Pimeä universumi liikuttaa galakseja ja maailmankaikkeutta

21.11.2017

Kosmologia tutkii maailmankaikkeuden syntyhistoriaa sen syntymän ensimmäisistä sekunnin murto-osista nykypäivään, niin kauas kuin on mahdollista havaita. Valtaosan universumista uskotaan olevan vielä havaitsematonta pimeää ainetta ja energiaa. Professori Kimmo Kainulainen sanoo pimeän energian olevan yksi fysiikan vaikeimmin kuvailtavissa olevista asioista. 

Vallitsevan teorian mukaan maailmassa on kolmenlaista ainetta. Meidät on tehty aurinkokunnan mittakaavassa vaikuttavasta tavallisesta, eli baryonisesta aineesta, jota on noin neljä prosenttia koko maailmankaikkeuden energiatiheydestä. Noin 27 prosenttia on galaktisessa mittakaavassa vaikuttavaa pimeää ainetta, jonka oletetaan olevan vielä havaitsematon neutraali hiukkanen. Koko maailmankaikkeuden mittakaavassa vaikuttavaa pimeää energiaaon noin 69 prosenttia.  

Pimeä aine ja energia muodostavat pimeän universumin, jota on tutkinut Jyväskylän yliopiston kosmologian professori Kimmo Kainulainen Suomen Akatemian rahoituksella. Hänen yhdessä muiden tutkijoiden kanssa vuonna 2013 kirjoittamansa artikkeli pimeän aineen hiukkasista on noussut yhdeksi viitatuimmista artikkeleista tieteenalalla.

”Itse henkilökohtaisesti en sitä mitenkään ihmeellisenä artikkelina pidä. Hyvin tehty tutkimus ja suhteellisen ajankohtainen. Tehtiin se oikeaan aikaan ja laskettiin kaikki huolellisesti. Ei me mitään dramaattista uutta siinä keksitty. Jostain syystä yhteisö vaan nosti sen tärkeäksi.”

Pimeää ainetta tai energiaa ei ole kuitenkaan vielä suoraan nähty. Ne ovat vain yksinkertaisimpia selityksiä havainnoille. Pimeä aine pyrkii selittämään, miksi galaksit pyörivät hajoamatta nopeammin, kuin jos niissä olisi vain tavallista ainetta. Pimeä energia pyrkii selittämään, miksi maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä vauhdilla. 

Pimeä energia löytyi etäisyysmittauksista

Maailmankaikkeuden rakennetta tutkitaan kosmologiassa mittaamalla tyypin Ia supernovien lähettämää valoa, koska ne ovat käytännössä aina yhtä kirkkaita. Havaitsemista voi verrata vaikka sadan watin lamppuun. Kauempana se näkyy himmeämpänä. Tarpeeksi kauas mentäessä sitä ei enää näe. 400:n watin lamppu, joka on tuplasti kauempana kuin sadan watin lamppu, näyttää yhtä kirkkaalta. Jos lampun kirkkaus tiedetään, sen näennäisestä kirkkaudesta voi päätellä, kuinka kaukana se on.

Etäisyyksien mittaaminen on kosmologiassa eräänlainen tikapuuprojekti: Lähinten tähtien etäisyys on mitattu kolmiomittausmenetelmällä käyttämällä kolmion kantana aurinkokuntaa. Niiden paikat siirtyvät suhteessa hyvin kaukana oleviin kiintotähtiin. Seuraava porras on sykkivät tähdet, kefeidit, joiden kirkkaus on supernovien tavoin vakio. Hubble-avaruusteleskoopin tärkein tehtävä oli mitata kefeidejä mittaamalla niiden etäisyys niin kauas, että alettiin nähdä tyypin Ia supernovia. Objektien loitontuessa niiden valo punasiirtyy, joten kefeidien etäisyyksien avulla voidaan kalibroida supernovien ja punasiirtymän välinen suhde.

Vuoden 2011 fysiikan Nobel jaettiin tutkijaryhmälle, joka huomasi kaukaisten supernovien olevan himmeämpiä, kuin mitä odotettiin – eli ne olivat kauempana, kuin mitä niiden punasiirtymä antoi olettaa. Ilmiön selittämiseksi kaivettiin naftaliinista Einsteinin kosmologinen vakio, pimeä energia, jonka avulla saadaan teoria sopimaan paremmin mittausten kanssa yhteen. Einstein itse piti vakion liittämistä laskelmiinsa suurimpana munauksenaan. Sen lisääminen oli mahdollista, mutta tarpeetonta.

Myös kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn havainnoista voidaan päätellä pimeän energian olemassaolo. Pimeä energia on vaikuttanut valon etenemiseen, kun kosminen mikroaaltosäteily on kulkenut 13,87 miljardia vuotta koko maailmankaikkeuden historian läpi. Se on toiminut ikään kuin prismana muuttaen kosmisen mikroaaltosäteilyjen havaittavien ominaisuuksien näennäistä luonnetta teoreettisesti laskettavissa olevalla tavalla. Kainulainen kuitenkin huomauttaa, ettei pimeä energia ole selviö.

