Alkuräjähdyksestä pimeään aineeseen

Olen yllättänyt asiasta, josta Katherine Freese kirjassaan kirjoittaa ja josta on jo kuitenkin pidempään keskusteltu tiedemaailmassa, olemme oppineet sen, että nykyinen tunnettu maailmankaikkeus on muodostunut alkuräjähdyksessä noin 13.8 miljardia vuotta sitten. Albert Einsteinin suhteellisuusteoria vuodelta 1915 on selvittänyt lukuisia asioita ja viimeksi empiirisesti havaittiin asia, joka hänen teorian mukaan oli mahdollista olla olemassa, musta-aukko onnistuttiin valokuvaamaan ensimmäistä kertaa 10.04.2019;

 DR Katherine Freese Professori Michiganin yliopistosta kertoo kirjassaan Kosminen Cocktail, siitä kuinka hän on ollut lukuisissa projekteissa tutkimassa tätä ainetta, jota kutsutaan pimeäksi aineeksi. Tähtitieteilijät ovat tehneet havaintoja gravitaatiolinssien avulla pimeästä aineesta galaksijoukoissa, hän kertoo kuinka NASA:n Hubble avaruusteleskooppi on tuottanut ällistyttäviä kuvia kaukaisesta maailmankaikkeudesta, galaksijoukko toimi linssinä kaukaisemman galaksin valolle, joka toimi "valaisevana taskulamppuna" ja tuotti useita kuvia taustalla olevasta galaksista. Linssivaikutuksen ansiosta tutkijat pystyivät rekunstroimaan galaksijoukossa piilevän pimeän aineen. Alan varhaiset tutkijat päätyivät päätelmään, maailmankaikkeudesta on oltava eksoottista ainetta, jota on nyttemmin kutsuttu pimeäksi aineeksi ja pimeäksi energiaksi. Päätelmät edelsivät muutamalla kymmenellä vuodella kosmisesta mikroaaltotaustasta tehtyjä tarkempia mittauksia, jotka varmistivat atomeista koostuvan aineen osuudeksi 5 % maailmankaikkeuden sisältämästä kokonaismassasta.

Einstein suosi ajatusta staattisesta maailmankaikkeudesta, koska piti symmetriasta yksinkertaisuuden vuoksi, mutta tässä tapauksessa hän ei ollut oikeassa, hänen oli pakko lisätä yleisen suhteellisuusteoriansa  yhtälöihin kosmologiseksi vakioksi kutsuttu termi. Edwin Hubble vuonna 1929 Hooker teleskoopilla teki Mount Wilsonin observatoriolla Kaliforniassa havainnon maasta eri etäisyyksillä  olevien galaksien valoa ja havaitsi, että galaksien lähettämät aallonpituudet olivat siirtyneet tai venyneet kohti punaista saapuessaan teleskooppiin. Hubble päätteli havaitun datan selittämiseksi, että maailmankaikkeuden on laajennuttava. Hubblen laajenemisen seurauksena galaksit näyttävät liikkuvan poispäin toisistaan. Hubble teki havainnon, että mitä kauempana galaksi on maasta, sitä nopeammin se näyttää loittonevan. Hän teki siitä matemaattisen kaavan, joka tunnetaan nykyisin Hubblen lakina: v=Hd, missä v on nopeus, d havaittavan galaksin etäisyys meistä ja H maailmankaikkeuden laajenemisnopeus, joka tunnetaan Hubblen vakiona (Freese). Myöhemmin tähtitieteilijät onnistuivat määrittämään maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden tarkemmin Hubblen vakioksi arvon noin H=70 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohti, megaparsek on noin 3 miljoonaa valovuotta, joka on tyypillinen kahden suuren galaksin välinen etäisyys Feesen mukaan.

Maailmankaikkeuden kaarevuuden, massan ja energiatiheyden määrittäminen pyrittiin  1920 luvulta alkaen selvittämään, silloin päädyttiin geometrisen muotoon; maailmankaikkeus on laakea, sillä vain se saattoi olla riittävän pitkäikäinen, jotta galaksit saattoivat muodostua ja elämä kehittyä. Tähtitieteilijät eivät kuitenkaan pystyneet löytämään maailmakaikkeudesta riittävästi ainetta, että sen geometria olisi laakea. Kosmologien mukaan varhainen maailmankaikkeus koostui alkeishiukkasista kvarkeista, elektroneista, neutriinoista, mittabosoneista ja pimeän aineen hiukkasista. Suurin osa tavallisesta aineesta koostuu ylös- ja alas-kvarkeista sekä niitä yhdessä pitävistä gluoneista eli liimahiukkasista. Varhaisen maailmankaikkeuden nukleosynteesissä syntyneiden alkuaineiden suhteelliset osuudet voidaan ennustaa yksityiskohtaisesti tietokoneohjelmalla. Varhaisessa maailmankaikkeudessa syntynyt atomeista koostuva aine sisälsi enimmäkseen vety-ytimiä(protoneja), 25 % helium-4:ää, kymmenestuhannesosan helium-3:a ja deuteriumia sekä hyvin vähän litium-7 ytimiä. Useat kokeelliset tulokset ovat vahvistaneet, että atomeista koostuva ainetta on vain 5 prosenttia maailmankaikkeuden kokonaissisällöstä, siis se mikä on näkyvää ja kiinteätä. loput 95 prosenttia on arvoitus. "Nimitys pimeä aine" johtuu siitä, että se ei säteile valoa.

Pimeä aine synnyttää painovoiman, joka pitää havaitsemamme galaksit ja galaksijoukot koossa. Sen painovoiman vaikutus näkyy kaikkialla, ilman sitä galaksit eivät olisi voineet muodostua, mutta mistä se koostuu, mahdollisia ehdokkaita, joiden olemassaolo tunnetaan olisi kivet, pöly, antimateria, neutriinot, himmeät tähdet tai mustat aukot tai jokin muu.

Tutkimusten jälkeen on käynyt selväksi, että kiviä, kaasua ja pölyä ei esiinny riittävän paljon, että ne ratkaisivat pimeän aineen ongelman; minkäänlainen atomeista koostuva aine ei voi selittää kaikkea pimeää ainetta ja aiemmin todettiin, että havainnot kosmisesta mikroaaltotaustasta rajoittavat atomeista koostuvan aineen osuudeksi korkeintaan 5 prosenttia, niin pimeän aineen osuudeksi saadaan 26 prosenttia.

Kun kosminen mikroaaltotausta löydettiin, kuuman alkuräjähdyksen mallilla, oli muitakin kilpailijoita. Kylmän alkuräjähdyksen mallissa maailmankaikkeus laajeni ulospäin tiiviistä alkutilasta, joka oli kylmä,  Nykyisen kosmisen mikroaaltotaustan lämpötilaksi on mitattu 2,76 K = -270,39 C astetta  maailmankaikkeuden laajenemisen takia mikroaaltotausten fotonien aallonpituudet ovat pidentyneet, niiden aallonpituus on noin muutama senttimetri, ne aiheuttavat muunmuuassa kohinan televisioruudulle.

Antimateria Jokaista maailmankaikkeuden hiukkasta vastaa jokin antihiukkanen. Tätä antimateriaa tiedetään olevan kaikkialla, mikä on maailmankaikkeuden antimaterian kokonaismäärä? Antimateria koostuu antikvarkeista samoin kuin aine koostuu kvarkeista, antihiukkaset ovat hiukkasille kaksosia, mutta niillä on sama massa ja spin( alkeishiukkasen ominaisuus ikäänkuin sisäinen pyörimisnopeus, alkeishiukkanen Higgsin bosoni, sana viittaa hiukkasen spiniin, bosonin spin on kokonaisluku) mutta ne ovat muuten vastakkaisia, vastakkaiset sähkövaraukset, värivaraukset, pitävät vahva voiman vaikutuksessa, vastakkaiset arvot kvanttiluvuiksi. Antimaterian olemassaolo on todennettu, sitä on käytetty tieteisfantasioissa. Antimateriaa voidaan tuottaa myös Maassa hiukkaskiihdyttimessä, kun hiukkaset kohtaavat antihiukkasensa, ne annihiloituvat -  muuttuvat toiseksi, syntyy uusia hiukkasia. Annihilaation tulos saattaa olla joko uusi hiukkas-antihiukkaspari tai kaksi fotonia, vaihtoehtoisesti myös kvarkki-antikvarkkipari. Vapautuva energia määräytyy säilymislakien mukaan, syntyvien  Fotonien yhteenlaskettu energia vastaa Einsteinin kuuluisasta yhtälöstä E=mc² saatavaa energiaa.

