Pimeän aineen havaitseminen

Pimeä aine pitää kaikkeuden kasassa.
Tähtien ja galaksien pitäisi loitota toisistaan,
niiden massa ei riitä pitämään niitä paikoillaan. Oudon pimeän aineen painovoima näyttää ankkuroivan ne aloilleen. Nyt tämä aine on saatu ensi kertaa kartalle.
Galaksijoukkoa ZwC 10024 1652 ympäröi pimeän aineen rengas, joka tässä on esitetty tummansinisenä kuva:-Lähde: Teteen kuvalehtinumero 8. 2008. Sivu 56.
Myöskin Hubblen havainto samalla sivulla: -Kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä sai vuonna 2007 valmiiksi kartan pimeän aineen jakautumisesta avaruuden alueilla.

Suurin osa kaikkeudesta on näkymätöntä.

Taivaalla näkyvät tähdet muodostavat neljä prosenttia maailmankaikkeuden koko massasta. Muu osuus on pimeää ainetta ja vielä kummallisempaa pimeää energiaa. Outo pimeä energia on kuin antipainovoima, joka kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista. Sen olemassaolo voi johtua universumin rakenteesta tai mahdollisen toisen maailmankaikkeuden vaikutuksesta.
Vuonna 2007 kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä sai valmiiksi kartan pimeän aineen jakautumisesta. Kartta kattaa tosin pienen alueen maailmankaikkeudesta, mutta siitä selvisi, että pimeä aine pitää universumin näkyvää ainetta paikoillaan. Ilman pimeän aineen massaa tähdet ja galagsit loittonisivat toisistaan joka suuntaan, sillä niiden massa ei riitä pitämään galakseja koossa.
pimeän aineen kartoittaminen oli vaativa tehtävä, sillä ainetta ei nimensä mukaisesti voida havannoida tavanomaisin menetelmin. Tutkijaryhmän työsuoritus voidaan verrata siihen että suurkaupungin rakennuskantaa tutkittaisiin yöllä otetuin ilmakuvan perusteella. Kuvassa katuvaloista saataisiin viitteitä siitä, missä kadut kulkevat, mutta rakennusten, torien, puistojen ja jopa esikaupunkien sijaintia pitäisi arvailla.
Kartoitustyössä oli mukana kaikkiaan 70 tutkijaa. Työssä käytettiin Hubble- avaruusteleskooppin ACS-kameran havaintoja. ACS-kamera otti kaikkiaan 575 kuvaa, ja yksinomaan kuvaamiseen kului yli tuhat tuntia. Tutkittu alue katettiin kuvilla niin, että kuvat menivät osittain päällekkäin. Kyseessä oli laajin Hubblella suoritettu tutkimuskohde.
Tutkijaryhmä, jota johti Richard Massey Kalifornian teknisestä korkeakoulusta, tarkkaili 500000.ta galaksia alueella, jonka läpimitta tähtitaivaalla oli yhdeksän kertaa niin suuri kuin Kuun. Kaukaisimmat tutkituista galakseista sijitsivat 6,5 miljardin valovuoden päässä Maasta.
Pimeä aine toimii ikään kuin gravitaatiolinssinä, joka taittaa kaukaisten galaksien valoa, sillä pimeän aineen massa vetää valoa puoleensa ja muuttaa sen suuntaa. Gravitaatiolinssi-ilmiö käyttämistä voidaan verrata siihen, että suihkukaapin lasin muotoja tutkittaisiin lasin läpi siroavan valon avulla.
Kun ACS-kameran tuloksiin yhdistettiin Maassa sijaitsevien teleskooppien mittaamat etäisyydet galakseihin, saatiin aikaan kolmiulotteinen kartta. Kartta ulottuu aikaan, jolloin maailmankaikkeuden ikä oli puolet nykyisestä. Siitä selviää, että pimeä aine kasaantuu sitä enemmän mitä kauemman aikaa alkuräjähdyksestä on kulunut.
Kun tutkijat olivat saaneet valmiiksi kartan pimeän aineen jakautumisesta, laadittiin myös kartta näkyvien galaksien jakautumisesta samalla alueella. Vertaamalla karttoja saatiin selville, että näkyvän aineen tiheys on suurin juuri siellä missä myös pimeää ainetta on eninten.
Kartat ovat ensimmäinen todiste pimeän aineen vaikutuksesta maailmankaikkeuden rakenteeseen. Tähän asti sitä on voitu tarkastella vain tietokonemallien perusteella. Pimeän aineen jakautumisen selvittäminen voi auttaa myös valottamaan sitä, miten näkyvät galaksit ovat kehittyneet. uudet kartat tukevat nykyistä teoriaa siitä, miten aine alkoi kasaantua nuoressa universumissa.

