilu (Massive Astrophysical Compact Halo Objects), ovat vuosien ajan haravoineet taivasta etsien mikrolinssiefektiä, jonka nämä kohteet voisivat aiheuttaa kulkiessaan tähden edessä. Joitakin niistä on löydetty, mutta niitä on liian vähän selittämään puuttuvaa 85 prosenttia.
Pimeä aine ei myöskään ole antimateriaa. Jos universumi olisi täynnä antimateriaa, se tuhoutuisi joutuessaan kosketuksiin tavallisen aineen kanssa ja luoisi jatkuvan gammasäteilyn virran, jonka voisimme havaita. Näin ei tapahdu. Siksi pimeän aineen on oltava jotain täysin uutta: hiukkanen tai hiukkasten perhe, joka ei kuulu hiukkasfysiikan ”standardinmalliin” – tähän laajaan luetteloon kaikesta, mitä tiedämme.
WIMP:n kulta-aika ja tuho
Lähes kolmekymmentä vuotta tiedeyhteisö on asettanut lähes kaikki toivonsa pääehdokkaaseen: WIMP:iin (heikosti vuorovaikuttava massiivinen hiukkanen). Idea oli houkutteleva. WIMP on raskaita hiukkasia, joita syntyi runsaasti alkuräjähdyksen aikana ja jotka olisivat vuorovaikutuksessa aineemme kanssa vain heikon vuorovaikutuksen (saman, joka ohjaa joitakin radioaktiivisia hajoamisia) ja gravitaation kautta.
Niiden olemassaolo selittäisi täydellisesti maailmankaikkeuden laajamittaisen rakenteen. Koska ne ovat raskaita ja hitaita (tai ”kylmiä”), niiden painovoima olisi mahdollistanut aineen tiivistymisen hyvin varhaisessa vaiheessa, muodostaen havaitsemamme kosmiset kuidut ja galaksien halot. Tämä skenaario, joka tunnetaan nimellä ”kylmä pimeä aine”, on vaikuttava menestys maailmankaikkeuden mallintamisessa.
Tämä hypoteesi aloitti poikkeuksellisen teknologisen etsinnän. Jos wimpit ovat olemassa, miljardeja tällaisia hiukkasia lentää joka sekunti Maan läpi. Ajoittain yhden niistä on törmättävä tavallisen aineen atomien ytimeen, kuin avaruuden biljardipallo. Tämän äärettömän pienen törmäyksen havaitsemiseksi fyysikot ovat luoneet hiljaisimmat ja herkimmät ilmaisimet, joita on koskaan rakennettu. Ne on haudattu useiden kilometrien syvyyteen maan alle, vanhoihin kultakaivoksiin tai vuorten alle, jotta ne ovat suojassa avaruussäteilyn jatkuvalta taustakohinalta.
Käynnistettiin kokeita, joilla oli ilmeikkäät nimet, kuten XENONnT Suomessa, PandaX Kiinassa ja LZ (LUX-ZEPLIN) Yhdysvalloissa. Niissä käytettiin valtavia säiliöitä, jotka oli täytetty erittäin puhtaalla nestemäisellä ksenonilla ja ympäröity tuhansilla antureilla. Tavoitteena oli nähdä pieni valonvälähdys, jonka aiheutti ksenonytimen törmäys WIMP:iin (langattoman häiriön ilmiö) . Vuosi vuodelta nämä ilmaisimet kasvoivat ja herkistyivät. Ja vuosi vuodelta tulos oli sama: haudanhiljainen. Yhtään WIMP:iä ei löydetty.
Tukipiste: mihin kukaan ei katsonut
Kyvyttömyys havaita WIMP-hiukkasia siellä, missä teorian mukaan niiden olisi pitänyt olla, syöksi tämän alan kriisiin. Mutta kriisi tieteessä ei ole loppu, vaan alku. Se pakottaa yhteisön luopumaan ennakkoluuloistaan ja etsimään täysin uusia polkuja. Tästä juontuu myös artikkelimme nimi: tutkijat uskovat vihdoin tietävänsä, mistä etsiä. Nyt he eivät etsi vain ”raskaita asioita”, vaan ”uskomattoman kevyitä asioita”.
Uusi pääepäilty on aksiini. Se on hypoteettinen hiukkanen, joka eroaa täysin wimpistä. Aksiinia ei keksitty selittämään pimeää ainetta. Se ehdotettiin 1970-luvulla ratkaisemaan vaikea ongelma hiukkasfysiikassa standardimallin puitteissa, joka tunnetaan nimellä ”voimakas CP-ongelma”. Aksioni oli elegantti ratkaisu tähän arvoitukseen. Vuosien kuluttua teoreetikot ymmärsivät, että jos tämä hiukkanen on olemassa, sen olisi pitänyt muodostua astronomisina määrinä alkuräjähdyksen aikana ja onnekkaiden olosuhteiden ansiosta se voisi muodostaa kaiken pimeän aineen.
Toisin kuin raskas yksittäinen wimp, aksiini olisi uskomattoman kevyt, miljardeja miljardeja kertoja kevyempi kuin elektroni. Siksi törmäyksiä ei olisi. Pimeä aine olisi kaikkialla läsnä oleva ”kenttä”, näkymätön aalto, joka täyttää maailmankaikkeuden.
