Raapimisjälkiä haudassa
Noin 80% maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta, eli ainetta joka on havaittu vain gravitaation kautta. Näin ainakin arvellaan: pimeä aine on lähes sata vuotta vanha idea, joka on erittäin onnistuneesti selittänyt ja ennustanut havaintoja. Mutta pimeän aineen olemassaolosta voidaan olla varmoja vasta kun se on havaittu muutenkin kuin gravitaation avulla.
On satoja erilaisia ehdokkaita sille, mitä pimeä aine on, kuten nynnyt, aksionit, steriilit neutriinot, heksakvarkit ja mustat aukot. Eri ehdokkaita voi havaita eri tavoin. Pimeää ainetta on haettu muun muassa etsimällä taivaalta hiukkasten annihilaatiosta tai hajoamisesta syntyvää säteilyä (ks. täällä, täällä ja täällä), tutkimalla syntyykö hiukkaskiihdytinten hiukkastörmäyksissä pimeän aineen hiukkasia, ja etsimällä kitkaa pimeän aineen liikkeissä. On myös esitetty, että siitä voitaisiin saada todisteita mittaamalla ensimmäisten tähtien kirkkautta.
Yksi suosituimpia pimeän aineen etsimisen menetelmiä on se, että seurataan tarkkaan laboratoriossa olevaa koepalaa (tai säiliötä täynnä nestettä ja/tai kaasua) ja odotetaan, että pimeän aineen hiukkaset potkivat siinä olevia atomiytimiä (ks. täällä, täällä, täällä ja täällä). Koe perustuu siihen, että koska Aurinkokunta (ja samalla Maa) kulkee Linnunradan pimeän aineen halki, pimeän aineen hiukkasia pyyhältää koko ajan lävitsemme.
Toistaiseksi tällaiset kokeet eivät ole löytäneet mitään, kuten eivät muutkaan pimeää ainetta etsineet kokeet. (Poikkeuksena on koe nimeltä DAMA, joka on jo pitkään väittänyt löytäneensä pimeän aineen hiukkasen.) Niinpä etsinnät suuntautuvat yhä vaikeammin löydettäviin pimeän aineen hiukkasiin ja niihin tarvitaan yhä herkempiä menetelmiä. Tähän tarvitaan uusien laitteiden lisäksi uusia ideoita.
Vuonna 2018 joukko tutkijoita tarkasteli kiehtovaa versiota tällaisista kokeista: mitä jos käytetään detektorina laboratoriossa tarkkaan valvottujen koepalojen sijaan maan syvyyksissä olevia kiviä, joihin on voinut jäädä jälkiä satojen miljoonien vuosien ajan? Idea oli esitetty jo 1980-luvulla, mutta teknologia on sittemmin edistynyt paljon.
Tutkijat nimesivät tähän tarkoitukseen käytettävät mineraalit paleodetektoreiksi. Koska etuliite paleo viittaa muinaisten aikojen elämään, geodetektorit olisi asianmukaisempi ilmaisu, mutta fyysikoilla on tapana ottaa vapaat kädet mitä termien keksimiseen tulee.
Koska pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat heikosti tavallisen aineen kanssa, ne enimmäkseen sujahtavat Maan läpi ketään häiritsemättä. Toisinaan pimeän aineen hiukkanen kuitenkin törmää atomiytimeen ja työntää sen sijoiltaan. Mitä kovemman potkun ydin saa, sitä pidemmän matkan se liikkuu. Potkun energia riippuu kahdesta seikasta (ytimen massan lisäksi): pimeän aineen hiukkasen massasta ja nopeudesta. Mitä nopeampi ja raskaampi hiukkanen, sitä kovempi potku.
Ytimen liikkeestä jää aineeseen raapaisujälki. Mitä lyhyempiä jälkiä pystytään mittaamaan, sitä kevyempien hiukkasten merkkejä voidaan nähdä. (Pimeän aineen hiukkasten nopeus Maan suhteen lienee noin 200 km/s siitä riippumatta siitä, millaisia ne ovat.)
