Entä jos pimeä aine onkin koko universumin keskinäinen gravitaatiovetovoima?
Kattava kiehtovan ajatuksen tutkimus
Pimeä aine on yksi nykyajan kosmologian ja astrofysiikan suurimmista mysteereistä. Havainnot, jotka kattavat galaksien pyörimiskäyrät, gravitaatiolinssin ja suurten rakenteiden muodostumisen, osoittavat, että universumissa on aineen muoto, joka ei ole vuorovaikutuksessa valon kanssa – siksi sitä kutsutaan "pimeäksi". Newtonin ja Einsteinin gravitaatiokäsityksen mukaan näkyvä, "tavallinen" aine (protonit, neutronit, elektronit) muodostaa vain noin 5 % koko universumin energiasta ja aineesta, ja pimeä aine noin 27 % (loput ovat pimeää energiaa).
Mutta entä jos tätä puuttuvaa massaa ei olekaan? Ehkä kyse on vain koko universumin keskinäisen vetovoiman vaikutuksesta: kaikkien tähtien, planeettojen ja kaasujen hiukkasten pienistä gravitaatiovaikutuksista, jotka yhdessä luovat ilmiöitä, joita selitämme "pimeällä aineella". Tämä on kiehtova ajatus: voisimmeko luopua pimeän aineen käsitteestä erillisenä komponenttina ja selittää kaiken pelkästään näkyvän aineen gravitaatiovaikutuksella suuressa mittakaavassa?
Tässä artikkelissa tutkimme tätä ideaa perusteellisesti – käymme läpi pimeän aineen olemassaolon todisteet, tieteelliset yritykset selittää ilmiö ja miksi ajatus "se on vain gravitaatiota kaikesta, mikä on olemassa" on sekä houkutteleva että valitettavasti riittämätön tarkkojen havaintojen valossa.
1. Todisteet pimeän aineen olemassaolosta
1.1 Galaksien pyörimiskäyrät
Yksi ensimmäisistä selkeistä todisteista pimeän aineen olemassaolosta on galaksien reuna-alueiden tähtien ratojen nopeuksien mittaukset. Newtonin mekaniikan mukaan tähtien radan nopeuden galaksin reunoilla pitäisi laskea etäisyyden kasvaessa keskustasta – samalla tavalla kuin planeettojen nopeus aurinkokunnassamme laskee etääntyessä Auringosta.
Astronomit ovat kuitenkin havainneet, että spiraaligalaksien kaukaisimpien alueiden tähdet liikkuvat paljon nopeammin kuin perinteiset laskelmat ennustaisivat. Tätä ilmiötä, jota kutsutaan "tasaisiksi pyörimiskäyriksi", pidetään merkkinä siitä, että massaa on paljon enemmän kuin mitä voimme määrittää sähkömagneettisen säteilyn (valon eri aallonpituuksilla) perusteella. Jos galaksissa olisi vain näkyvää ainetta (tähtiä, kaasuja, pölyä), kaukaisten tähtien radat olisivat hitaampia. Yksinkertaisin selitys on, että on olemassa ylimääräinen näkymätön massakerros, eli pimeä aine.
1.2 Gravitaatiolinssitys
Gravitaatiolinssitys on massiivisten kohteiden kyky taivuttaa valoa, kuten kuvataan Einsteinin yleisessä suhteellisuusteoriassa. Tarkasteltaessa galaksiklusterien vaikutusta kauempien galaksien kuviin (linssitys) havaitaan, että niiden vaikutus on paljon voimakkaampi kuin pelkällä näkyvällä aineella voidaan selittää. Tämän ilmiön selittämiseksi tarvitaan lisämassaa – jälleen viitataan pimeään aineeseen.
Kuuluisa esimerkki tästä on niin sanottu Bullet Cluster -törmäys, jossa kaksi galaksiklusteria kulki toistensa ohi. Kuumat kaasut (näkyvät röntgensäteilyalueella) hidastuivat vuorovaikutusten vuoksi, ja voimakkain gravitaatiovaikutus siirtyi eteenpäin. Tämä viittaa siihen, että osa massasta vuorovaikuttaa lähes olemattomasti sähkömagneettisesti (eli ei tartu toisiinsa kuten tavalliset kaasut), mutta sillä on merkittävä gravitaatiovaikutus.
