Tiede

Suomalaisfyysikko: Pimeä aine syntyi jo ennen muuta ainetta

Maailmankaikkeuden aineesta valtaosa on pimeää ainetta. Sen olemus on yhä arvoitus. Se on havaittu vain epäsuorasti painovoiman perusteella. Nyt fyysikko Tommi Tenkanen etsii aivan uutta selitystä pimeän aineen olemukselle.

Pimeä aine hallitsee maailmankaikkeutta. Valtaosa aineesta on tätä silmille ja havaintolaitteille näkymätöntä ainetta, jonka koostumusta ei tunneta.

Fyysikko Tommi Tenkanen ehdottaa nyt, että pimeä aine syntyi jo ennen muuta ainetta eli ennen niin sanottua kuumaa alkuräjähdystä. Se selittäisi pimeän aineen outouden. Pimeän aineen jäljet voisi kaiken lisäksi yhä havaita maailmankaikkeudessa.

Yhdysvaltalaisessa Johns Hopkins-yliopistossa tutkijana työskentelevän Tenkasen tutkimus julkaistiin vastikään Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Tenkasen muotoilu, että pimeä aine syntyi ennen normaalin aineen synnyttänyttä alkuräjähdystä hämmentää maallikkoa. Tämän ajattelun mukaan ensin oli kaikkeuden erittäin nopea laajeneminen eli niin sanottu inflaatio. Vasta sitten seurasi aineen synnyttänyt kuuma alkuräjähdys.

”Emme tiedä mitä tapahtui ennen inflaatiota ja oliko universumilla alkua ensinkään. Sen sijaan kuuma alkuräjähdys tapahtui inflaation jälkeen, ja sen olemassaolo on erittäin varmaa”, Tenkanen sanoo.

Jos pimeä aine koostuu ennen kuumaa alkuräjähdystä syntyneistä hiukkasista, ne vaikuttavat Tenkasen mukaan ainutlaatuisesti siihen, miten galaksit jakautuvat avaruudessa.

”Mallissani pimeän aineen alkuperäinen jakauma maailmankaikkeudessa ei täysin vastaa tavallisen aineen jakaumaa. Siis sitä, miten tiheässä galaksien ja galaksijoukkojen siemenet olivat varhaisessa maailmankaikkeudessa. Tämä on poikkeuksellista”, Tenkanen sanoo.

Sen sijaan malleissa, joissa pimeä aine syntyi alkuräjähdyksen aikana, jakaumat vastaavat toisiaan Tenkasen mukaan täsmälleen. Mahdolliset erot johtuvat siitä, että pimeä ja tavallinen aine käyttäytyivät inflaation aikana eri tavalla. Se johtui pimeän ja tavallisen aineen erosta.

Tenkanen kommentoi tutkimusta tiedotteessa ja sähköpostitse HS:lle.

Pimeällä aineella on keskeinen rooli galaksien ja galaksiryhmien synnyssä. Pimeä aine tuntee nykyisen teorian mukaan ainakin painovoiman, vaikka muut voimat eivät siihen näytä vaikuttavan.

Pimeän aineen tarina alkoi 1930-luvulla. Sveitsiläis-yhdysvaltalainen tähtitieteilijä Fritz Zwicky havaitsi, että kaukaisen ryhmän galaksit kiersivät toisiaan nopeammin kuin piti näkyvän massan perusteella. Ehkä näkymätön aine lisäsi galaksien massaa. Vastaaviin tuloksiin päätyivät Vera Rubin ja Kent Ford Jr. 1970-luvulla.

Sittemmin pimeän aineen olemassaolo on varmistettu muilla keinoilla. On mitattu sen vaikutusta muun muassa avaruuden taustasäteilyyn, joka on mikroaalloille venynyttä alkuräjähdyksen jälkihehkua.

Tähän asti tutkijat ovat katsoneet, että pimeä aine on pikemmin alkuräjähdyksen ylijäämää. Sen etsiminen on melkein turhauttavaa, koska tutkijat eivät tarkalleen tiedä, mitä etsiä.

Havaintolaitteisiin ei ole jäänyt merkkejä esimerkiksi wimpistä. Se on englanninkielinen lyhenne sanoista heikosti vuorovaikuttava massiivin hiukkanen (Weakly Interacting Massive Particle). Tämä oletettu pimeän aineen hiukkanen voisi olla kymmeniä kertoja raskaampi kuin atomin ytimen protoni.

