Kosmokseen kirjoitettua

Ei suojaa luotisateelta

30.12.2024 klo 20.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Edellisen merkinnän kommenteissa kysyttiin, voiko mustien aukkojen törmäyksiä tavalliseen aineeseen havaita, jos pimeä aine koostuu niistä.

Pimeä aine on toistaiseksi havaittu vain sen gravitaation kautta. (Jos pimeä aine siis on oikea selitys havainnoille – ainakin se on erittäin onnistunut ja toistaiseksi paras selitys.) Niinpä tiedetään paljonko tietyssä tilavuudessa on pimeän aineen massaa, mutta ei sitä paljonko siinä on pimeän aineen hiukkasia (tai muita osia).

Meille näkyvässä maailmankaikkeuden alueessa pimeää ainetta on noin kuusi kertaa niin paljon kuin tavallista ainetta, massassa mitattuna. Kotonamme, Linnunradassa Aurinkokunnan kohdalla, pimeän aineen massaa on noin kolmannes protonin massasta kuutiosenttimetrissä – paljon vähemmän kuin näkyvää ainetta. Tavallinen aine on tiivistynyt Linnunradan keskelle, ja tähdiksi ja planeetoiksi, pimeä aine on tasaisemmin jakautunut. Mitä ulommas Linnunradassa mennään, sitä isommaksi pimeän aineen osuus kasvaa.

Mitä raskaammista osista pimeä aine koostuu, sitä vähemmän niitä on, koska kokonaismassa tiedetään havainnoista.

Jos pimeä aine on mustia aukkoja, niiden massa on asteroidin massan luokkaa, muuten ne olisi havaittu. Näitä mustia aukkoja on Aurinkokunnan tienoilla jotain sadasta kymmeneen miljoonaan kymmenestä miljoonaan kappaletta kuutiovalovuodessa, massasta riippuen. Tämä on niin vähän, että törmäykset tavallisen aineen kanssa ovat hyvin harvinaisia. (Jos pimeä aine koostuu mustien aukkojen höyrystymisen lopputuloksena syntyneistä nokareista, niitä törmäilisi Maahan koko ajan, mutta sellaisten vuorovaikutukset ovat niin heikkoja, että niitä on hyvin vaikea havaita.)

Monien suosittujen pimeän aineen hiukkasten (kuten nynnyjen) massa on noin sata protonin massaa. Niitä olisi Maapallolla noin yksi per kahvikuppi. Koska pimeä aine liikkuu noin 200 kilometriä sekunnissa, kahvikupin läpi pyyhältäisi sekunnissa noin miljoona pimeän aineen hiukkasta.

Monet yritykset havaita pimeää ainetta perustuvat tähän isoon hiukkasmäärään. Niissä tarkastellaan huolella valmisteltua koepalaa laboratoriossa ja katsotaan tönäisevätkö pimeän aineen hiukkaset sen atomeita. Isoimmat koepalat ovat muutaman tonnin painoisia. Jos mitään ei nähdä, saadaan yläraja sille, miten voimakkaasti pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat tavallisen aineen kanssa.

Jos pimeä aine on paljon raskaampaa, sitä ei enää voi havaita tällä tavalla. Hiukkasia on silloin niin harvassa, että osumia laboratorion koepaloihin ei tule tarpeeksi. Niinpä fyysikot ovat päättäneet käyttää havaintolaitteina hieman kevyempiä mutta monilukuisia ja huolella tarkkailtuja kappaleita: ihmisiä.

Jagjit Singh Sidhu, Robert J. Scherrer ja Glenn Starkman julkistivat vuonna 2019 artikkelin, missä he tutkivat, mitä voimme sanoa pimeästä aineesta sen perusteella, että se ei ole tietääksemme tappanut ketään.

