Naulavuoteella kävelemistä
Vuoden lopulla Helsingin yliopiston fysiikan osasto pyytää tutkijoita kirjoittamaan ymmärrettävän tiivistelmän jostakin vuoden aikana julkaistusta tuloksesta, joita se sitten nostaa sivuilleen. Viime vuonna poimin esimerkiksi työmme mustien aukkojen parissa (löytyy otsikon ”Quantum kicks have a big effect on abundance of Eros-mass black holes” alta), josta olen kirjoittanut täällä blogissakin. Tänä vuonna valitsin Sofie Marie Koksbangin ja minun artikkelin siitä, miten pimeän aineen hiukkasluonne vaikuttaa valon kulkuun.
Suurin osa päätelmistämme maailmankaikkeudesta perustuu valoon. Laskettaessa ennusteita sille, miltä maailmankaikkeus näyttää, yleensä oletetaan, että valo kulkee suorinta reittiä aika-avaruudessa. Jotta tämä pitäisi paikkansa, valon aallonpituuden pitää olla paljon pienempi kuin aika-avaruuden kaarevuuteen liittyvät etäisyydet, muuten valo poikkeaa suoralta polulta.
Aika-avaruutta voi ajatella maastona, jonka korkeus kuvaa aika-avaruuden kaarevuutta. Valon aallonpituutta voi verrata kävelijän askelpituuteen. Jos askel on paljon pienempi kuin etäisyys, millä maasto kaartuu, niin matkaaja kulkee kuin tasaisella maalla, vaikka hiljakseen menisikin ylös tai alas, ja kävely sujuu samaan tapaan kaikkialla. Jos maasto sen sijaan kaartuu askelkokoon verrattavassa tai pienemmässä mittakaavassa, sen muoto vaikuttaa siihen miten siinä liikkuu.
Valon tapauksessa asiaa voi katsoa myös energian kautta. Mitä pienempi valohiukkasen eli fotonin aallonpituus on, sitä korkeampi sen energia on. Kun fotonin energia on tarpeeksi iso, aika-avaruuden paikalliset vaihtelut eivät vaikuta siihen, vaan se pyyhältää niiden läpi muuttumatta.
Aika-avaruuden kaarevuus riippuu aineen tiheydestä. Mitä tiukemmin massa on pakkautunut, sitä isompi on kaarevuus. Tähtitieteellisten kappaleiden kuten tähtien ja galaksien aiheuttama kaarevuus on mitättömän pieni verrattuna kosmologiassa havaittavan valon energiaan.
Mutta valtaosa maailmankaikkeuden aineesta on (luultavasti) pimeää ainetta. Suurimmassa osassa pimeän aineen malleista se koostuu yksittäisistä hiukkasista. Vaikka hiukkasen massa on paljon pienempi kuin tähden, se on pakkautunut hyvin pieneen tilaan, joten tiheys ja siksi myös kaarevuus voi olla iso.
Vaikuttaako tämä kaarevuus valon kulkuun? Selvittääksemme asiaa Sofie ja minä kehitimme uudenlaisen tavan kuvata valon matkaamista, jossa kaarevuus otetaan huomioon.
Osoittautui, että kun fotoni kulkee pimeän aineen hiukkasen läpi, pimeän aineen hiukkasen aiheuttama kaarevuus antaa fotonille massan, joka on sitä isompi mitä suurempi kaarevuus on. Tämä muistuttaa sitä, miten Higgsin kenttä antaa massan hiukkasille kun ne matkaavat sen läpi. Higgsin kentän tapauksessa tosin on kyse hiukkasfysiikan vuorovaikutuksista, tässä gravitaatiosta. Toisekseen Higgsin kenttä on kaikkialla, kun taas pimeän aineen hiukkasia on harvassa.
Pimeän aineen hiukkasten tyypillinen etäisyys toisistaan on noin metri tai pidempi, hiukkasten massasta riippuen. Käsittelyssämme yhden hiukkasen massa on jakautunut alueelle, joka on hiukkasfysiikan suuruusluokkaa. Aika-avaruuden kaarevuuden maasto koostuu siis toisistaan kaukana olevista kapeista huipuista.
Jos valon energia on iso eli aallonpituus pieni, huiput eivät vaikuta sen kulkuun. Jos valon energia on pienempi kuin kaarevuuden antamaan massaan liittyvä energia, valo ei voi kulkea pimeän aineen hiukkasten läpi, koska sillä ei ole tarpeeksi energiaa jotta pääsisi pimeän aineen sisälle. Samasta syystä arkisessa ympäristössämme näkyvä valo ei pääse sisälle metalleihin. Matkatessaan niissä valo saisi massan, joka on isompi kuin fotonin energia. Jos valon energia tarpeeksi korkea, kuten röntgensäteillä, se kulkee metallienkin läpi.