Yksi keino wimpin etsimiseksi on maan alle rakennettu säiliö, jossa on nestemäistä ksenonia. Kun pimeän aineen hiukkanen törmää ksenonatomiin, atomin energiatila muuttuu ja syntyy havaittavaa valoa. Se pitää vain erottaa muiden törmäyksien aiheuttamista välähdyksistä. Wimpiä ei ole löydetty.


Tai sitten pimeän aineen hiukkaset ovat nobelisti Frank Wilczekin esittämiä aksioneja, jotka ovat hyvin keveitä. Niitäkin etsitään kokeissa. Niissä osoitetaan laserilla seinää, jossa on magneettikenttä, ja katsotaan näkyykö toisella puolella valoa.

Jos aksioneja on, jotkin fotonit muuttuvat magneettikentässä aksioneiksi, matkaavat seinän läpi ja muuttuvat sitten mikroaaltosäteilyksi eli fotoneiksi eli valoksi. Niitä ei ole löytynyt.

Juuri se, että mitään hiukkasta ei ole suorilla havainnoilla löytynyt, viittaa Tenkasen mukaan pimeän aineen alkuperään.

Kuten muukin kosmologia, myös Tenkasen teoreettinen työ perustuu Albert Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan. Matematiikka osoittaa hänen mukaansa, että pimeä aine saattoi syntyä universumin alkua seuranneen inflaation aikana.

Inflaatio tarkoittaa maailmankaikkeuden laajenemista aivan alkuhetkillä eksponentiaalisen nopeasti. Niin piti tapahtua, koska muutoin universumi ei olisi yhdenmukainen joka suunnassa.

Inflaatiossa syntyi niin sanottuja skalaarihiukkasia. Niistä on havaittu kuulu Higgsin hiukkanen. Sen kuvaillaan antavan massan muille hiukkasille paitsi sähkömagneettista säteilyä välittäville fotoneille, vahvaa ydinvoimaa välittäville gluoneille ja neutriinoille. Tenkasen mallissa pimeä aine on ikään kuin Higgsin hiukkasen sisarus.

Kosmisen inflaation aikana syntynyttä pimeää ainetta on Tenkasen mukaan tutkittu matemaattisesti jo kauan. Aksionit ovat yksi esimerkki tuloksista.

”Uutta on mallin yksinkertaisuus sekä yhteys hiukkasfysiikan ja tähtitieteen välillä. Käytännössä meillä on ennuste galaksien jakaumalle maailmankaikkeudessa”, Tenkanen tiivistää.

Tiedämme pimeästä aineesta ehkä enemmän sitten, kun Euclid-satelliitti aloittaa havainnoinnin ensi vuosikymmenen alussa. Euclid on Euroopan avaruusjärjestön satelliitti, joka kartoittaa maailmankaikkeuden aineen jakaumaa tarkemmin kuin aikaisemmat havaintolaitteet. Tenkanen toivoo sen selvittävän myös, missä vaiheessa pimeä aine syntyi.

”Käytännössä tämä tapahtuu määrittämällä, paljonko maailmankaikkeudessa on ainetta eri mittakaavoilla ja miten se on jakautunut”, hän sanoo.

Ota kaikki irti Hesarista
HS Digillä saat kaikki Hesarin digisisällöt käyttöösi

Kommentit

Kommentit

    Ei vielä kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Ei vielä nimellä kirjoitettuja kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Näytä lisää
    Luetuimmat
    • Juuri nyt
    • Päivä
    • Viikko
    1. 1

      Syyskuussa tuli 40 000 työllistä lisää, joista 39 000 oli naisia

    2. 2

      Henriikka Virtanen, 16, meni autokouluun suorittamaan kevytautoilijan kursseja ja hämmästyi – ”En kyllä liikenteeseen lähtisi”

    3. 3

      Cheyenne Järvinen kyllästyi ravinto­lisien tyrkyttämiseen – Seurasi palaute­vyöry, josta paljastuivat some­markkinoinnin kyseenalaiset käytännöt

    4. 4

      Suomella oli ”käsittämätön runsaudensarvi”, ja nyt se on ajamassa meitä turmioon, julistaa Björn Wahlroos

      Tilaajille
    5. 5

      Ministeri Paatero puolusti Veikkauksen toimintaa A-studiossa – HS kysyi asian­tuntijoilta, pitävätkö väitteet paikkaansa

    6. 6

      Miehet katoavat työmarkkinoilta, eikä kukaan tiedä minne – olisiko syynä miehen kunnia?

