Pimeän aineen syleilyssä
Galaksijoukko Abell S1063 kaareuttaa avaruutta niin voimakkaasti, että sen takaa olevista galakseista tuleva valo taipuu sen ympärillä ja niiden kuvat näkyvät kaarina ja kirkastumina galaksijoukon ympärillä yleisen suhteellisuusteorian ennustamalla tavalla. Kaareutumisen voimakkuus riippuu galaksien ja niitä ympäröivän pimeän aineen massasta ja siitä, miten se on jakautunut.
Kuva NASA, ESA, and J. Lotz (STScI)
Teksti ilmestyi Ursan Facebook-sivulla 29.10.2017 osana Bongaa Linnunrata –kampanjaa 8.9.–8.11.2017.
Pimeä aine on kutkuttavaa tavaraa. Emme tiedä, mitä se aivan tarkalleen on, mutta voimme silti nähdä sen vaikutukset monessa eri paikassa. Tässä tekstissä puhumme vähän lisää Linnunradan (tai galaksien yleensä) ja pimeän aineen yhteydestä.
Linnunradan syntyä käsittelevässä tekstissä 24.9. kerroimme, miten galaksien siemenet kehittyivät varhaisessa maailmankaikkeudessa pienistä lämpötila- ja tiheyseroista. Mikäli nuori universumi olisi ollut lämpötilaltaan ja tiheydeltään täysin tasainen, kaikkialla olisi vallinnut sama laiska gravitaatiokenttä eikä mitään aineen tihentymiä ja sitä kautta rakennetta olisi päässyt muodostumaan.
Tavallinen aine – se atomeista muodostunut peruskama josta tähdet ja planeetat ja kaikki planeetan pinnalla puuhastelevat tyypit ovat muodostuneet – ei olisi yksin jaksanut muodostaa ensimmäisiä tähtiä ja galakseja, ainakaan siinä tahdissa kuin mitä havaitsemme menneisyydessä tapahtuneen. Ellei pimeää ainetta olisi ollut mukana projektipäällikkönä päsmäröimässä, nykypäivän galaksit olisivat vain prosentin verran tiheämpiä kuin maailmankaikkeus keskimäärin. Todellisuudessa ympärillämme näkyvät galaksit ovat kuitenkin noin miljoona kertaa tiheämpiä kuin ympäröivä universumi eli keveät sata miljoonaa kertaa tiheämpiä kuin pitäisi – ellei pimeää ainetta olisi.
Kolmion galaksi (M33) on Linnunradan ja Andromedan suuri seuralainen paikallisessa galaksiryhmässä. Se on yksi niistä galakseista, joissa tähtien ja kaasupilvien kiertoliikkeen on havaittu kasvavan ulko-osissa. Pimeän aineen massa sitä siellä kiihdyttelee menemään. Kuten viime viikolla jo mainittiin spiraalihaarojen syntymekanismia käsitellessä, tällaiset repaleiset galaksit saattavat syntyä sen seurauksena, että niitä ympäröi poikkeuksellisen tukeva pilvi pimeää ainetta ja tämän perusteella näin tosiaan näyttäisi olevan.
Kuva ESO
Ensimmäiset tähdet ja galaksit siis syntyivät pienten pimeän aineen pilvien keskelle gravitaation voimalla ajautuneesta kaasusta. Kun nämä alkugalaksit törmäilivät toisiinsa, myös pimeän aineen pilvet seurasivat luontevasti mukana ja sulautuivat yhteen. Ja näin on jatkunut nykypäivään saakka: mitä suurempi galaksi, sitä enemmän sen ympärillä näyttää olevan pimeää ainetta. Tätä pimeää pilveä kutsutaan yleensä pimeän aineen haloksi. Sen olemassaolo voidaan nähdä muun muassa tavasta, jolla galaksit pyörivät.