Huomasimme, että tärkeää on myös se, miten nopeasti kaarevuus muuttuu. Koska hiukkaset ovat pieniä, niiden läpi mentäessä kaarevuus vaihtuu nopeasti. Saimme tulokseksi, että jos pimeän aineen hiukkasen massa on yli 10% protonin massasta, kaarevuuden nopea vaihtuminen muuttaa täysin sen, miltä kosminen mikroaaltotausta näyttää: naulojen jäljet näkyvät. Koska vaikutus riippuu fotonin energiasta, lyhemmän aallonpituuden valo ei sen sijaan juuri muutu: se kävelee ongelmitta naulatyynyllä.
Ajattelimme, että tämä saattaisi selittää kosmologian tämän hetken isoimman ristiriidan havaintojen ja teorian välillä. Kun maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden määrittää kosmisesta mikroaaltotaustasta ja supernovista, saa eri tuloksen. Näihin kahteen erilaiseen havaintoon pohjaavassa tarkastelussa on paljon eroja, mutta me kiinnitimme huomiota siihen, että ne pohjaavat erilaiseen valoon. Supernovien valo on näkyvällä ja infrapuna-alueella, eli sen energia on isompi kuin mikroaaltotaustan fotonien.
Löytämämme vaikutus menee kuitenkin havaintojen kannalta väärään suuntaan. Vaikka pimeän aineen massa olisi sopiva, niin että se vaikuttaisi mikroaaltoihin mutta ei infrapunavaloon, tämä vain pahentaisi ristiriitaa. Niinpä käteen jää vain raja sille, miten raskasta pimeä aine voi olla, jotta sen vaikutusta ei näkyisi mikroaaltotaustassa. Raja on suhteellisen tiukka, ja sulkisi pois ison määrän pimeän aineen malleja.
Päättelymme ei kuitenkaan ole aukotonta. Otimme huomioon aika-avaruuden kaarevuuden, mutta jätimme pois muita valon kulkuun vaikuttavia tekijöitä, jotka voivat olla merkittäviä. Käsittelymme siitä, miten massa jakautuu hiukkasten sisällä oli myös hyvin yksinkertainen. Pitäisi tutkia tarkemmin, miten hiukkasten kvanttimekaaninen todennäköisyysjakauma leviää kun ne kelluvat avaruudessa vuorovaikuttaen hyvin heikosti ympäristönsä kanssa.
Voi olla, että johtopäätöksemme vielä muuttuvat, mutta minusta tämä on hauska tapa mahdollisesti saada tietoa pimeän aineen hiukkasluonteesta valon ja gravitaation kautta, ja odotan että pääsen jatkamaan sen parissa vuonna 2023.
Mukava lukea omasta tutkimuksestasi, erittäin kiinnostavan oloinen aihe.
Fotoni onkin omituinen olio. Lukion fysiikan kirja ei paljasta siitä juuri mitään. Sillä on aallonpituus, taajuus, nopeus jne. Koosta ei mainita mitään, joka olisi se kailkkein kiinnostavin tieto. Onko fotonin koko sama asia kuin sen aallonpituus? Sanot, että hiukkasen koko on pieni. Tarkoitatko, että fotonin koko on pieni. Laserin valoa voi himmentää suodattimilla tasolle, jossa säteen energia on pienempi kuin saman aallonpituuden omaavan fotonin energia. Onko laserin säde nyt yksittäisiä erillisiä fotoneita? Kaksoisrakokokeessahan näin tehdään.
Mysteeriksi on jäänyt fotonin koko täällä päässä.
Alkeishiukkasten koko onkin tosiaan monimutkainen kysymys. Kirjoitan merkinnässä vain pimeän aineen hiukkasten koosta.
Tässä yhteydessä koko viittaa aaltofunktion leveyteen. Hiukkasilla ei ole määrättyä paikkaan, ainoastaan todennäköisyysjakauma paikalle. Niinpä niiden massallakin on todennäköisyysjakauma. Kuten lopussa kirjoitan, ei itse asiassa ole aivan selvää, miten pimeän aineen hiukkasten aaltofunktio kehittyy.
Fotoneilla on aaltofunktio samalla tavalla.
Lasersäde koostuu tosiaan suuresta määrästä yksittäisiä fotoneita. Ei kai lasersäteen energia voi laskea yksittäisen fotonin energian alle?
Ei taidakaan mennä niin kuin ajattelin.