Jos pimeä aine koostuu alkeishiukkasista, sen törmäykset ihmiskehoon eivät ole vaarallisia, koska ne ovat hyvin pienienergisiä. Mutta alkeishiukkasten (kevyitä ja tiheässä) ja mustien aukkojen (raskaita ja harvassa) välissä on se mahdollisuus, että pimeä aine koostuu isoista klimpeistä, joissa on paljon alkeishiukkasia yhteen sitoutuneina – kuten tavallisessa aineessa Maapallolla.

Tällaiset mötikät voivat olla niin raskaita, että sellaisen osuminen ihmiskehoon aiheuttaisi merkittävää vahinkoa, ja niitä voi silti olla niin tiheässä, että osumia tulee paljon – ei yksittäiseen ihmiseen, mutta suureen määrään ihmisiin kokonaisuutena.

Usein sanotaan, että pimeä aine vuorovaikuttaa heikosti itsensä ja näkyvän aineen kanssa. Tämä koskee kuitenkin vain alkeishiukkasia. Jos pimeän aineen järkäleet ovat tarpeeksi raskaita, ne voivat vuorovaikuttaa vahvasti – silloin vuorovaikutukset ovat harvinaisia siksi, että niitä on harvassa.

Sidhu ja kumpp. keskittyvät sellaisiin pimeän aineen mötiköihin, jotka vuorovaikuttavat niin heikosti, että ne pääsevät ilmakehästä maanpinnalle, mutta tarpeeksi voimakkaasti, että ne jättävät ihmisen läpi mennessään jälkeensä vähintään yhtä paljon energiaa kuin .22 kaliiperin kiväärin luoti. Silloin ne myös läpäisevät katot, seinät ja muut rakenteet helposti. Nopeudella 200 km/s kiitävä pimeän aineen mötikkä repisi niihin ja ihmiseen hyvin kuuman ja ohuen reiän.

Sidhu et al. käyttävät vain Yhdysvaltojen, Kanadan ja Länsi-Euroopan väestöä detektorina, koska eivät ole varmoja siitä jäisivätkö tällaiset tapaturmat muualla huomiotta. Oletus on ehkä outo, mutta varovainen, eivätkä rajat muutu siitä suuresti – joka tapauksessa kyse on noin miljardista ihmisestä. Tarkasteluajaksi on otettu kymmenen vuotta.

Siitä, että tällaisia salaperäisiä haavoittumisia tai kuolemantapauksia ei ole raportoitu eikä havaittu ruumiinavauksissa voi päätellä miten vahvasti mötikät voivat vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa.

Mieleen tulee, että onhan maailmassa paljon muutakin kuin ihmisiä, joihin tällaiset näkymättömät luodit voisivat iskeä. Luotettavia tilastoja vaurioista voi kuitenkin olla vaikea saada. Osa artikkelin kirjoittajista esitti vuonna 2022, että tuolloin Australiassa kuvatut suorat salamat olisivat jälki pimeän aineen syöksystä ilmakehän halki. Muutaman päivän kuluttua he vetivät väitteensä pois, koska salama ei ehkä ollut niin suora kuin miltä se kuvassa näytti.

Maanalaisista mineraaleista on kyllä syynätty pimeän aineen törmäysjälkiä. Niitä voi tutkia kerralla vain pienen määrän, mutta vastineeksi ne kantavat muistoja satojen miljoonien vuosien ajalta. Toisaalta rajoja tulee siitä, että pimeän aineen hiukkasten ja valon vuorovaikutuksesta ei näy mitään merkkejä kosmisessa mikroaaltotaustassa.

Mutta nämäkin huomioon ottaen Sidhun ja kumpp. tarkastelu antaa uusia rajoituksia pimeän aineen mötikköjen vuorovaikutuksille, kun niiden massa on gramman kymmenesosan ja 50 kilogramman välillä. Heidän työnsä havainnollistaa sitä, miten vähän tiedämme pimeästä aineesta ja miten erilaisia keinoja sen tutkimiseen on keksitty.