Kosmokseen kirjoitettua

Auringonpimennyksestä pimeään aineeseen

20.3.2015 klo 17.35, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Auringonpimennyksestä pimeään aineeseen

Katsoin tänään auringonpimennystä Utsjoella, ja pidin sen jälkeen jokseenkin seuraavanlaisen puheen yleisestä suhteellisuusteoriasta, auringonpimennyksestä ja pimeästä aineesta. Esityksen teksti on saatavilla myös pohjoisssaameksi.

Uusi maailmankuva

Tänä vuonna tulee kuluneeksi sata vuotta siitä, kun Albert Einstein löysi yleisen suhteellisuusteorian. Einsteinin tavoitteena oli ymmärtää gravitaatiota, mutta hänen teoriansa mullisti myös käsityksemme ajasta ja avaruudesta.

Klassisen fysiikan ja arkiajattelun mukaan avaruus on vain tapahtumien näyttämö ja aika kertoo, missä kohtaa näytelmään ollaan. Avaruuden tapahtumat eivät vaikuta ajan kulkuun, eikä avaruus muutu ajassa. Suppea suhteellisuusteoria oli paljastanut vuonna 1905, että aika ja avaruus eivät ole erillisiä, vaan muodostavat erottamattoman kokonaisuuden, aika-avaruuden.

Yleinen suhteellisuusteoria osoitti, että aika-avaruus vuorovaikuttaa aineen kanssa. Avaruus kehittyy ajassa, ja aika kulkee eri tavalla eri paikoissa, riippuen siitä, millaista ainetta avaruudessa on. Toisaalta aika-avaruus määrää sen, miten aine liikkuu.

Klassisen fysiikan mukaan gravitaatiossa on kyse siitä, että massat vetävät toisiaan puoleensa. Yleinen suhteellisuusteoria on osoittanut, että tämä ei pidä paikkaansa. Sen sijaan kappaleet muuttavat ympärillään olevaa aika-avaruutta, mikä sitten vaikuttaa toisten kappaleiden liikkeisiin.

Esimerkiksi Aurinko ei vedä Maata puoleensa. Sen sijaan Aurinko taivuttaa aika-avaruutta ympärillään, ja tämän takia Maan rata taipuu. Auringon aiheuttama muutos aika-avaruuteen on pieni, joten ratojen taipuminen on pientä, ja Maa kulkee melkein suoraan. Tämä saattaa kuulostaa kummalliselta – eikö Maa kulje ympyrärataa (tai tarkemmin sanottuna ellipsirataa), mikä on jokseenkin niin kaukana suorasta kuin mahdollista? Maa ei kuitenkaan kulje ympyräradalla kun tarkastellaan sen rataa aika-avaruudessa, ei vain avaruudessa.

Samalla kun Maa liikkuu avaruudessa ympyrällä, se kulkee eteenpäin ajassa. Jos Maan kiertotason ajattelee kaksiulotteiseksi levyksi ja ajan sitä kohtisuoraan olevaksi kolmanneksi ulottuvuudeksi, niin Maapallo kulkee ylöspäin ajassa samalla kun se kiertää avaruudessa. Maa nousee hitaasti kiertyvää spiraalia tulevaisuuteen.

Maalla kulkee Auringon ympäri vuodessa. Maan etäisyys Auringosta on noin kahdeksan valominuuttia, eli noin 500 valosekuntia. Vuodessa on 30 miljoonaa sekuntia, eli jos Maapallon radan säde olisi metri, niin spiraalin yksi kierto nousisi 60 kilometriä ylöspäin: radan kaarevuus on pieni, Maapallo kulkee lähes suoraan.

Selityksiä ja ennustuksia

Yleisen suhteellisuusteorian kuva aika-avaruudesta ja gravitaatiosta eroaa merkittävästi siitä, mitä oli aiemmin luultu. Vahvat väitteet vaativat vahvaa todistusaineistoa. Tieteessä asioita todistetaan vertaamalla teorioita havaintoihin. Todistusaineistoa on kahdenlaista: on mahdollista selittää jo tehtyjä havaintoja ja ennustaa tulevia havaintoja.

Yleinen suhteellisuusteoria ei selitä samaa gravitaatiota eri sanoin, sen mukaan gravitaatio käyttäytyy eri tavalla kuin klassisessa fysiikassa.

Eräs merkittävä asia, jonka yleinen suhteellisuusteoria selitti oli Merkuriuksen radan kiertyminen. Merkurius liikkuu ellipsin muotoisella radalla, joka kiertyy hiljalleen. Havaitusta kiertymisestä suurin osa selittyy sillä, että muut planeetat häiritsevät Merkuriuksen liikettä Auringon ympäri.