Räsänen: Niinpä käteen jää vain raja sille, miten raskasta pimeä aine voi olla, jotta sen vaikutusta ei näkyisi mikroaaltotaustassa. Raja on suhteellisen tiukka, ja sulkisi pois ison määrän pimeän aineen malleja.
Mielenkiintoinen yksi (uusi?) tutkimusnäkökulma. Eli mikä se raja teidän mukaanne olisi? Ja mitä malleja se siten sulkisi pois? Onko tällaisia tutkimuksia muita olemassa, vai oletteko pioneereja?
Raja on tekstissä mainittu 10% protonin massasta. Pimeä aine ei siis voi olla tuota raskaampaa. Pimeän aineen malleja on satoja erilaisia, suurin osa tämän rajan huonommalla puolella. Tämä on ensimmäinen tutkimus aiheesta. Tulos ei kuitenkaan ole vielä vakaalla pohjalla, approksimaatioidemme pätevyyttä pitää tarkastella huolella.
Eli jos protoni on pyöreästi 1 GeV, niin tuo raja olisi suuruusluokkaa alle Myonin (105 MeV). Tämän mukaan esim WIMPit putoaisivat pois laskuista?
Joo, raja kosmisesta mikroaaltotaustasta on noin 100 MeViä. Sanaa WIMP käytetään nykyään eri merkityksissä, jotkut käyttävät myös tuota kevyemmille hiukkasille.
Massaraja kasvaa kuten aallonpituus potenssiin 2/3, eli 21 cm säteilyn (aallonpituus sata kertaa isompi kuin mikroaaltojen) havainnoilla saisi rajan jonnekin MeVin tienoille.
Arvio massarajalle on karkea: tuolla massalla vaikutus kosmiseen mikroaaltotaustaan olisi luokkaa 100%. Mikroaaltotausta on kuitenkin hyvin tarkkaan mitattu, joten paljon pienempiäkin häiriöitä voisi nähdä, eli tarkemmalla analyysillä massarajaa saisi varmaan myös huomattavasti alas. Mutta ennen kuin sitä kannattaa tehdä, pitäisi tarkistaa laskussa käytetyt approksimaatiot.
Sellaisen vielä laitan, että onko fotinilla aaltofunktio joka määräisi sen koon, kuten piemeän aineen hiukkasen tapauksessa.
On.
”Osoittautui, että kun fotoni kulkee pimeän aineen hiukkasen läpi, pimeän aineen hiukkasen aiheuttama kaarevuus antaa fotonille massan, joka on sitä isompi mitä suurempi kaarevuus on.”
No mutta eikö nykyajan tiedepopulistien pyhissä opinkappaleissa nimenomaan painoteta, ettei fotonilla ole mitään massaa? Toisaalta en tätä hämmennystä erityisemmin ihmettele, sillä eiväthän nämä suuria totuuksia laukovat tiedemaailman ylipapit osaa selvittää edes hiukkasten perusolemusta, vaikka aiheesta niin paavilliseen sävyyn rahvaalle saarnaavatkin. Paradoksien riivaama suhteellisuusteoria on ehkä se keskeisin ideologisuskonnollinen oppi, jota vain arvostetuin yläluokka kykenee lapsenomaisin kielikuvin selventämään, saaden kritiikittömät ihmismassat ihastelemaan luonnontieteellisen menetelmän saavutuksia.
Mutta niin tai näin, ainoa varma pohja tieteenfilosofialle on jokin ehdottoman varma lähtökohta, eli pelkistetyimmillään inhimillinen tietoisuus. Kehoitankin siis herra kosmologia ja kumppaneita pohtimaan nöyrästi nykytietämyksen rajoja sekä saavuttamaan fenomenologisen reduktion, joka johdattaa kohden syvällisempää totuutta. Suurin arvo olisi tiedepopulisteille itselleen.
Tällaisten näennäisten ristiriitaisten ilmausten taustalle on usein se, että fysiikkaa esittelevissä populaareissa esityksissä käytetään kieltä aina epätäsmällisesti, ja alan ulkopuoliselle voi olla vaikeaa suhteuttaa kahta yksinkertaistettua esitystä toisiinsa.
Kirjoitin aiheesta hieman täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/suureellinen-fantasiaeepos/
Kun sanotaan, että fotonilla ei ole massaa, tarkoitetaan sitä, että vapaasti matkaavalla fotonilla, joka ei vuorovaikuta minkään kanssa, ei ole massaa. Sama pätee vaikkapa elektroneihin. Elektronit saavat massan, koska ne vuorovaikuttavat Higgsin kentän kanssa – voi myös sanoa, että ne käyttäytyvät kuten niillä olisi massa sen sijaan että niillä olisi massa.