Koostumus on yhä arvoitus.
Vaikka pimeän aineen jakautuminen maailmankaikkeudessa alkaakin vähitellen
selvitä, koko sen koostumus on yhä selvittämättä. Varmaa on, galakseissa on jotakin tuntematonta ainetta, mutta aineen olemuksesta uskalletaan esittää ainoastaan hataria arvailuja.
Viime vuosina pimeää ainetta on tutkittu muun muassa alkuräjähdysteorian
mallin perusteella. Alkuräjähdysteoriassa selvitetään, miten ja millaisissa olosuhteissa atomiytimet syntyivät fuusioitumalla muutamia minuutteja maailmankaikkeuden synnyn jälkeen.
Atomiytimien fuusioitumista kutsutaan alkuräjähdyksen ydinsynteesiksi. Laskalmien mukaan ydinsynteesissä syntyi pääasiassa vetyä ja heliumia suhteessa 3:1. Ydinsynteesiteoria ennustaa suunilleen oikein kevyiden alkuaineiden pitoisuudet maailmankaikkeudessa, sillä Linnunradan tähdistä ja kaasupilvistä tehdyissä havainnoissa on todettu olevan 3/4 vetyä ja 1/4 heliumia. Ydinsynteesissä syntyi lisäksi pieniä määriä vedyn isotooppia deuteriumia, heliumin isotooppeja sekä litiumia ja berylliumia.
Alkuräjähdyksessä muodostuvien aineiden suhteelliset pitoisuudet riippuivat baryonisen aineen eli tavanomaisen protoneista ja neutroneista rakentuvan aineen määrästä. Normaalin aineen tiheys määritellään havainnoimalla maaimankaikkeuden ainetta ja muuttamalla ydinsynteesiä havaittujen määrien mukaan.
Mittauksissa on käynyt ilmi, että pimeän aineen tiheys on huomattavasti suurempi kuin baryonisen aineen. Siten vain pieni osa maailmankaikkeuden pimeästä aineesta voi koostua tavanomaisista aineen rakennusosista eli protoneista, neutroneista ja elektroneista.
Pimeän aineen erilaisen rakenteen vuoksi vain pieni osa siitä voidaan selittää tuntemattomilla planeetoilla, ruskeilla kääpiöillä, neutrontähdillä tai muilla tavanomaisilla taivaankappaleilla. Todennäköisintä on, että pimeä aine muodostuu ennen tuntemattomista hiukkasista, jotka käyttäytyvät eri tavalla kuin näkyvän aineen hiukkaset.
Hiukkaset liikkuvat nopeasti.
Pimeän aineen ominaisuuksia yritetään selvittää myös tutkimalla maailmankaikkeuden suurten etäisyyksien rakennetta.
Siinä tarkkaillaan yhä kaukaisempia galakseja, jotka kertovat miljardeja vuosia sitten vallinneesta tilanteesta.
Sekä galaksien tarkkailusta että uudesta kolmiulotteisesta pimeän aineen kartasta on saatu selville, että pimeällä aineella on taipumus kasautua sitä enemmän, mitä pidemmän aikaa alkuräjähdyksestä on kulunut. Kasautumistaipumus viittaa siihen, että ainakin jotkin pimeän aineen ominaisuuksista muistuttavat näkyvän aineen ominaisuuksia.
Kasautumiskyky vaikuttaa myös tapaan, jolla tutkijat ovat jakaneet pimeän aineen kylmäksi ja lämpimäksi aineeksi. Nimestä huolimatta jako ei perustu lämpötilaan vaan pimeän aineen hiukkasten nopeuteen.
Lämmin pimeä aine koostuu hiukkasista, jotka liikkuvat lähes valon nopeudella. Lämminpimeä aine ei kasaannu kovin helposti, mutta kun se kasaantuu, syntyy laajoja aineen tihentymiä, joiden ala on 10 yläl.16 Auringon massaa eli tihentymä vastaa suunnilleen galaksijoukkoa.
Kylmä pimeä aine, jonka nopeus on huomattavasti valon nopeutta hitaampi, kasaantuu helposti rakenteiksi, joiden ala on 10 yläl 8- 10 yläl 15 Auringon massaa, mikä vastaa kutakuinkin kääpiögalaksia.
Toisaalta kylmääkään pimeää ainetta ei voi olla mielin määrin, sillä siinä tapauksessa maailmankaikkeudessa olisi nykyistä enemmän kääpiögalaksien kaltaisia muodostelmia.
Saattaa olla, että maailmankaikkeuden pimeä aine onkin “haaleaa” massaa, jossa on tasaisesti sekä kylmää että kuumaa pimeätä ainetta.