Nykyisellä teknologialla pystytään erottamaan kivistä noin nanometerin tai kymmenen nanometrin pituisia jälkiä. (Nanometri on metrin miljardisosa.) Edelliset vastaavat pimeän aineen hiukkasia, joiden massa on suunnilleen sama kuin protonin massa, jälkimmäiset hiukkasia, joiden massa on vähän yli kymmenen protonin massaa. Tyypillisesti kymmentä protonin massaa kevyempien hiukkasten törmäyksiä on vaikea nähdä laboratoriossa tehdyissä kokeissa, koska ydinten saama energia on niin pieni, että se hukkuu taustakohinaan. (Herkkyyttä voi tosin parantaa käyttämällä hyväksi kohteen olevien molekyylien muotoja.)
Paleodetektorit voivat siis olla herkempiä kuin monet laboratoriokokeet. Niitä kuitenkin rajoittaa se, että nanometristen naarmujen havaitseminen vaatii tarkkaa syynäämistä, minkä voi tehdä vain pienille paloille. Nanometrin tarkkuuteen pääsee noin kymmenen mikrogramman hippusesta, kymmenen nanometrin jäljet erottaa noin sadan gramman murusta. Laboratoriokokeissa koepalojen massat ovat sen sijaan satojen kilojen tai tonnin luokkaa. Toisaalta laboratoriokokeiden kesto on korkeintaan kymmenen vuoden luokkaa, kun taas yli kymmenen kilometrin syvyydessä olevissa kivissä jäljet säilyvät satoja miljoonia vuosia. Kokeen pitkä kesto korvaa myös sitä, että yksittäiset törmäykset ovat harvinaisia: kun odottaa tarpeeksi kauan, naarmuja kyllä syntyy, jos sopivia pimeän aineen hiukkasia on olemassa.
Suurin ongelma on sen selvittäminen, ovatko kivissä näkyvät jäljet peräisin pimeästä aineesta. Maapallolle tulee avaruudesta korkeaenergistä säteilyä (enimmäkseen protoneita) joka iskeytyy ytimiin. Tämän takia pimeän aineen laboratoriokokeet ovat kaivoksissa tai vastaavissa paikoissa, missä maaperä suojaa säteilyltä. Paleodetektorien kohdalla kosmisen säteilyn vaikutus on mitätön kun mineraalit ovat hautautuneet yli viiden kilometrin syvyyteen.
Lisäksi Auringosta ja kauempaa tulee neutriinoja, jotka pimeän aineen lailla yleensä läpäisevät Maan, mutta joskus törmäävät ytimiin. Ne rajoittavat sitä, miten heikkoja jälkiä voi nähdä: jos pimeän aineen potkut ovat paljon pienempiä kuin neutriinoiden, ne hukkuvat neutriinokohinaan.
Kolmas vaikeus on se, että kaikessa aineessa on radioaktiivisia ytimiä, joiden hajoaminen saa aikaan jälkiä. Ne voi erotella vertaamalla jälkien yksityiskohtia. Esimerkiksi radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu usein ketjuissa: ydin hajoaa pienemmäksi radioaktiiviseksi ytimeksi (ja muiksi hiukkasiksi), joka sitten puolestaan myöhemmin hajoaa. Eri hajoamisissa syntyvien hiukkasten energiat ovat erilaiset, joten ne jättävät erilaisia jälkiä kiveen. Niinpä hajoamisketjulla ominainen jalanjälki, jonka voi lukea kivestä.
Kun tämän kaiken laittaa yhteen, paleodetektorit ovat kuitenkin kevyitä pimeän aineen hiukkasia etsittäessä merkittävästi herkempiä kuin nykyiset laboratoriokokeet – jos kaikki sujuu kuten on kaavailtu. Tutkijat testaavat ensin menetelmäänsä jälkien lukemisesta mineraaleihin, jotka on kerätty läheltä pintaa. Jos tämä onnistuu, vuorossa on mineraalien poraaminen yli kymmenen kilometrin syvyydestä.
Jos jälkiä löytyy, voisi myös tutkia sitä, miten ne eroavat eri aikoina muodostuneissa mineraaleissa. Tätä kautta voisi saada tietoa siitä, miten pimeän aineen tiheys ja nopeus on muuttunut Maan kohdalla satojen miljoonien vuosien aikana. Tämä puolestaan kertoisi siitä, miten Linnunradan rakenne on kehittynyt. Mutta voi myös olla, että pimeän aineen hiukkanen on niin kevyt tai vuorovaikuttaa niin heikosti, että se ei merkittävästi potki ytimiä, jolloin tarvitaan toisenlaisia kokeita sen saamiseksi haaviin.
Monenlaisia yrityksiä havaita pimeää ainetta on siis ollut ja on, mutta tähän mennessä ne kaikki ovat osoittautuneet vain ”tyrityksiksi”.Ja stä vaihtoehtoa, ettei pimeää ainetta olisikaan, ei edes mainita? Tästä tulee mieleen uskovien ”virtuaalitiede”. Heidän premissinsä on, että jumala on olemassa ja sitten sille etsitään todisteita. Sitä vaihtoehtoa, ettei jumalaa oliskaan, ei kerta kaikkiaan haluta tai uskalleta ajatella.
Kannattaa lukea blogimerkintä (tässä tapauksessa ainakin ensimmäinen kappale) ennen kommentoimista.
Pimeän aineen vaihtoehdosta (eli muokatusta gravitaatioteoriasta) hieman täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/
Laittamissasi linkeissä oli mm parin vuoden takainen kirjoituksesi: ” Tämä on kiinnostava selitys, mutta pimeiden tähtien idea tekee myös ennusteita. Ne ovat hyvin kirkkaita, jopa kymmenen miljardia kertaa Aurinkoa kirkkaampia. Vuonna 2021 kiertoradalle nouseva James Webb Space Telescope voisi havaita yksittäisiä pimeitä tähtiä varhaisessa maailmankaikkeudessa.”
James Webbi tosiaan ilmeisesti kovien myöhästymisien jälkeen pääsee vuoden kuluttua matkaan. Onko tuon (2018) kirjoituksesi jälkeen tarkennuksia (linkkejä) arveluusi ” voisi havaita yksittäisiä pimeitä tähtiä”? Ns pimeät tähdethän olisivat selviä indikaattoreita pimeästä aineesta.
Entä toinen lähitulevaisuudessa laukaistava Extremely Large Telescope (ELT)?
Tilanne on kaiketi sama kuin ennenkin: ennusteet on, havaintoja odotellaan.
ELT:n yksityiskohtia en tunne.
Onko kukaan heittänyt ilmoille ajatusta siitä, että pimeän aineen hiukkaset voisivat sijaita neliulotteisen aika-avaruutemme sijasta viidennessä, kuudennessa tai n:nnessä ulottuvuudessa ja sen vuoksi ne vuorovaikuttavat ainoastaan gravitaation välityksellä? Olisiko tällä edes merkitystä vaikka se pitäisikin paikkansa?
Ei tiedetä onko ylimääräisiä ulottuvuuksia olemassa, mutta se on mahdollista.
Jos niitä on olemassa, kappaleet eivät ole olemassa vain ylimääräisissä ulottuvuuksissa, vaan myös niissä.
On tutkittu paljon sellaista vaihtoehtoa, että pimeän aineen hiukkasissa on kyse tunnettujen hiukkasten korkeampiulotteisista osista.
On myös mahdollista, että maailmankaikkeutemme on neliulotteinen siivu korkeampiulotteisessa avaruudessa, ja on olemassa muita siivuja. On varmaankin tutkittu ideaa, että pimeä aine olisi niissä olevaa ainetta. En muista tällaiseen törmänneeni, mutta idea on ilmeinen. Luulen tosin, että sitä on vaikea saada toimimaan – toisella siivulla olevan aineen gravitaatio meidän suhteemme on erilaista kuin meidän siivullamme olevan aineen gravitaatio.
Miten symmetrisesti tuo pimeä aine on jakautunut suhteessa tavalliseen aineeseen? Jos siis pimeän aineen jakautuminen ei korreloi tavallisen aineen kanssa, niin silloin tuskin on kyse painovoimateorian kauneusvirheestä, vaan itsellisestä ainetyypistä. Toisekseen, jos pimeä aine vuorovaikuttaa kovin heikosti, niin luulisi mineraaleihin syntyvän vain elastisia pommitusjälkiä, jolloin koko analyysi on yhtä tyhjän kanssa.