Linnunradassa näkyvää ainetta (kuten tähtiä ja kaasupilviä) löytyy melko tarkkaan tasaisesti koko kiekon leveydeltä. Galaksi pyörii varsin tasaisesti, ja pyörimisen tulisi hidastua vasta aivan ulko-osissa, joissa on lähinnä yksittäisiä tähtiä ja kaasupilviä. Mutta tämä ei ole se, mitä todellisuudessa havaitsemme ympäröivässä avaruudessa. Galaksien pyörimisnopeus jopa kasvaa ulospäin. Tunnettujen gravitaatiolakien mukaan näin nyt ei vaan pyöritä, ellei galaksin ulko-osissa ole jotain ylimääräistä ja massiivista. (Sitäkin on tutkittu, ettei gravitaatio toimisi normaalisti galaksien ulko-osissa, mutta näin ei näytä olevan.)
Mitä siellä on? Miksi emme näe sitä? Voisiko siellä olla hysteeriset määrät jotenkin mahdottoman himmeitä tähtiä, tai planeettoja, tai kumiankkoja? Mistään tällaisesta ei ole löytynyt merkkejä. Koska pimeästä aineesta on runsaasti havaintoja muualtakin, koska sen on havaittu ympäröivän suuria galaksijoukkoja ja koska pimeän aineen halo olisi luonnollinen jatkumo toimivalle galaksien syntyhistorialle, ei ole huono veikkaus, että galaksien ulko-odissa todella olisi pimeää ainetta – tuntemattomista hiukkasista koostuvaa puuroa joka vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa lähes yksinomaan massansa kautta, eli gravitaatiolla.
Linnunradan tähtien arvioitu massa vastaa noin 55 miljardia Aurinkoa. Lisäksi galaksissamme on noin 5-8 miljardin Auringon verran vapaata kaasua ja pölyä. Pimeää ainetta näyttää olevan kymmeniä kertoja enemmän. Meillähän ei ole mitään jättipuntaria johon voisimme Linnunradan ripustaa, vaan massa-arviot on tehtävä epäsuorasti, tutkimalla vaikkapa miten pienet galaksit tai pallomaiset tähtijoukot kiertävät meitä. Massa-arviot ovat siis vain arvioita, mutta ei ole syytä epäillä, etteivätkö ne antaisi oikeaa suuruusluokkaa.
Pimeän aineen halo näyttää ulottuvan noin miljoonan valovuoden päähän galaksin keskustasta, siinä missä näkyvän aineen muodostama kiekko ulottuu vain noin 50 000 valovuoden päähän (joskin kiekko saattaa osoittautua vielä tätä leveämmäksi). Täällä ollaankin jo puolivälissä kohti Andromedan galaksia. Saattaa jopa olla, ettei meillä olekaan omaa irrallista pimeän aineen haloa lainkaan, vaan liikumme muiden lähiympäristön galaksien kanssa yhteisen pilven sisällä, joka on vain tiheämpi aivan galaksien ympärillä. Useimmat Linnunradan seuralaisgalaksit uiskentelevat Linnunradan suurhalon sisälllä mutta ne näyttävät edelleen olevan kääriytyneenä omaan pimeään pilveensä, joka ympäröi pikkugalaksia paikallisesti hiukan ympäristöä tiheämmin. Ne saattavat myös menettää pimeää ainetta omasta pikkuhalostaan Linnunradan suurempaan haloon. Tämä teoria on varsin uusi ja sitä tutkitaan nyt vilkkaasti.
Pimeän halon sisällä, galaksin kiekon ulkopuolella liikkuu monenlaista menijää, kuten jo aiemmin esitellyt pallomaiset tähtijoukot, nuo galaksinmuodostuksen fossiilit. Linnunradan keskustan supermassiivinen musta aukko on myös sinkautellut turhan lähelle tulleita tähtiä aivan valtaviin nopeuksiin, ja näitä tähtiä havaitaan kiitämässä karkuun kaukana Linnunradan ulkopuolella. Osa tähdistä liikkuu niin lujaa, että ne tulevat lopulta häippäisemään galaksienväliseen avaruuteen, kun taas osan Linnunradan gravitaatio tulee kiskaisemaan takaisin. Toiset näistä tähdistä tulevat räjähtämään supernovana kesken matkaansa ja ne jättävät jälkeensä kaasupilven. Tällaisia kaasupilviä on jo löydetty halosta. Jotkut halon tähdistä ovat tulleet riipaistuiksi irti ohikulkeneista galakseista, ja ne kiertävät ohuina tähtinauhoina Linnunrataa.
Kun sanotaan, että galaksien ulkolaidoilla on pimeää ainetta, se ei tarkoita sitä, että pimeää ainetta olisi vain siellä. Itse asiassa tämä pimeän aineen pilvi tihenee kohti galaksin keskustaa, ja pimeää ainetta on myös Linnunradan sisällä, siis myös aurinkokunnassa, ja oman nenän edessä. Sitä on kuitenkin harvakseltaan, ja Auringon massa on edelleen valtavasti suurempi kuin vaikkapa maapallon radan sisäpuolella olevan pimeän aineen massa, joka vastaa pienehköä asteroidia. Niinpä sen vaikutus vaikkapa planeettojen ratoihin ei ole ollenkaan merkittävä, eikä sitä ole havaittu. Toisaalta aurinkokunta on galaksin mittapuulla aika tiivistä tavaraa, ja valtavassa, löyhässä galaksissa pimeän aineen massan vaikutus kiertoliikkeeseen on paljon suurempi.
Jos pimeän aineen luonne yleisemmin kiinnostaa, niin siitä on kirjoittanut (ja kirjoittaa varmasti jatkossakin!) erinomaisesti kosmologi ja hiukkasfyysikko Syksy Räsänen. Syksy kirjoittaa nykyään Kosmokseen kirjoitettua -blogia Ursalle, mutta kenties parhaiten pimeää ainetta pohjustaneet, vanhemmat tekstit löytyvät Tiede-lehden puolelta:
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/merkkeja_nakyvan_tuolta_puolen
https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/pimeyden_henkilollisyys
Tähdet muodostavat galakseja, galaksit galaksijoukkoja ja galaksijoukot lopulta suurimpia universumin rakenteita, kosmisia rihmoja, joiden väliin jää suuria tyhjiä kuplia, voideja, jotka sisältävät vain hyvin vähän tai ei ollenkaan galakseja.
Nämä galaksirihmat on havaittu taivaalla, ja jos tutkitaan pimeän aineen seikkailuja tietokoneella miljardien vuosien saatossa, sen havaitaan muodostavan vastaavia rihmoja. Usein sanotaankin, että pimeä aine on universumin selkäranka.
Tässä on kuvankaappaus yhdestä tällaisesta simulaatiosta eli tietokonemallista. Universumin selkärangan rakentumista lähes tasajakoisesta alkutilasta voi seurata oheisesta videosta. Kirkkaimmissa solmukohdissa on runsaammin pimeää ainetta, ja ne ovat myös paikkoja, joissa sijaitsevat suurimmat galaksiryppäät. Tältä universumi suunnilleen näyttäisi, jos katsoisimme sitä hyvin kaukaa.
Oikean yläkulman laskuri kertoo ajan kulkevan: Gyr tarkoittaa miljardia vuotta. Simulaatio kattaa koko universumin kehityksen.
Video: https://www.cfa.harvard.edu/~bdiemer/Visualizations/Movies/movie8_br05.0_fps35.mp4
Kuva Benedikt Diemer ja Phil Mansfield
Lisää saman tiimin videoita ja tiedot käytetyistä parametereista: http://www.benediktdiemer.com/visualization/movies/
Tuo ensimmäinen videolinkki ei tunnu toimivan mutta jälkimmäisen takaa videoita löytyy.
Tuo video näyttää siltä että universumi urbanisoituu, alueet tyhjenevät ja keskukset tihenevät.
Hei, kiitos huomiosta. Sain korjattua linkin.