1.3 Kosmologiset havainnot ja rakenteen muodostuminen
Tarkasteltaessa kosmista mikroaaltotaustasäteilyä (engl. Cosmic Microwave Background, CMB) – Suuren alkuräjähdyksen "heijastusta" – tutkijat havaitsevat tiheyden epätasaisuuksia. Nämä epätasaisuudet kasvoivat ajan myötä galakseiksi ja klustereiksi, joita näemme tänään. Tietokonesimulaatiot maailmankaikkeuden rakenteen muodostumisesta osoittavat, että ilman pimeää ainetta tällaisten tiheyden "siementen" kehittyminen nykyisiin mittoihin olisi äärimmäisen vaikeaa tai jopa mahdotonta. Ilman pimeää ainetta lähes homogeenisestä varhaisesta maailmankaikkeudesta muodostuvan erittäin epätasaisen aineen rakenteen (galaksit, galaksiklusterit) muodostuminen olisi liian hidasta.
2. Ehdotettu ajatus: kaiken aineen yhteinen vetovoima
Ajatus "entä jos pimeä aine onkin vain kaiken olemassa olevan keskinäinen gravitaatiovetovoima" vaikuttaa ensi silmäyksellä houkuttelevalta. Gravitaatio vaikuttaa rajattomilla etäisyyksillä; riippumatta siitä, kuinka kaukana kaksi kohdetta maailmankaikkeudessa ovat, ne vetävät toisiaan puoleensa. Jos kuvittelemme lukemattoman määrän tähtiä ja galakseja, niiden yhteinen vetovoima voisi ehkä selittää tämän ylimääräisen massan.
2.1 Intuitiivinen vetovoima
1. Yhtenäinen gravitaation selitys: Osittain tämä vaikuttaa yhdistävältä ajatukselta. Sen sijaan, että otettaisiin käyttöön uusi aineen tyyppi, voisimme väittää, että havaitsemme vain meille tunteman aineen kollektiivisen vaikutuksen.
2. Yksinkertaisuus: Monille on houkuttelevaa ajatella, että on olemassa vain barionista (tavallista) ainetta eikä mitään muuta. Ehkä emme ole tähän asti täysin ymmärtäneet tämän aineen kokonaisvaltaista gravitaatiovaikutusta, erityisesti suurissa mittakaavoissa.
Tämä hypoteesi kohtaa kuitenkin vakavia haasteita, kun sitä sovelletaan tarkkoihin havaintotietoihin ja hyvin testattuihin fysiikan teorioihin. Katsotaanpa, missä ongelmat ilmenevät.
3. Miksi pelkkä tunnetun aineen välinen gravitaatio ei riitä
3.1 Tavallinen vs. modifioitu gravitaatio
Yritykset selittää kosmisia ilmiöitä ilman pimeää ainetta kuuluvat usein "modifioidun gravitaation" teorioiden piiriin. Uuden aineen tyypin lisäämisen sijaan ehdotetaan gravitaatiolakien korjaamista maailmankaikkeuden mittakaavassa. Yksi tunnetuimmista esimerkeistä on MOND (engl. Modified Newtonian Dynamics). MOND väittää, että erittäin pienillä kiihtyvyyksillä (esimerkiksi galaksien reuna-alueilla) gravitaatio toimii eri tavalla kuin Newtonin tai Einsteinin ennustamana.
Jos koko maailmankaikkeuden aineen yhteinen gravitaatio olisi se voima, jota virheellisesti kutsumme pimeäksi aineeksi, sen pitäisi käytännössä toimia eräänlaisena modifioidun gravitaation versiona. MOND ja vastaavien teorioiden kannattajat pyrkivät selittämään galaksien pyörimiskäyriä ja muita ilmiöitä. Kuitenkin MOND, vaikka se saattaa sopia joihinkin havaintoihin (esimerkiksi galaksien pyörimiskäyriin), on vaikeasti sovitettavissa muihin faktoihin (kuten Bullet Clusterin gravitaatiolinssin havaintoihin).
Siksi mikä tahansa teoria, joka väittää, että "pimeä aine" johtuu pelkästään tavallisen aineen yhteisestä gravitaatiosta, pitäisi onnistua selittämään paitsi galaksien pyörimiskäyrät myös linssiefektit, joukkojen törmäykset ja suurten rakenteiden muodostuminen. Toistaiseksi mikään vaihtoehtoinen teoria ei ole kokonaisvaltaisesti korvannut pimeän aineen hypoteesia siten, että se vastaisi kaikkia havaintoja.