Neutriinot:   Neutriinot löydettiin 1956, ovat keveitä, sähkövarauksettomia hiukkasia, niihin vaikuttaa painovoiman lisäksi heikko vuorovaikutus. Neutriinoja pidettiin parhaana ehdokkaana pimeäksi aineeksi, ne eivät sisälly 5 prosenttiin ainetta. Protonien massa on noin 1 GeV eli miljardi eV niin neutriinojen massa olisi 100  eV, eli vastaisi pimeän aineen määrää maailmankaikkeudessa, mutta tarkempien määritysten jälkeen huomattiin, että neutriinot ovat liian keveitä ollakseen riittäviä  pimeään aineeseen. 

"Musta aukko on äärimmäisen tiheä aika-avaruuden massakeskittymä. Siinä painovoima on niin voimakas, ettei yksikään hiukkanen tai edes sähkömagneettinen säteily pysty pakenemaan alueelta. Mustaa aukkoa ympäröivää rajaa, jonka takaa pakeneminen on mahdotonta, kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Nykykäsityksen mukaan mustan aukon sisustaa ja sen tapahtumia on mahdotonta tutkia, sillä mikään informaatio ei pysty pakenemaan sieltä". Asian voi jotenkin ymmärtää, että monen auringon massa luhistuu pienemmäksi kuin nuppineulan pää, tiheys on niin valtava samoin massan painovoima, ei kenelläkään tai millään riitä energiaa voittaa sitä painovoimaa liikkuakseen tai nousta sieltä pois)

Wikipedian mukaan Englantilainen geologi John Michell pohti vuonna 1784 ajatusta mustien aukkojen kaltaisista kappaleista. Häneltä luultavasti sai vaikutteita Pierre-Simon Laplace, joka teoksessaan Exposition du système du Monde(1796, 'Maailmanjärjestelmän esitys') esitti maininnan ”taivaankappaleesta, jonka vetovoima voisi olla niin suuri, että valo ei voi virrata siitä ulos”. Ensimmäisenä termiä ”musta aukko” käytti fyysikko John Wheeler vuonna 1967. Mustien aukkojen teoriaa huomattavasti kehittäneen professori Stephen Hawkinin mukaan musta aukko on eräänlainen reikä aika-avaruudessa.

Freese ennusti tutkijatovereidensa kanssa uuden "pimeäksi tähdeksi" kutsuman tähtityypin olemassaolon, he otaksuivat, että ensimmäiset maailmankaikkeudessa muodostuneet tähdet saivat energiansa fuusioreaktioiden sijaan pimeän aineen annihilaatiosta. Vaikka tähdet koostuivatkin pääosin vedystä ja heliumista, niiden sisältämä pimeä aine saattoi toimia niiden energialähteenä. Pimeät tähdet saattoivat kasvaa valtavan suuriksi, jopa 10 miljoonan auringonmassaisiksi ja kun nämä tähdet kuolivat, luhistuivat ne mustiksi aukoiksi, jotka toimivat supermassiivisten mustien aukkojen edeltäjinä. Toinen mustien aukkojen luokka koostuu massiivisten tähtien luhistuessa syntyneistä mustista aukoista, lukumäärästä ei ole varmuutta, monet saattavat sijaita galakseissa mutta kun ne kuitenkin koostuvat atomeista niin niiden osuus maailmankaikkeuden massasta voi olla korkeintaan muutama prosentti, mikä ei riitä pimeäksi aineeksi.

Vuorollaan eri vaihtoehtoja kosmologit pohtivat; hiukkasfyysikot ovat ehdottaneet lukuisia mahdollisuuksia pimeäksi aineeksi edellämainittujen lisäksi WIMPit, aksionit, steriilit neutriinot, WIMZILLAt ja kaksi parhaiten sopiviksi ehdokkaiksi on päädytty WIMPit ja aksionit.

Aksionit, ne ovat hypoteettisia hiukkasia, jotka syntyvät kvanttiväridynamiikan eli vahvan vuorovaikutuksen teorian moderneista muunnelmista.