Pimeä aine ilmenee monin tavoin.
Pimeää ainetta ei voida havaita suurimmillakaan teleskoopeilla, sillä se ei lähetä valoa. Se havaitaan kuitenkin epäsuorasti, sillä aine, jolla on massa, vaikuttaa painovoimallaan ympäristöönsä.
Tätä gravitaatiovaikutusta käytetäänkin apuna pimeän aineen jakautumiseen kartoittamisessa ja määrän mittaamisessa.
Ensimmäiset havainnot pimeästä aineesta tehtiin 1970-ja 1980-luvuilla, kun tutkittiin kierregalaksien tähtien liikkeitä.
Todettiin, että esimerkiksi Aurinko kiertää Linnunradan keskusta 25000 valovuoden päässä noin 220 kilometrin sekuntinopeudella.
Hämmästyttävää oli se, että myös tähdet, jotka sijaitsivat paljon kauempana Linnunradan keskuksesta kuin Aurinko, liikkuivat jokseenkin samalla nopeudella.
Tähtien kiertoliikkeen sekuntinopeus Linnunradan laitamilla, jossa on hyvin vähän materiaa, on melkein sama kuin lähempänä keskusta. Siellä siis täytyy olla jotain ainetta, joka ei näy, mutta jonka painovoima antaa tähdelle lisää vauhtia.
Laskelmien mukaan kierregalakseissa täytyy olla noin kymmenenkertaa niin paljon ainetta kuin sen näkyvissä tähdissä ja tähtienvälisessä kaasussa on.
Vastaavaan tulokseen päästiin, kun tarkasteltiin suurten galaksijoukkojen valon taittumista. Mittausten mukaan niiden valon taittuminen vaatii suurempaa massaa kuin mitä näkyvät tähdet sisältävät. Myös muilla mittausmenetelmillä on päästy kutakuinkin samaan tulokseen. Toisin sanoen suurin osa maailmankaikkeudesta koostuu aineesta, jota ei voida nähdä.
Osa pimeästä aineesta on luultavasti neutriinoja.
-Esimerkiksi Abruzzossa Italiassa sijaitsevalla neutriinonilmaisimella on yritetty selvittää neutriinon olemusta.
Suurin osa kaikkeudesta on näkymätöntä.
Taivaalla näkyvät tähdet muodostavat vain neljä prosenttia maailmankaikkeuden koko massasta. Muu osuus on pimeää ainetta ja kummallisempaa pimeää energiaa. Outo pimeä energia on kuin antipainovoima, joka kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista. Sen olemassaolo voi johtua universumin rakenteesta tai mahdollisen toisen maailmankaikkeuden vaikutuksesta.
Neutriino on kuuma kandidaatti.
Lämpimän pimeän aineen alkeishiukkaseksi on jo olemassa vahva ehdokas neutriino.
Varaukseton neutriino osallistuu moniin ydinreaktioihin, mutta se on vain hyvin heikossa vuorovaikutuksessa atomien kanssa. Ilmaisimilla tehdyissä kokeissa on todettu, että neutriinoilla on massa-vaikkakin se on erittäin pieni. Pienikin massa kuitenkin riittää aiheuttamaan painovoimavaikutusta,
sillä maailmankaikkeudessa neutriinoja on valtava määrä.