”Kosmologiseen vakioon liittyy ongelma gravitaation ja hiukkasfysiikan teorioiden yhteensovittamisessa. Hiukkasfysiikkaa kuvaavien kvanttiteorioiden mukaan tyhjiöllä on muodoltaan kosmologista vakiota vastaava energia. Hyvä niin, mutta havaittu pimeän energian määrä on aivan liian pieni suhteessa siihen, mitä tyypillisesti odotetaan tyhjiön energialta – jopa 120 kertalukua liian pieni”, kertoo Kainulainen. ”Jos tuhat kertaa on kolme kertalukua liian iso ja miljardi kertalukua on yhdeksän kertaa liian iso, niin tyhjiön energia on siis 120 kertalukua liian iso! Jos gravitaatio oikeasti näkisi tällaisen tyhjiön energian, niin maailmankaikkeus ei voisi mitenkään olla olemassa. Tämä on suorastaan huutomerkkinä esillä oleva ongelma, joka vaatii vielä ratkaisua, eikä kukaan oikein tiedä, mikä se voisi olla.”

Pimeän aineen hiukkasen metsästys

Kaikki havainnot pimeästä universumista ovatkin vielä epäsuoria ja lisäksi niissä oletetaan, että Einsteinin teoria painovoimalle on totta. Vaihtoehtona pimeälle energialle onkin, että Einsteinin teoriaa on muutettava suurilla etäisyyksillä. Näissäkään teorioissa ei yleensä yritetä yhdistää kvantti- ja gravitaatioteoriaa yhteen, vaan oletetaan, että tyhjiön energia on kaikkialla nolla, jolloin sen voisi sivuuttaa laskelmista.

Pimeä universumi ei siis ole täydellinen. Tyhjiön energian ongelman lisäksi mahdollista pimeän aineen hiukkasta ei ole löydetty, kertoo Kainulainen. Paras vaihtoehto sen löytämiselle olisi suora havainto pimeän aineen vuorovaikutuksesta tavallisen aineen kanssa ja tähän pyrkiviä kokeita tehdäänkin paraikaa useissa laboratorioissa. Ongelmana on se, että nämä vuorovaikutukset ovat erittäin heikkoja ja tavallisesti pimeä aine läpäisee kaiken materian. Mutta tarpeeksi pitkän ajan kuluessa riittävän suuri ilmaisin voi silti havaita merkkejä pimeästä aineesta.

”Henkilökohtaisesti alkaa näyttää siltä, että on poissuljettu aika suuri joukko luonnollisia teorioita, niin pitää mennä yhä eksoottisempiin teorioihin, niin voi olla vielä elossa. Seuraavat kymmenen vuotta ovat varmaan tosi kriittiset tässä suhteessa. Melkeinpä sen jälkeen aletaan tietää, onko pimeä aine hiukkasia.”

Ei ole yllätys, että moni haluaa olla ongelman ratkaisija. Kaikki havainnoissa esiintyvät pienimmätkin anomaliat saavat teoreetikot tuottamaan vimmalla jopa satoja papereita, vaikka ylivoimaisesti suurin osa anomalioista paljastuu lopulta mittausvirheiksi (virhe voi johtua vaikka siitä, että laitteessa on piuha löysällä). Kainulainen vertaa touhua Yhdysvalloista tuttuun lakimiesilmiöön: ambulanssien jahtaamiseen.

”Jos on joku pienikin vihjaus uudesta fysiikasta standardimallin ulkopuolella, niin kauhea määrä ihmisiä ryntää selittämään sitä ja kirjoittaa vaikka minkälaisia malleja, jotka tyypillisesti ennustavat pimeääkin ainetta siinä mukana. Joskus tuntuu, että ei ole niinkään kysymys vakavan tieteen tekemisestä vaan koetetaan vain olla se, joka ensimmäisenä voi sanoa: Minä sanoin tämän! Se on inhimillinen systeemi. Ja siinähän käy niin, että joku on sitten joskus oikeassa. Se voi olla joku niistä malleista, joista tekijäkään ei tehdessään välttämättä hirveästi tuuminut, että olisiko oikeasti näin.” 

Kainulainen haluaa alleviivata, ettei halvenna anomalioiden perässä juoksijoita.

”Totta kai kaikissa näissä ihmisen tekemissä malleissa on aivan selvästi päättömiä mukana. Toiset ovat hyviä ja toiset ei niin hyviä. Niiden kautta voidaan kuitenkin päästä hyviin teorioihin, joita ilman sen havaitsemista ei olisi lähdetty tutkimaan. Kierrätystä tapahtuu myös ja vanhoista anomalioista nousseita teorioita voidaan hyvinkin sovittaa uusiin. Luonto on juuri siinä mielessä ikävä, että se ei toimi meidän kauneuskäsityksen mukaan.”

Teksti ja kuvat: Eetu Lehto

Viimeksi muokattu 12.12.2017
Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »