Ei suojaa luotisateelta
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.
Päivitys (02/01/25): Korjattu mustien aukkojen lukumäärä kuutiovalovuodessa.
Galaksiytimien gravitaatiolinssihavainnot sallivat mahdollisuuden, ettei galaksiytimissä yleisesti ole suurta määrää pimeää ainetta pakkautuneena.
Myös havainnot Linnunradan ytimessä kiertävien tähtien dynamiikasta kertovat, että radat selittyvät yleisellä suhteellisuusteorialla ilman vahvaa pimeän aineen tiheyttä. Juuri todettiin jopa hyvin säilynyt kaksoistähti!
Koska näkyvä aine tiivistyy tehokkaammin kuin pimeä aine, galaksien keskustoissa on tyypillisesti näkyvää ainetta enemmän kuin pimeää ainetta.
Niin, tällä hetkellä vaikutelma on sellainen, että galaksin ydinalueella ja ehkä spiraaligalaksin kierteishaaroissa FDM-profiili (sumea pimeä aine) ja muualla NFW (Navarro-Frenk-White-profiili) CDM:n tapaan olisi parhaiten laajasti havaintoihin sopiva yhdistelmä. Ks. tutkimukset; core-cuspy & pimeän aineen korrelaatio vakiintuneisiin näkyvän aineen rakenteisiin.
Jos löytyisi arvattava fysikaalinen mekanismi miksi noin olisi, vaikkapa viriaaliteoreeman ja Tully-Fisher-relaation johdolla, ehkä tarkempia testejäkin osattaisiin järjestää.
Harmi, ettei GR:ssa selvästi ole nähtävissä nollaenenergiatasetta.
Tavallisen kylmän pimeän aineen (mitä mm. mustat aukot, nynnyt ja tämän merkinnän mötikät ovat) plus näkyvän aineen simulaatiot selittävät galaksien havaitun rakenteen hyvin – ei ole todisteita siitä, että muuta tarvitaan. Mahdollisia avoimia kysymyksiä on toki.
Arveletko, ettei galaksin ydinalueen analysoinnilla ole edellytyksiä antaa pimeän aineen luonteesta tarkempaa tietoa niin, että havainnointiponnisteluja voitaisiin suunnata tarkemmin?
Havainnot galaksien keskustoista ovat toki tärkeitä.
Räsänen: ”Koska pimeä aine liikkuu noin 200 kilometriä sekunnissa…” Mistä tämä tiedettän? Gravitaatiovaikutuksista?
Vastaukseni ei ylittänyt julkaisukynnystä.
Voisiko blogisti vastata aiheelliseen kysymykseen. Onko nopeusjakauma jollain perusteella universaali vai galaksikohtainen?
Muistutan, että blogin kommenttiosio ei ole paikka omien fysiikan teorioiden esittelemiseen.
Pimeän aineen hiukkasten nopeusjakauman odotetaan olevan pääpiirteiltään samanlainen eri galakseissa – tietysti siinä on galaksikohtaisia eroja. Kokeellista havaintoa nopeusjakaumasta ei ole.
Jos pimeä aine on mustia aukkoja, niin miksi näiden mustien aukkojen jakauma on niin erilainen kuin näkyvän aineen?
Tämä on hyvä kysymys, joka tulee usein esille pimeän aineen yhteydessä. Pitäisi ehkä kirjoittaa siitä oma merkintänsä.
Syy on yksinkertainen: mustat aukot vuorovaikuttavat vain gravitaation kautta, kun taas tavallisella aineella on muitakin vuorovaikutuksia. Esimerkiksi molekyyleista koostuva kaasu voi jäähtyä lähettämällä valoa, ja toisaalta kaasupilvien liikkeissä on kitkaa, mitä mustilla aukoilla ei ole.
Sama pätee suurimpaan osaan muista pimeän aineen ehdokkaista. Poikkeuksiakin on, mutta joka tapauksessa pimeän aineen kitkan, jäähtymisen jne. pitää olla vähemmän tehokasta kuin näkyvän aineen, koska havaintojen mukaan niiden jakauma on erilainen.
