Pimeä aine

ja pimeä energia

Pimeä aine ja pimeä energia

Kosmisen taustasäteilyn ja kevyiden alkuaineiden määräsuhteiden lisäksi kolmas merkittävä alkuräjähdysteoriaa tukeva havainto on maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen. Tätä selitetään yleisessä suhteellisuusteoriassa niin kutsutun pimeän energian avulla. Tutustutaan sen ominaisuuksiin seuraavaksi, aloitetaan kuitenkin pimeän aineen tarkastelulla.

Pimeä aine

Kaikki aine, jonka pystymme näkemään, pystytään kuvaamaan erittäin hyvin jo mainituilla malleilla. On kuitenkin havaittu, että maailmankaikkeudessa täytyy olla myös sellaisia asioita, joita emme näe "normaalilla tavalla" eli valon avulla. Ainetta, joka ei heijasta valoa, mutta jonka aiheuttaman gravitaatiovuorovaikutuksen olemme pystyneet mittaamaan, kutsutaan pimeäksi aineeksi.

Emme tiedä mistä pimeä aine koostuu, mutta useat havainnot tukevat sen olemassaoloa:

1. Tarkastelemalla galaksien pyörimistä on huomattu, että näkyvä aine ei pysty selittämään kaukana galaksien keskipisteistä liikkuvien aurinkokuntien nopeutta. Pimeän aineen ottaminen mukaan laskuihin auttaa selittämään havaitut nopeudet.

2. Mittaamalla valon kaareutumista massakeskittymien ympärillä, esimerkiksi käyttämällä niin kutsuttua gravitaatiolinssi-ilmiötä, voidaan arvioida massan määrää galakseissa. Jälleen tarvitaan pimeää ainetta selittämään havaitun massan määrä.

3. On tehty yksittäisiä havaintoja, joissa kaksi galaksia törmäävät toisiinsa. Kun mitataan galaksien näkyvän aineen paikkaa ja galaksin kohdalla olevaa gravitaatiovuorovaikutuksen voimakkuutta, nähdään että galaksien törmätessä näkyvä aine hidastuu kuten törmäyksessä kuuluukin, mutta galaksien gravitaatiokeskittymät jatkavat häiriöttä eteenpäin. Paras selitys tälle on erittäin heikosti vuorovaikuttava pimeä aine, joka ei siis juurikaan "törmää" galaksien törmätessä.

Lue lisää: https://en.wikipedia.org/wiki/Bullet_Cluster

Näiden havaintojen perusteella pimeää ainetta arvioidaan olevan noin viisi kertaa enemmän kuin näkyvää ainetta. Koska se tuntee gravitaatiovuorovaikutuksen, on pimeä aine keskittynyt samoihin paikkoihin kuin näkyvä aine eli galaksien ympärille. Erilaisia ehdokkaita pimeälle aineelle on ehdotettu useita. Esimerkiksi neutriinot ja valkoiset kääpiöt ovat kummatkin olleet aikoinaan esillä, mutta nykyään tiedetään, ettei kummankaan massa riitä selittämään havaittua pimeän aineen määrää.

Tutustu gravitaatiolinsseihin:

Pimeä energia ja maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen

Maailmankaikkeuden arvioitu energiasisältö.

Pimeän aineen lisäksi maailmankaikkeudessa näyttäisi olevan niin kutsuttua pimeää energiaa. Pimeästä energiasta tiedämme vielä vähemmän kuin pimeästä aineesta ja mittausten perusteella sitä näyttäisi olevan noin kolme kertaa pimeää ainetta enemmän, noin 68% kaikesta maailmankaikkeuden energiasta. Pimeä energia on levittäytynyt tasaisesti maailmankaikkeuden joka kolkkaan, joten sitä on hankalampi tutkia kuin galakseihin kasautunutta pimeää ainetta. Pimeän energian huomattavin vaikutus on sen aiheuttama maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen.

1920-luvulta asti on tiedetty maailmankaikkeuden laajenevan. Mittaamalla kaukaisimmista galakseista tulevaa valoa, näemme että mitä kauempana ne ovat, sitä suuremmalla vauhdilla ne meistä loittonevat. Tämä voidaan päätellä niin sanotun punasiirtymän avulla. Punasiirtymä toimii samalla tavoin kuin äänessä kuultava Doppler-siirtymä (kuulet ambulanssin äänen erilaisena riippuen siitä liikkuuko se sinua kohti vai sinusta poispäin), eli valon taajuus muuttuu, jos valoa lähettävä kohde liikkuu meistä poispäin. Punasiirtymää mittaamalla voidaan päätellä kaukaisten kohteiden loittonemisnopeus ja tästä puolestaan voidaan päätellä maailmankaikkeuden laajenemisnopeus.

Lyhyt video punasiirtymän synnystä:

Vuonna 1998 koettiin näitä havaintoja analysoitaessa yllätys: maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtyvää. Vertaamalla kaukaisten supernovien loittonemisnopeuksia teoreettisiin ennusteisiin muodostui ainoaksi luontevaksi päätelmäksi se, että maailmankaikkeus on aiemmin laajennut pienemmällä nopeudella kuin nykyään.

Tämä on hyvä esimerkki tilanteesta, jossa laajenemisen oletettiin tapahtuvan tasaisella nopeudella lähinnä siitä yksinkertaisesta syystä ettei ollut mitään syytä uskoa toisinkaan. Kun uutta mittausdataa saatiin käyttöön, piti kiihtyvä laajeneminen saada myös teoreettisiin malleihin mukaan. Tämä puolestaan osoitti yleisen suhteellisuusteorian voiman, sillä kiihtyvä laajeneminen on teoriassa sisäänrakennettuna.

Kiihtyvä laajeneminen selitetään yleisessä suhteellisuusteoriassa ottamalla mukaan niin sanottu kosmologinen vakio. Pimeän energian selittävä vakio oli mukana jo Einsteinin alkuperäisessä teoriassa, mutta olisi aiheuttanut kiihtyvän laajenemisen (johon ei silloin uskottu), joten Einstein poisti sen. Jos Einstein olisi tulkinnut teoriaansa hieman rohkeammin, hän olisi voinut ennustaa maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen noin 80 vuotta ennen kuin se lopulta löydettiin kokeellisesti.

Kaiken kaikkeaan voidaan siis sanoa, että nykyisissä kosmologian malleissa noin 68% maailmankaikkeuden energiasta näyttäisi olevan pimeää energiaa, noin 27% on pimeää ainetta ja jäljelle jäävä noin 5% koostuu tuntemistamme atomeista. Tutkittavaa siis riittää!