Ainoastaan sinä aikana kun olet lukenut yhden lauseen tästä tekstistä, miljoonat Auringosta peräisin olevat neutriinot ovat ehtineet hujahtaa lähes valonnopeudella peukalosi läpi.
Neutriinojen massaa on tutkittu monilla ilmaisimilla eri puolilla maailmaa.
Yksi näistä hankkeista toteutettiin Etelämantereella.
AMANDA II- projektissa neutriinoja havainnoitiin jäähän sijoitettujen valokennojen avulla. Vaijereissa jääkuiluihin satojen metrien syvyyteen asennetut valokennot rekisteröivät neutriinojen ja vesimolekyylien harvinaisia törmäyksiä.
Nyt AMANDA-ilmaisin on uuden Ice Cube-ilmaisimen keskellä.
Kun neutriino törmäsi Antarktiksen jäässä olevaan vedyn tai hapen ytimeen, ydin hajosi ja syntyi myoni.
Myoni on elektronin kaltainen varautunut hiukkanen, joka voidaan havaita optisilla laitteila sillä se lähettää sähkomagneettista Tserenkovin säteilyä.
AMANDA II-hankkeessa ja muissa ilmaisintutkimuksissa on todettu, että neutriinon massa on miljoonasosasta kymmenesmiljoonasosaan elektronin massasta. Se merkitsee, että neutriinojen massa olisi yhdestä seitsemään prosenttia koko maailmankaikkeuden massasta.
Siten neutriinoilla voitaisiin selittää osa pimeästä aineesta, mutta ei kaikkea.
Kylmäksi pimeäksi aineeksi on niin ikään yksi hyvä ehdokas: WIMP eli heikosti vuorovaikuttava massiivinen hiukkanen ( Weakly Interacting Massive Particle).
Kyseessä ovat siis raskaat hiukkaset, jotka vuorovaikuttavat ainoastaan painovoiman ja heikon ydinvoiman kautta.
WIMP-hiukkaset täyttäisivät monta pimeän aineen hiukkasilta vaadittua ominaisuutta, mutta niitä on kuitenkin erittäin vaikea havainnoida.
WIMP-hiukkasia etsitään Yhdysvalloissa Minnesotassa vanhaan kaivokseen rakennetulla ilmaisimella. Kaivoksessa kylmässä lämpötilassa on ilmaisimia, joiden toivotaan rekisteröivän värähtelyä, jos WIMP-hiukkasia osuu niihin.
Vastaus pimeän aineen olemukseen voi kuitenkin löytyä jostain aivan muualta.
Voi olla , että paras ehdokas pimeän aineen hiukkaseksi , kylmäksi tai lämpimäksi, onkin vielä löytymätön alkeishiukkanen.Fyysikoiden teoreettisissa malleissa uumoillaan, että olisi olemassa tuntemattomia hiukkasia, kuten erittäin kevyitä varauksettomia aksioneja, supersymmetrisiä hiukkasia tai magneettisia monopoleja.
Tutkijat toivovat saavansa vihdoinkin selvyyden näiden hiukkasten olemassaoloon, kun Cernin uusi LHC-kiihdytin (Large Hadron Collider) pian aloittaa toimintansa. Jos tällaisia hiukkasia on ja jos niitä ylipäätään voidaan luoda laboratorioissa, niin LHC todennäköisesti havaitsee ne.
-Harrastelija.