    7. 7

      Väärä uskomus itsestä voi paljastaa itsetunto-ongelman, sanoo asiantuntija – Moni puhuu huonosta itsetunnosta, vaikka tarkoittaa aivan toista asiaa

    8. 8

      Hiilihydraattien välttely on usein turhaa, sillä kehon voi totuttaa käyttämään niitä tehokkaammin, sanoo ravitsemus­terapeutti ja antaa kolme vinkkiä

      Tilaajille
    9. 9

      EU:n komissio huolestui Rinteen hallituksen rahankäytöstä

    10. 10

      Nokian Renkaat varoittaa kannattavuutensa heikkenemisestä

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Cheyenne Järvinen kyllästyi ravinto­lisien tyrkyttämiseen – Seurasi palaute­vyöry, josta paljastuivat some­markkinoinnin kyseenalaiset käytännöt

    2. 2

      Suomella oli ”käsittämätön runsaudensarvi”, ja nyt se on ajamassa meitä turmioon, julistaa Björn Wahlroos

      Tilaajille
    3. 3

      Mitä jos keinotekoiset aivot tajuavat olevansa olemassa? Tutkijat huolestuivat laboratorioissa kasvatetuista miniaivoista

    4. 4

      Jopa miljoonalla suomalaisella on tietämättään esidiabetes, joka voi jatkua vuosia – Neljällä muutoksella sairastumisen voi estää lähes varmasti

      Tilaajille
    5. 5

      Ravitsemustieteen professori hätkähti lentokentällä kaadettua aamu­konjakkia – Onko aamu­juominen erityisen suomalainen ilmiö?

    6. 6

      Hiilihydraattien välttely on usein turhaa, sillä kehon voi totuttaa käyttämään niitä tehokkaammin, sanoo ravitsemus­terapeutti ja antaa kolme vinkkiä

      Tilaajille
    7. 7

      EU:n komissio huolestui Rinteen hallituksen rahankäytöstä

    8. 8

      Poliisien etujärjestön puheen­johtaja ihmettelee, missä roolissa Ohisalo teki selvitys­pyynnön mielen­osoituksista – myös opposition edustajilta arvostelua

    9. 9

      Uudet liikuntasuositukset muuttavat koko liikunnan käsitteen – Testaa laskurilla, liikutko riittävästi

    10. 10

      Miksi kuollut läheinen voi ilmestyä terveellekin ihmiselle? Tutkijan mukaan harha­näkyihin liittyy vaarallinen tabu

      Tilaajille
    11. Näytä lisää
    1. 1

      Kaikki Triplasta: HS:n erikoisartikkeli näyttää, miten uudessa Pasilassa liikutaan

    2. 2

      Johanna Huhtamäki, 38, kuuli oudon äänen, eikä tiennyt sen kielivän kuolemasta – Nyt hän toteuttaa unelmiaan, sillä pian saattaa olla liian myöhäistä

      Tilaajille
    3. 3

      Kuvia Suomesta: Ihminen löytää toisen pikkukaupungin yössä

    4. 4

      ”Olen 31, enkä ole seurustellut kertaakaan” – Lyhyet miehet kertovat, millaista on elää maailmassa, jossa pituutta pidetään miehen mittana

      Tilaajille
    5. 5

      Nuori lääkäri avautui uuvuttavasta työstään ja sai aikaan vastausten tulvan: ”Haluan, että ihmiset ymmärtävät, miksi lääkärit eivät jää terveyskeskuksiin”

    6. 6

      Demokraattien Nancy Pelosi kertoi syistä, miksi Trump sai ”hermoromahduksen” Syyria-kokouksessa

    7. 7

      Keväällä Fazerin asmr-mainos sai monet raivon partaalle, ja nyt myös Mainonnan eettinen neuvosto otti siihen kantaa

    8. 8

      Kim huijasi itselleen halutun kaupungin vuokra-asunnon läheltä Helsingin keskustaa – Rikosoikeuden professori: ”Moraalitonta tällainen kepulointi ainakin on”

      Tilaajille
    9. 9

      Uudet liikuntasuositukset muuttavat koko liikunnan käsitteen – Testaa laskurilla, liikutko riittävästi

    10. 10

      Cheyenne Järvinen kyllästyi ravinto­lisien tyrkyttämiseen – Seurasi palaute­vyöry, josta paljastuivat some­markkinoinnin kyseenalaiset käytännöt

    11. Näytä lisää