Pimeän aineen jakauma on selvästi erilainen kuin näkyvän aineen. Juuri tämän takia on vaikea selittää havaintoja gravitaatiolakia muuttamalla, aivan kuten sanot. Aiheesta hieman täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/luodin-jaljet/
Pimeän aineen hiukkaset eivät suoraan saa aikaan naarmuja. Niiden törmäykset tosiaan luultavimmin ovat elastisia. Ne tönäisevät ytimiä sijoiltaan, ja ytimet naarmuttavat kiveä.
Tietämättä pimeän aineen hiukkasten kokoa, muotoa, nopeutta ja muita ominaisuuksia on täysin mahdotonta sanoa, millaisia niiden törmäysten vaikutukset ovat. En ymmärrä myöskään, mitä tarkoittavat kivien naarmut? Kun lähdetään maan pinnalta kohti maapallon ydintä lämpötila kasvaa ja aiheuttaa kivien ja muiden materiaalien atomeissa lämpöliikettä, Tämä voidaan nähdä kiteisen aineen röntgendiffraktiolla määriteyissä rakenteissa. Kuinka siis voidaan erottaa pimeän aineen hiukkasen elastisen tönimisen vaikutus tästä lämpöliikkeestä?
Tuosta n-ulotteisesta (n > 3) avaruudesta sanon, että tuskinpa se auttaa meitä ymmärtämään tätä ympäröivää todellisuutta.
Kuten tekstissä sanotaan, pimeän aineen hiukkasten nopeus tiedetään. Kuten tekstissä sanotaan, niiden vuorovaikutus tavallisen aineen kanssa riippuu siitä, millaisesta pimeän aineen hiukkasesta on kysymys. Monissa pimeän aineen malleissa vuorovaikutus aiheuttaa elastisen törmäyksen.
Sopivissa materiaaleissa jäljet säilyvät satoja miljoonia vuosia lämpöliikkeestä huolimatta. Yksityiskohtia löytyy artikkeleista, jotka on linkattu sanoissa ”kiehtovaa versiota”.
Miten pimeän aineen hiukkasten nopeus voidaan tietää. jos niitä ei ole koskaan havaittu? Sama koskee niiden törmäyksen luonnetta?
Mitä ovat nuo sopivat materiaalit? Kemistinä olen kovin kiinnostunut niistä.
Nopeus tiedetään Linnunradan liikkeistä. Kun katsotaan, paljonko Linnunradassa on näkyvää ainetta ja miten se liikkuu, tiedetään, paljonko pimeää ainetta pitää olla, ja myös miten se liikkuu. Pimeä aine on myös oleellinen osa simulaatioita galaksien muodostumisesta, ja niiden perusteella tiedetään, millainen sen jakauma luultavasti on. Yllätyksiä (kuten paikallisia pimeän aineen tihentymiä tms.) voi toki olla.
Törmäyksen luonteesta, ks. vastaus yllä.
Yksityiskohtia materiaaleista löytyy artikkeleista.
Lisäselvityksenä vielä: pimeä aine vaikuttaa gravitaation kautta samalla tavalla kuin muukin aine. Niinpä sen vaikutus galaksien muodostumiseen ja kehitykseen ei riipu siitä, millaisista hiukkasista se koostuu.
Tämän takia voidaan päätellä ja mitata sen tiheys- ja nopeusjakauma galakseissa riippumatta siitä, millaisesta hiukkasesta on tarkalleen kysymys. Vastaavasti tämä on syynä siihen, miksi on vaikea selvittää sitä, millaisesta hiukkasesta on kysymys.
Näin siis useimmissa pimeän aineen malleissa, kaikenlaisia mahdollisia poikkeuksia on toki tutkittu.
Sanot näin: ”Kuten tekstissä sanotaan, pimeän aineen hiukkasten nopeus tiedetään”. Miten voidaan TIETÄÄ hiukkasen nopeus, jos sitä ei ole voitu havaita eikä mitata? Kyse lienee siis vain olettamuksesta, teoriasta joita kosmologiassa näyttää rittävän tuskallisen paljon.
Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/raapimisjalkia-haudassa/#comment-7410
voiko pimeeää ainetta havaita heikon vuorovaikutuksen kautta
vai miten se menee?
Jos pimeä aine vaikuttaa Standardimallin heikon vuorovaikutuksen kautta, se on paras tapa havaita se. On myös olemassa pimeän aineen hiukkasia, jotka eivät tunnen heikkoa vuorovaikutusta.