3.2 Käänteisen neliölain ja kosmisten mittakaavojen merkitys
Gravitaatiovoima heikkenee etäisyyden neliössä (Newtonin yleisen painovoiman lain mukaan). Kosmisilla mittakaavoilla on olemassa todellinen, vaikkakin pieni, kaukaisten galaksien, joukkojen ja filamenttien vetovoima, mutta tämä voima heikkenee nopeasti etäisyyden kasvaessa. Havainnot osoittavat, että pelkkä näkyvä (baryoninen) aine ei riitä eikä se ole jakautunut siten, että se loisi pimeälle aineelle ominaisia gravitaatioilmiöitä.
Jos yrittäisimme laskea kaiken näkyvän aineen maailmankaikkeudessa ja arvioida sen gravitaatiovaikutuksen eri kosmisilla mittakaavoilla, kävisi ilmi, ettemme silti pystyisi selittämään todellisia galaksien pyörimiskäyriä, linssiefektejä tai rakenteiden muodostumisnopeutta. Yksinkertaisesti sanottuna maailmankaikkeudessa, jossa olisi vain baryonista ainetta, gravitaatiovoima olisi liian heikko selittämään havaittua ilmiötä.
3.3 Bullet Cluster ja "kadonneen" massan jakautuminen
Bullet Cluster on erityisen selkeä esimerkki. Kun kaksi galaksijajoukkoa törmäävät, tavallinen aine (enimmäkseen kuumaa kaasua) hidastuu vuorovaikutuksen vuoksi, kun taas toinen – lähes vuorovaikutukseton – massan osa (jota pidetään pimeänä aineena) onnistuu läpäisemään törmäyksen hidastumatta. Gravitaatiolinssin havainnot osoittavat, että suurin osa massasta "siirtyi" kauemmas, jääden jälkeen hohtavasta kaasusta.
Jos puuttuva massa selitettäisiin yksinkertaisesti koko maailmankaikkeuden aineella, olisi odotettavissa, että massan jakautuminen vastaisi enemmän näkyvää ainetta (hidastettu kaasujen muodossa). Kuitenkin havaittu ero näkyvän kaasun ja gravitaation aktiivisen massan välillä osoittaa, että on olemassa lisäaine, joka ei ole sähkömagneettisesti vuorovaikuttavaa – pimeä aine.
4. "Kaiken aineen gravitaatio" ja kosmologia
4.1 Suuren alkuräjähdyksen nukleosynteesin rajoitukset
Varhaisessa maailmankaikkeudessa muodostuivat kevyimmät kemialliset alkuaineet – vety, helium ja hieman litiumia. Tätä prosessia kutsutaan Suuren alkuräjähdyksen nukleosynteesiksi (engl. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Kevyiden alkuaineiden runsaus riippuu herkästi koko baryonisen (tavallisen) aineen tiheydestä. Tarkkailemalla kosmista taustamikroaaltosäteilyä ja tutkimalla näiden alkuaineiden suhteita nähdään, että maailmankaikkeudessa ei voi olla liikaa baryonista ainetta – muuten havaittuihin helium- tai deuterium-määriin jouduttaisiin ristiriitaan. Lyhyesti sanottuna BBN osoittaa, että tavallinen aine muodostaa noin 5 % maailmankaikkeuden energia- ja aineen tasapainosta.
4.2 Kosminen taustamikroaaltosäteilyn mittaukset
Korkean resoluution tiedot, jotka on saatu satelliiteilta kuten COBE, WMAP ja Planck, ovat antaneet kosmologeille mahdollisuuden määrittää CMB:n lämpötilavaihtelut uskomattoman tarkasti. Näiden vaihtelujen luonne, erityisesti niiden kulmaisen tehon spektri, mahdollistaa eri komponenttien (pimeän aineen, pimeän energian ja baryonisen aineen) tiheyden arvioinnin. Nämä mittaukset sopivat erittäin hyvin kosmologiseen malliin, jossa pimeä aine on erillinen, ei-baryoninen komponentti. Jos gravitaation vaikutus, jonka tällä hetkellä liitämme pimeään aineeseen, olisi vain näkyvän aineen yhteisvaikutus, CMB:n tehon spektri näyttäisi täysin erilaiselta.