Vuodesta 1859 asti oli tiedetty, että Merkuriuksen rata kuitenkin kiertyy noin 8% enemmän kuin mitä Newtonin gravitaatioteoria ennustaa. Tätä yritettiin selittää muun muassa sillä, että Auringon lähellä oli uusi ja tuntematon planeetta nimeltä Vulkanus. Planeettaa ei löydetty, mutta sillä on sittemmin ollut menestynyt ura populaarikulttuurissa. Yleinen suhteellisuusteoria selitti kiertymän sillä, että Auringon aiheuttama aika-avaruuden taipuminen saa aikaan hieman erilaisen liikkeen kuin klassisen fysiikan painovoima.

Valon taipuminen

Kuten kaikki tietävät, on helpompi keksiä selityksiä asioille, jotka jo tietää, kuin ennustaa tulevia. Niinpä yleisen suhteellisuusteorian ensimmäinen varsinainen koe liittyi valon taipumisen ennustamiseen Auringon lähellä.

Aurinko vaikuttaa ympäröivään aika-avaruuteen. Valo liikkuu aika-avaruudessa. Niinpä Aurinko vaikuttaa valon liikkeisiin, ei vain planeettojen ja muiden massiivisten kappaleiden liikkeisiin. Aurinko taivuttaa valonsäteitä sitä enemmän, mitä lähempää Aurinkoa ne kulkevat. Vaikutus on melko pieni, joten sen havaitsemiseksi pitää katsoa hyvin läheltä Aurinkoa kulkevia valonsäteitä. Valon taipuminen muuttaa taivaalla olevien valonlähteiden, kuten tähtien, näennäisiä paikkoja. Tämän voi havaita vertaamalla tähtien suhteellisia paikkoja silloin kun niiden valo kulkee läheltä Aurinkoa ja silloin kun se kulkee kaukaa.

Ongelmana on se, että Aurinko on hyvin kirkas, joten sen lähellä olevia tähtiä on vaikea havaita. Tässä Auringonpimennys tulee mukaan kuvaan: silloin Auringon kiekon lähellä olevat tähdet on helppo nähdä. Vuonna 1919 valon taipumisen mittaus suoritettiin onnistuneesti, ja nähtiin että tähtien paikat muuttuivat asteen tuhannesosan puolikkaan verran, yleisen suhteellisuusteorian ennusteen mukaisesti.

Kohti pimeää ainetta

Valon taipumisen ennustuksen varmistamisen myötä yleinen suhteellisuusteoria hyväksyttiin ja Einsteinista tuli kuuluisa. Teorian ennustuksia on sittemmin varmennettu tukuittain. Pian tuli kuitenkin vastaan uusi ongelma: jos otetaan huomioon vain näkyvä aine, niin tähdet galakseissa ja galaksit galaksiryppäissä eivät liiku teorian ennusteiden mukaisesti. Tarvitaan siis joko uusi gravitaatioteoria tai uutta ainetta. Yleensä kallistutaan uuden aineen puoleen, ja koska sitä ei nähdä, sille on annettu nimeksi pimeä aine.

Pimeyden historiaa

Ensimmäisen kerran termiä pimeä aine käytti tähtitieteilijä Jacobus Kapteyn vuonna 1922 viitatessaan aineeseen, joka havaitaan vain sen kautta, miten sen gravitaatio vaikuttaa näkyvän aineen liikkeisiin. Vuonna 1932 tähtitieteilijä Jan Oort väitti havainneensa pimeän aineen Linnunradassa. Oort mittasi sellaisten tähtien liikkeitä, jotka liikkuvat kohtisuoraan Linnunradan kiekkoa vasten. Tähtien nopeus riippuu siitä, paljonko massaa kiekossa on: mitä raskaampi kiekko, sitä isompi gravitaatiovaikutus, ja sitä nopeammat liikkeet.

Jan Oortia ei kuitenkaan muisteta pimeän aineen löytäjänä, siitä harmillisesta syystä, että hän oli väärässä. Hänen havaitsemiensa tähtien liikkeet nimittäin selittyvät kokonaan näkyvällä aineella. Niinpä pimeän aineen löytäminen on mennyt Fritz Zwickyn nimiin. Zwicky ei tarkastellut tähtien liikkeitä galaksissa, vaan galaksien liikkeitä galaksiryppäissä, jotka ovat gravitaation yhteen niputtamia galaksien kokoelmia. Idea oli sama kuin Oortilla: mikä enemmän massaa, sitä isompi nopeus. Zwicky päätteli vuonna 1933 mitatuista nopeuksista, että Coma-galaksiryppäässä on paljon pimeää ainetta.

Zwickyn johtopäätös on osoittautunut paikkansapitäväksi, mutta aikanaan sitä ei yleisesti hyväksytty. Zwickyn kerrotaan olleen sitä mieltä, että tämä johtui tähtitieteilijöiden keskinkertaisuudesta. Mutta tähtitieteellisten havaintojen tulkitseminen on vaikeaa, ja pimeä aine on idea, jonka hyväksymiseksi tarvitaan paljon todistusaineistoa.

1970-luvulla Vera Rubin tutki sitä, miten tähdet liikkuvat galakseissa. Toisin kuin Oort, hän keskittyi tähtiin, jotka kiertävät galaksin tasossa, ei sellaisiin, jotka liikkuvat kohtisuoraan tasoa vasten. Mutta idea oli jälleen sama: mitä isompi nopeus, sitä enemmän massaa. Rubin totesi, että tähtien kiertonopeuksien selittämiseksi tarvitaan pimeää ainetta.

Todistusaineistoa

Vuosikymmenien aikana on kertynyt paljon erilaisia havaintoja, joita pimeä aine on selittänyt ja ennustanut. Toistaiseksi ne kaikki liittyvät gravitaatioon. Eräs merkittävä tällainen havainto, tähtien ja galaksien liikkeiden lisäksi, liittyy valon taipumiseen. Kun kaukaisten galaksien ja muiden kohteiden valo matkaa maailmankaikkeuden halki, se voi kohdata massakeskittymiä (kuten galakseja ja galaksiryppäitä), jotka ovat paljon isompia kuin Aurinko, ja sen takia taivuttavat valoa paljon enemmän. Niiden vaikutuksen kuvissa voi nähdä silmin selvästi, toisin kuin Auringon aiheuttaman pienen häiriön.

Pimeyden luonne

Mitä pimeä aine sitten on? Se ei lähetä valoa eikä ime valoa, eli se on näkymätöntä. 1970-luvun lopulta alkaen on tiedetty, että se ei koostu mistään tunnetuista hiukkasista. Luultavasti on kyse toistaiseksi tuntemattomista alkeishiukkasista. Ne ovat näkymättömiä siksi, että niillä ei ole sähkövarausta – näkeminen perustuu siihen, että valo kimpoaa sähkövarauksista. Jos hiukkasella ei ole sähkövarausta, se ei vuorovaikuta valon kanssa, eikä sitä voi nähdä. Samasta syytä pimeää ainetta ei voi koskea: koskeminen perustuu siihen, että hiukkasten sähkövaraukset hylkivät toisiaan tai vetävät toisiaan puoleensa. Pimeä aine menee lävitsemme ilman että huomaamme.

Noin 80% maailmankaikkeuden aineesta (massassa mitattuna) on pimeää ainetta, vain noin 20% on tavallista, atomiytimistä ja elektroneista koostuvaa ainetta.

Aine, jota ei voi nähdä eikä koskea, voi kuulostaa kummalliselta. Pimeä aine on kuitenkin paljon yksinkertaisempaa kuin näkyvä aine. Näkyvän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat keskenään ja valon kanssa, ja ne muodostavat monimutkaisia yhdistelmiä: atomeja, molekyylejä, soluja. Pimeän aineen hiukkaset eivät sitoudu yhteen tai vuorovaikuta merkittävästi muuten kuin gravitaation kautta: niiden ymmärtäminen on helppoa.

Uusi gravitaatio?

Havainnot osoittavat, että jotain uutta tarvitaan, ja pimeä aine sopii kuvaan. Mutta Merkuriuksen liikkeet selitti uusi gravitaatioteoria, eikä pimeää ainetta ole havaittu muuten kuin sen gravitaation kautta. Voisiko olla niin, että tässäkin on kyse uudesta gravitaatioteoriasta, ei uudesta aineesta? Periaatteessa tämä on mahdollista. Urhoollisista yrityksistä huolimatta kukaan ei kuitenkaan ole onnistunut rakentamaan gravitaatioteoriaa, joka selittäisi kaikki ne havainnot, jotka pimeä aine selittää, ja joka olisi silti sopusoinnussa niiden hyvin tarkkojen mittausten kanssa, joita yleisen suhteellisuusteorian varmentamiseksi on tehty.

Pimeä aine on melkein sata vuotta vanha hypoteesi, joka on onnistuneesti selittänyt menneitä ja ennustanut tulevia. Sitä voi vielä järkevästi epäillä, mutta tutkimuksen keskeinen kysymys ei ole enää pimeän aineen olemassaolo, vaan sen ominaisuudet.

Varmuus pimeydestä

Näkyvän aineen liikkeiden seuraaminen kertoo siitä, millainen on näkymätön maailma. Merkuriuksen radan ylimääräisen kiertymän selitti uudenlainen gravitaatiolaki, yleinen suhteellisuusteoria. Tähtien ja galaksien nopeudet selittää luultavasti pimeä aine. Varmuuden tästä saa vain havaitsemalla pimeän aineen muuten kuin gravitaation kautta. Se on vaikeaa, koska pimeällä aineella ei ole sähkövarausta, mutta on useita kokeita, joissa etsitään pimeän aineen hiukkasia par’aikaa. Pimeän aineen hiukkasia saattaa löytyä lähitulevaisuudessa, mutta voi myös olla, että niiden vuorovaikutukset ovat niin heikkoja, että niitä ei koskaan löydetä.