Aksionin havaitseminen vaatii täysin erilaisen havaitsemisstrategian. Sen sijaan, että kuunneltaisiin ”tönäisyä”, tavoitteena on muuttaa aalto joksikin näkyväksi. Teoria ennustaa, että jos aksioni kulkee erittäin voimakkaan magneettikentän läpi, sillä on pieni mahdollisuus muuttua… fotoniksi, eli valoksi.
Juuri tämä periaate on perustana kokeille, kuten ADMX-kokeelle (aksionimaisen pimeän aineen koe) Washingtonin yliopistossa. ADMX on pohjimmiltaan korkean teknologian ”radio”, joka on tarkoitettu pimeän aineen havaitsemiseen. Se käyttää massiivista suprajohdemagneettia ja resonanssikammioa, joka on jäähdytetty lähes absoluuttiseen nollapisteeseen. Tutkijat ”virittävät” hitaasti tämän radion taajuutta toivoen löytävänsä tarkan taajuuden, joka vastaa aksionin massaa. Jos he onnistuvat löytämään sen, he kuulevat pienen ylimääräisen tehon , ”huminan” avaruuden hiljaisuudessa: äänen, joka kertoo pimeän aineen vihdoin paljastuneen.
Muut epäillyt syytettyjen penkillä
Etsintä on alkanut. Aksioni on suosikki, mutta ei ainoa. Muita ideoita, joita aiemmin pidettiin marginaalisina, otetaan nyt hyvin vakavasti.
Jotkut fyysikot tutkivat ”pimeiden fotonien” ideaa. Aivan kuten meidän aineemme vuorovaikuttaa fotonien (valon) välityksellä, pimeällä aineella on mahdollisesti oma voimansa ja oma ”pimeä fotoni”. Se olisi portti koko ”pimeään sektoriin”, rinnakkaiseen universumiimme, joka vuorovaikuttaisi kanssamme vain hyvin heikosti, gravitaation välityksellä.
Toiset etsivät ”steriilejä neutriinoja”. Tunnemme kolme tyyppiä neutriinoja, näitä haamupartikkeleita, jotka kulkevat miljardien joukoissa lävitsemme. Steriilit neutriinot ovat neljäs tyyppi, vieläkin vaikeammin havaittavissa, jotka ovat vuorovaikutuksessa vain gravitaation välityksellä. Jos ne ovat riittävän raskaita, ne voivat olla pimeää ainetta.
Ja sitten syntyy radikaalein idea: entä jos pimeää ainetta ei olekaan olemassa? Pieni osa fyysikoista tutkii ”modifioidun gravitaation” teorioita, joista tunnetuin on MOND (modifioitu Newtonin dynamiikka). Tämä teoria olettaa, että puuttuvaa ainetta ei ole olemassa, vaan Einsteinin ja Newtonin painovoimalait ovat puutteellisia. Hyvin suurissa mittakaavoissa tai hyvin pienillä kiihtyvyyksillä (esimerkiksi galaksien reuna-alueilla) painovoima olisi yksinkertaisesti voimakkaampi kuin ennustettiin. MOND selittää loistavasti galaksien pyörimiskäyrät ja Vera Rubinin arvoituksen. Teoria selittää kuitenkin huonosti suuremmassa mittakaavassa tehdyt havainnot, kuten galaksijoukkojen rakenteen tai reliktiivisen kosmisen säteilyn tiedot, jotka ovat ensimmäinen jälki alkuräjähdyksestä.
Ymmärtää 85 %, jotta voi ymmärtää 100 %
Tämä tutkimus ei ole pelkkä akateeminen harjoitus. Pimeä aine ei ole pelkkä lisäys maailmankaikkeuteen, vaan sen arkkitehti. Tavallinen aine, oma aineemme, on liian kevyt ja liian kuuma tiivistymään itsensä sisään Big Bangin jälkeen ja muodostamaan rakenteita, jotka näemme. Juuri pimeän aineen gravitaatiokuoppa, tämä jättimäinen näkymätön runko, veti puoleensa ja keräsi tavallisen aineen, antaen sen muodostaa ensimmäiset tähdet ja ensimmäiset galaksit.
Ilman pimeää ainetta ei olisi galakseja. Ei olisi Linnunrataa. Ei olisi aurinkoa. Ei olisi maata. Eikä siten olisi ihmisiä, jotka voisivat esittää kysymyksiä universumille. Näiden näkymättömien 85 %:n luonteen ymmärtäminen on ymmärrys olemassaolomme perusteista.
Tilannetta monimutkaistaa entisestään se, että pimeä aine (85 % kaikesta aineesta ) itsessään on vain osa mysteeriä. Kaikki näkyvä ja pimeä materia muodostaa vain noin 30 % kaikesta universumin energiasta. Loput 70 % koostuu vieläkin oudommasta ”pimeästä energiasta” – repäisevästä voimasta, joka kiihdyttää universumin laajenemista. Mutta se on jo toinen tarina.
Tänään tämä metsästys on jännittävämpää kuin koskaan. Epäonnistuminen wimpien löytämisessä ei ollut loppu, vaan luvun loppu. Se avasi oven uuteen luovuuden aikakauteen, uusiin kokeiluihin ja uusiin ideoihin. Huomio aksiomeihin ja muihin eksoottisiin ehdokkaisiin tarkoittaa, että ensimmäistä kertaa saatamme todella etsiä oikeasta paikasta. Aave, joka on vaeltanut avaruudessa lähes vuosisadan, ei ole koskaan ollut näin lähellä paljastumista.