Mustia aukkoja aurinkokunnan tienoilla olisi siis kymmenestä miljoonaan kappaletta kuutiovalovuodessa ja nopeus mainitsemaasi luokkaa 200km/s. Linnunradan tilavuus nopeasti laskien n. 22 biljoonaa (22*10^12) kuutiovalovuotta kiekon tasaisella vahvuudella laskien, keskuspullistumasta siis hieman lisää. Tähtiä tuossa tilvuudessa jotain luokkaa 500 miljardia. Koska pimeä aine ei ole synkronoituneena kiekon pyörimiseen niin tuntuisi että törmäysten tai havaittavien ohitusten todennäköisyys pitäisi olla merkittävä. Kuten mainitsemassasi kahvikuppi-ilmiössä, mustia aukkoja olisi harvassa per tilavuus staattisessa tilanteessa mutta hurjan paljon tilan läpäisytapahtumia. Pienenkin noinkin nopean mustan aukon törmäys tähteen olisi varmaan mielenkiintoinen ilmiö, olisiko kukaan mallintanut tapahtumaa samassa mielessä kuin Sidhu ja kumppanit?
Onhan niitä tutkittu. Törmäykset eivät ole tavallisia, mutta toisaalta tähdet (ja varsinkin neutronitähdet ja valkoiset kääpiöt) elävät kauan, eli on paljon aikaa. Eli vaikka ei ole luultavaa, että näkee mustan aukon törmäävän Aurinkoon tai johonkin planeettaan sinä aikana kun katsomme taivaalle, jos törmäykset jättävät pysyviä jälkiä, niitä voisi havaita.
Esimerkiksi on tutkittu mahdollisuutta, että musta aukko törmää neutronitähteen tai valkoiseen kääpiöön ja hajottaa sen. Tällöin esim. valkoisia kääpiöitä olisi odotettua vähemmän, ja tärmäyksistä tulevaa säteilyä saattaisi näkyä taivaalla. On esitetty, että tämä sulkisi pois mahdollisuuden mustista aukoista pimeänä aineena, mutta mekanismissa on käsittääkseni aika paljon epävarmuutta, eikä tätä ole yleisesti hyväksytty.
Pienen mustan aukon ja tähden suoran törmäyksen olettaisin menevän jotenkin näin: Läpäistessään tähteä aukko imisi tähden massaa hieman tapahtumahorisonttia isommalta alueelta ja kasvaisi samalla, ehkä hidastuen tähden ytimen ohituksen jälkeen ja lisäten kasvuvauhtiaan. Jos aukko jäisi tähden gravitaatiokuoppaan niin nielisi sitten koko tähden, saaden aikaan tähdenmassaisen mutta romahdusprosessin tuottamaa pienemmän mustan aukon. Pienimassaisten mustien aukkojen havainnoista muistelen kyllä lukeneenikin, mutta niitä ei mainittu pimeän aineen mustien aukkojen teoriaa vahvistaviksi havainnoiksi. Olisiko jossain käsitelty juuri tämän luonteista skenaariota ja johtopäätöksiä?
Kyllä. Valkoisten kääpiöiden tapauksessa musta aukko saattaa myös sytyttää tähden hiilen, mikä voisi johdaa tähden tuhoutumiseen.
Kaikkien havaittujen mustien aukkojen massa on muutamasta Auringon massasta ylöspäin.
En tunne populaareja artikkeleita aiheesta.
Jos galaksin pimeän aineen halon kokonaismassa, tilvuus sekä oletettujen pienten mustien aukkojen mahdollinen massa ja nopeus tiedetään niin eikö olisi mahdollista laskea merkitsevä tähden sammumishavainnon aikaväli sille että teoria vahvistuisi tai että se havainnon puuttumisen vuoksi kumoutuisi? Mustaksi aukoksi sammuneita tahtiä ja niitä edelleen kiertämään jääneitä planeettoja lienee vaikea havaita, tähden selittämätön sammuminen olisi kai hieman helpompi tapaus.
Ymmärtääkseni tämä on niin harvinaista suhteessa seurattujen tähtien määrään ja havaintojen kestoon, että siitä ei tule hyödyllisiä rajoja.