Useiden fyysikoiden mielestä vahvin ehdokas pimeäksi aineeksi on heikon vuorovaikutuksen massiiviset hiukkaset. WIMPit (Weakly Interacting Particle)"Massiivinen" viittaa niiden aika suureen massaan, noin tuhat kertaa protonien massa, heikosti vuorovaikuttava viittaa siihen, että painovoiman lisäksi niihin vaikuttaa vain heikko vuorovaikutus, jos teoria on oikeassa miljardit WIMPit saattavat kulkea ruumiidimme läpi joka sekunti ilman, että huomaamme sitä. Luonnossa vaikuttaa neljä perusvoimaa; painovoima, sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus. Painovoima pitää meidän Maan pinnalla, planeetat kiertävät aurinkoa ja kotigalaksimme massa pysyy kasassa. Kirjailijan mukaan "aineeseen". vaikuttaa painovoima ja pimeä aine sopii tähän kategoriaan. Sähkömagneettinen vuorovaikutus synnyttää vetovoiman elektronien ja protonien välille ja kiinnittää  esim.magneetit  jääkaappiin, vahva vuorovaikutus pitää atomiytimen sisällä protoneja ja elektroneja yhdessä (Atomin ytimessä protonien välillä on hyvin voimakas sähköinen poistovoima ja nukleonit ovat nopeassa liikkeessä. Silti ydin pysyy koossa. Protoneja sitoo toisiinsa vahva vuorovaikutus (värivoima). Se aiheuttaa vetovoiman myös neutronien välille samoin kuin neutronin ja protonin välille.)Wiki Pimeään aineeseen eivät vaikuta vahva eikä sähkömagneettinen vuorovaikutus, vaan johtopäätösten mukaan heikko vuorovaikutus. Edellä mainittu on tärkein syy kirjailijan mukaan, että  WIMPit ovat parhaana vaihtoehtona pimeäksi aineeksi, koska nämä hiukkaset tuntevat painovoiman lisäksi vain heikon vuorovaikutuksen. Heikko vuorovaikutus määräsi annihilaatioprosessin voimakkuuden, maailmankaikkeuden alkuaikoina nämä hiukkaset vaelsivat osana "alkulientä", törmäilivät tiuhaan muiden hiukkasten kanssa, monet WIMPit ovat omia antihiukkasiaan ja monet hiukkasparit annihiloituvat kuumassa ja tiheässä ympäristössä.  Maailmankaikkeus  jäähtymisen jälkeen laajeni koko ajan ja vuorovaikutustapahtumat kävivät harvinaisemmaksi, jäljelle jäänyt WIMPien lukumäärä määräytyy annihilaatioita kontrolloivasta heikosta vuorovaikutuksesta. Teoriaa pidetään onnistuneena, koska jäljellä olevat WIMP hiukkaset vastaavat täysin oikeaa määrää pimeän aineen ongelman ratkaisemiseksi.

Toinen merkittävä tekijä WIMP ehdokkuudelle on niiden mahdolliset ylimääräiset ulottuvuudet. Kirjailijan mukaan Säieteoria on tämän ajatuksen moderni versio, joka pyrkii yhdistämään kaikki neljä luonnonvoimaa yhdeksi teoriaksi. Tässä teoriassa säikeet ovat maailmankaikkeuden perusrakenneosia ja tuntemamme hiukkaset ovat näiden säikeiden värähtelyä. Säieteoria toimii vain, jos maailmankaikkeus on kymmenenulotteinen, joista kuusi on uusia avaruudellisia ulottovaisuuksia, me tunnemme kolme avaruudellista ulottuvuutta; pituus, leveys ja korkeus ja aikaa pidetään neljäntenä ulottovuutena. 

Pimeän aineen löytämiseen uskotaan olevan mm. WIMPien annihilaatiossa syntyvät fotonit, neutriinot ja elektroni-positroniparit. Annihilaation  seurauksena ne synnyttävät viestinviejähiukkasia, useat kokeet keräävät dataa viestinviejäsignaaleista, epäsuoraan havainnointiin perustuvissa kokeissa on saatu tuloksia, jotka saattavat kertoa pimeästä aineesta. 

Pimeän aineen lisäksi ihmetystä herättää pimeä energia, kaikki aine atomit ja pimeä aine mukaan lukien kattaa vain kolmanneksi maailmankaikkeuden kokonaissisällöistä, jäljelle jäävät kaksi kolmasosaa luomakunnasta koostuvat tästä pimeästä energiasta. Massa vetää puoleensa massoja, tämä painovoiman ominaisuus pitää galakseja ja galaksijoukkoja koossa ja estää meitä leijailemasta avaruuteen, pimeä energia toimii painovoimaa vastaan ja tuottaa hylkimisvoiman, joka saa maailmankaikkeuden laajenemaan kiihtyvällä nopeudella. Tutkijat ovat tienneet vuodesta 1920, että maailmankaikkeus laajenee, mutta että se laajenee kiihtyvällä nopeudella tuotti yllätyksen ja tarpeen löytää siihen vaikuttavan voiman, jota nyt kutsutaan pimeäksi energiaksi. Siis tähän asti tuntemamme atomeista koostuva kiinteä aine on määrältään 5 %, pimeä aina 26 % ja pimeä energia 69 %.