5. Onko olemassa toinen tapa sanoa, että pimeä aine on vain "gravitaatiota"?
Ajatus "entä jos pimeä aine onkin vain gravitaation lakien epätäydellisyys?" on innoittanut erilaisia muokattuja gravitaatioteorioita. Ne ehdottavat Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian tai Newtonin dynamiikan korjaamista galaktisella ja suuremmalla mittakaavalla, joskus tarjoten melko monimutkaisen matemaattisen perustan. Tällaiset teoriat pyrkivät selittämään galaksien pyörimisnopeuskäyrät ja klustereiden linssivaikutuksen ilman lisäaineksia, näkymättömiä hiukkasia.
Muokattujen gravitaatioteorioiden keskeiset haasteet:
- Sovitus: Gravitaatiota on säädettävä galaksien mittakaavassa, mutta samalla on pysyttävä yhteensopivana Aurinkokunnan havaintojen ja yleisen suhteellisuusteorian kanssa, jonka monet kokeet ovat jo vahvistaneet erittäin tarkasti.
- Rakenne muodostuu: Teorioiden on selitettävä paitsi galaksien pyörimisnopeuskäyriä myös maailmankaikkeuden rakenteiden muodostumista varhaisista ajoista nykypäivään, vastaamaan havaintoja eri aikakausilta.
- Relativistiset ilmiöt: Gravitaatiolain muuttamisen on oltava ristiriidaton ilmiöiden, kuten gravitaatiolinssien ja Bullet Clusterin tietojen kanssa.
Vaikka "Lambda kylmä pimeä aine" (engl. ΛCDM) – nykyinen standardi kosmologian malli, jossa on sekä pimeä aine että pimeä energia (Λ) – sisältää joitakin puutteita, mikään muokattu gravitaatioteoria ei ole toistaiseksi onnistunut selittämään kaikkia havaintoja yhtä hyvin kuin ΛCDM.
6. Yhteenveto
Ajatus, että pimeä aine voisi olla yksinkertaisesti koko maailmankaikkeuden aineen välinen gravitaatiovuorovaikutus – on mielenkiintoinen. Se vastaa pyrkimystä löytää yksinkertaisempi selitys, joka ei vaadi uutta näkymätöntä aineen käsitettä. Tämä resonoi perinteisen tieteen ja filosofian periaatteen kanssa, että Occamin partaveitsellä tulisi poistaa tarpeettomat hypoteesit.
Kymmenet vuosikymmenet astronomiset ja kosmologiset havainnot osoittavat kuitenkin, että pelkkä tunnetun aineen määrä ei selitä "kadonneen massan" ongelmaa. Galaksien pyörimiskäyrät, gravitaatiolinssitiedot, suurten rakenteiden muodostumisnopeudet, kosmisen mikroaaltotaustan mittaukset ja alkuräjähdyksen nukleosynteesin rajoitukset viittaavat kaikki siihen, että on olemassa aineen tyyppi, joka on ilman ja lisäksi meille tuttua ainetta. Lisäksi Bullet Clusterin ja vastaavien havaintojen mukaan näkymätön massa käyttäytyy eri tavalla kuin tavallinen aine (esim. osallistumalla heikosti muihin kuin gravitaatioon perustuviin vuorovaikutuksiin).
Kosmologia on kuitenkin jatkuvasti kehittyvä tieteenala. Uudet havainnot – gravitaatioaalloista tarkempiin galaksien jakaumakarttoihin ja parempaan CMB-analyysiin – parantavat jatkuvasti ymmärrystämme. Toistaiseksi suurin osa havaintodatasta osoittaa, että pimeä aine todella on erillinen, ei-baarioninen aineen muoto. Avoin mieli ja tarkkaavaisuus odottamattomille havainnoille ovat kuitenkin erittäin tärkeitä – tiede etenee, kun hypoteeseja testataan ja muutetaan, jos ne eivät vastaa uusia faktoja.
Tällä hetkellä havainnot tukevat eniten ajatusta, että pimeä aine on todellinen, fysikaalinen komponentti. Kuitenkin kysymys "entä jos onkin vaihtoehto?" ylläpitää tieteellistä uteliaisuutta, joka on erityisen tärkeää maailmankaikkeuden salaisuuksien ymmärtämiseksi.
Lisälukemista
- Pimeä aine maailmankaikkeudessa – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Bullet Cluster todisteena muokatun gravitaation vastaisesti – monien tekijöiden havaintojen julkaisut, esim. Clowe ym.
- MOND-ennusteiden testaus – erilaiset galaksien pyörimiskäyrien tutkimukset (esim. Stacy McGaughin ja muiden tekijöiden työt).
- Kosmologisten parametrien havainnot – Planck, WMAP, COBE -missioiden tiedot.