Ovat havainneet, että kuutiometrissä avaruutta olisi yksi elektroni eli kokonainen elektroni, joka kirjoittajan laskelmissa oli epätarkuusperiaatteella? mennyt puoliksi.

Jos valo tulisi 14 miljardin valovuoden päästä, se olsi tuoloin ainakin kerran törmännyt elektrioniin ja sironnut, jolloin näkyvyysraja olsi tuo 14 miljardia valovuotta, jonka ovat todenneetkin. Protoneja ilmeisesti voi olla vähemään ja ne on painavampina kertyneet raskaiden kohteiden ympärille, jolloin eivät haittaa näkyvyyttä, sillä muutoin ei näkyisi niin kauas. Luultavasti nuokin viihtyvät paremmin kasassa kuin hajallaan.

tähtien tarkkailija kirjoitti:

Ovat havainneet, että kuutiometrissä avaruutta olisi yksi elektroni eli kokonainen elektroni, joka kirjoittajan laskelmissa oli epätarkuusperiaatteella? mennyt puoliksi.

Jos valo tulisi 14 miljardin valovuoden päästä, se olsi tuoloin ainakin kerran törmännyt elektrioniin ja sironnut, jolloin näkyvyysraja olsi tuo 14 miljardia valovuotta, jonka ovat todenneetkin. Protoneja ilmeisesti voi olla vähemään ja ne on painavampina kertyneet raskaiden kohteiden ympärille, jolloin eivät haittaa näkyvyyttä, sillä muutoin ei näkyisi niin kauas. Luultavasti nuokin viihtyvät paremmin kasassa kuin hajallaan.

Lue lisää

onkos sitä tullut törmäiltyä elektroneihin lähiaikoina. vai luuletko että musta tuntuu että se energia ei voi levittäytyä tasaisesti "varjoon" pysähtymättä. Eli huomioi jatkuvuus,missä ei vuosia tunneta. On aikaa miettiä kyllä.

No, jos oletetaan että alkuräjähdyksiä sattuu koko ajan, niin silloin ns. pimeä aine lisääntyy jatkuvasti. Tämähän ei ole välttämättä ainoa maailmankaikkeus.

NobelOdottaa kirjoitti:

No, jos oletetaan että alkuräjähdyksiä sattuu koko ajan, niin silloin ns. pimeä aine lisääntyy jatkuvasti. Tämähän ei ole välttämättä ainoa maailmankaikkeus.

Kaikki multimaailmateoriat olettavat, ettei vuorovaikutusta eri universumien välillä ole.

Tee teoriastasi matemaattinen malli. Ei kylmä (atomien tai molekyylien liike vähäistä) tai lämmin (atomien tai molekyylien liike kovaa) sähkömagneettiseen säteilyyn vaikuta.

kiinnostavaa-jos-totta kirjoitti:

Tee teoriastasi matemaattinen malli. Ei kylmä (atomien tai molekyylien liike vähäistä) tai lämmin (atomien tai molekyylien liike kovaa) sähkömagneettiseen säteilyyn vaikuta.

Lue lisää

Matemaattisen mallin teko vaatisi jonkinlaiset lähtöarvot hiukkasille joista pimeäaine muodostuu, aika haastava pyyntö, vaikka ei liene mahdoton.
Lämmin-kylmä ero heijastaa käsitykseni mukaan hiukkasmassan tiheyttä, joka voi olla koostumukseltaan erilaista. kylmäaine pienempi hiukkaskoko, lämminaine hieman suurempi. Lämpimän aineen liike johtuu valonvaikutuksesta hiukkasiin (eivät heijasta valoa koska valo "työntää ne syrjään") mutta joutuvat liikkeeseen koska valoaallot "tuuppivat" niitä koko ajan. Valoaallon taajuudella värähtelevät hiukkaset varautuvat liikkeen vaikutuksesta. Liike siis saa aikaan lämpötilan nousun, ja sähkömagneettisen säteilyn.