Yllä esitetty aines perustuu kaikki kirjaan Kosminen Coctail Katherine Freesen tutkimana ja kirjoittamana. Tämä kirjan aihe tietenkin kiihottaa mielikuvitusta  ja mieleen tuli ensin se, onko mahdollista, että alkuräjähdys olisikin pulpahtanut alueelle, jossa olisi ollut jo valmiina tämä pimeä aina ja energia? ja kuinka ollakaan siitäkin löytyi tutkimusainesta, joka julkaistiinTekniikan Maailmassa 8.8.2019 :NYT KESKIVIIKKONA Physical Review Letters -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa esitetään jälleen yksi kiintoisa teoria pimeästä aineesta. Johns Hopkinsin yliopiston tutkimuksessa väitetään, että pimeää ainetta on saattanut olla olemassa jo ennen alkuräjähdystä.

”Jos pimeä aine koostuu hiukkasista, jotka ovat syntyneet ennen alkuräjähdystä, ne vaikuttaisivat galaksien jakautumiseen ainutlaatuisella tavalla. Tätä yhteyttä voidaan käyttää niiden olemuksen paljastamisessa, ja siitä voidaan tehdä myös johtopäätöksiä ajasta ennen alkuräjähdystä”, sanoo tutkimuksen tekijä Tommi Tenkanen John Hopkinsin yliopistosta.

Tutkimuksessa esitetään uusi yksinkertainen matemaattinen kehys, jonka puitteissa voidaan todistaa, että pimeä aine on ehkä syntynyt ennen alkuräjähdystä, kun avaruus laajeni hyvin nopeasti. Alkuräjähdyksellä viitataan tuntemamme maailmankaikkeuden syntyyn, mutta sitä on edeltänyt kosminen inflaatio, jolloin maailmankaikkeudessa ei ollut ainetta, mutta jolloin avaruus laajeni nopeasti.

Tämä nopea laajentuminen on ehkä johtanut siihen, että on syntynyt paljon skalaari-tyyppisiä hiukkasia. Tähän mennessä skalaari-hiukkasia on löytynyt vain yksi, kuuluisa Higgsin bosoni.

”Me emme tiedä, mitä pimeä aine on, mutta jos se liittyy mitenkään skalaarihiukkasiin, se voi olla alkuräjähdystä vanhempi. Esitetyn matemaattisen skenaarion avulla meidän ei tarvitse tehdä oletuksia uudenlaisista kanssakäymisistä näkyvän ja pimeän aineen välillä, jos ei lasketa painovoimaa, jonka vaikutus jo tunnetaan”, Tenkanen sanoo.

Itse jäin ihmettelemään sitä, että kun pimeä ainetta ja energiaa on kaikkialla, tarkoittaako se sitä, että sitä on myös täällä Maassa ja että itse olisimme osa sitä. Sekin tarkoittaisi sitä, että itsekin olen vain 5 prosenttia tätä näkyvää itseeni liittyvää ainekokonaisuutta, joka näkyy peilissä ja loput on sitä pimeää ainetta ja energiaa, jota ei siis näe tai tunne.  Tuli mieleen ajatus, voisiko esimerkiksi koira sen aistia, ainakin eläin reagoi kaikkeen sellaiseen, mitä me emme näe ja joskus koemme harvoin, sekin saattaisi olla ainakin samankaltaista kuin pimeä aine tai energia? Joka tapauksessa meistä näkyvä osa koostuu hapesta, vedystä, typestä ja hiilestä. Atomi siis koostuu ytimestä ja sitä kiertävästä elektroneista, jotka taas ovat niin pieniä, ne eivät käytännössä vie lainkan tilaa, kun aine on keskittynyt atomin ytimiin. Ytimen vievä tila atomista on prosentin kymmenestuhannesmiljardisosa, loppu on tyhjää tilaa, jossa elektronit liikkuvat. Näin laskettuna ihmisen tilavuudesta on prosentin kymmenestuhannesmiljardisosa vaille sata prosenttia tyhjää tilaa, eli siis olemme muutenkin tyhjää täynnä. 

Arja Kolehmainen 09.01.2020 Helsinki

Lähde: Kosmimen Cocktail; Katherine Freese, Wikipedia, Tekniikan Maailma; John Hopkinsin yliopisto, Tiede.fi fysiikanprofessori Jukka Maalampi Jyväskylän yliopistosta