Vastaavasti fotonit saavat massan esimerkiksi kulkiessaan plasman tai metallin läpi. Philip Anderson itse asiassa löysi tämän ilmiön, joka on lähellä Higgsin mekanismia, ennen Higgsiä, ja joidenkin mielestä hänen olisi pitänyt saada osansa vuoden 2013 Nobelin palkinnosta Englertin ja Higgsin kanssa.
Aiheesta lisää täällä: https://web.archive.org/web/20220526101420/http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/perustuslakien_saatamisjarjestys
Sofien ja minun löytämä ilmiö on tälle sukua.
Suhteellisuusteoriassa ei ole paradokseja (eli sisäisiä ristiriitoja), tarkemmin ks. https://journal.fi/tt/article/view/41570
Pyydän kirjoittamaan asiallisesti.
”Pyydän kirjoittamaan asiallisesti” on hieno toive, mutta voiko se toteutua, jos kirjoittajan lähtökohta on erilainen kuin Syksyn? Viittaan tällä päivystävän fenomenologin määritelmään, että ”ainoa varma pohja tieteenfilosofialle on jokin ehdottoman varma lähtökohta, eli pelkistetyimmillään inhimillinen tietoisuus.” Tässä suhteessa minulle maailman selittäjinä jumala ja pimeä aine/energia ovat samanarvoisia, sillä kummastakaan ei ole suoraa kokeellista havaintoa.
Asiallisesti kirjoittaminen on erityisen tärkeää silloin kun lähtökohdat ovat erilaiset.
Pimeä aine on sata vuotta vanha hypoteesi, joka on onnistuneesti selittänyt ja ennustanut suuren määrän erilaisia havaintoja, joita ei ole pystytty selittämään millään muulla tavalla. Se on siis erittäin onnistunut tieteellinen idea.
Pimeä energia on teoreettisena ideana vielä vanhempi, vuodelta 1917, mutta havaintojen puolesta sitä on tarvittu vasta 90-luvulta alkaen. Se on selittänyt ja ennustanut oikein monia havaintoja (ei yhtä paljon kuin pimeä aine) yli 20 vuoden ajan. Idea voi olla oikein tai väärin, mutta se on tieteellisesti testattavissa.
Xenon tyyppiset kokeet taitaa rajata pimeän aineen 10 protonin massaan. Tämä tutkimus rajaa selkeästi alemmas ja jos on paikkansa pitävä, taitaa tehdä suorat hiukkashavainnot mahdottomaksi neutriinotaustakohinasta?
XENONin tyyppiset kokeet, missä yritetään havaita pimeä aine suoraan, eivät rajaa pimeän aineen massaa yksin. Ne rajaavat sitä, miten raskas pimeän aineen hiukkanen voi olla, jos se vuorovaikuttaa tietyllä voimakkuudella tavallisen aineen kanssa.
Niiden kannalta pimeän aineen massa voi olla miten iso tai pieni tahansa jos vuorovaikutus on tarpeeksi heikko – silloin hiukkasta ei kuitenkaan nähdä.
Tämä gravitaatioon perustuva raja -jos se pitää paikkansa- ei riipu hiukkasen vuorovaikutuksen voimakkuudesta, ja pätee siis kaikkiin pimeän aineen hiukkasiin.
Kevyiden pimeän ainen hiukkasten signaalin voi periaatteessa erottaa suoran havaitsemisen kokeissa nautriinoista suunnan perusteella. Neutriinothan tulevat enimmäkseen Auringosta, kun taas pimeä aine kulkee saman verran joka suuntaan. Ks. tämä suunniteltu koe (jonka herkkyys kyllä loppuu tuossa protonin massan kymmenesosan tienoilla): https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/suunnistuksen-lahtokynnys/
Tosiaan vaikka pimeäaine tuntisi heikon vuorovaikutuksen, sitä ei tulla suoraan löytämään kosmisesta neutriinotaustasta enää tuolla massan ylärajalla. lman vuorovaikutusta havaiseminen on vielä mahdottomampaa ja kyse olisi eksoottisesta hiukkasesta . Steriili neutriinokaan ei taida enää olla vahva kandidaatti?
Steriili neutriino on suosikkikandidaattini pimeäksi aineeksi. Se sopii vielä havaintoihin, ja on joitakin havaintoja, jotka saattavat olla siitä suora merkki. (Tai sitten ne saattavat, kuten monet aiemmat havainnot, selittyä tavallisilla tähtitieteellisillä lähteillä pimeän aineen sijaan.)
Tarkemmin, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/huippujen-laskeminen/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vasemmalta-oikealle/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kauneusvirheen-korjaaminen/