Pimeä aine on salaperäinen ei-valoisa aine, joka muodostaa valtaosan maailmankaikkeuden aineesta. Vaikka asiantuntijat ovat havainneet pimeän aineen gravitaatiovaikutuksia jo vuosikymmeniä, tutkijat ovat edelleen ymmällään sen todellisesta luonteesta.
Kuka löysi pimeän aineen?
1900-luvun lopulla tähtitieteilijät alkoivat spekuloida näkymättömästä aineesta – joko himmeistä tähdistä tai kaasusta ja pölystä, joka oli hajallaan kaikkialla maailmankaikkeudessa. Tutkijat olivat jopa alkaneet arvioida sen massaa, todetaan Reviews of Modern Physics -lehdessä vuonna 2018 julkaistussa katsauksessa. Useimmat ajattelivat, että tämä salaperäinen aine oli vähäinen osa kosmoksen kokonaismassaa.
Vasta vuonna 1933 sveitsiläis-amerikkalainen tähtitieteilijä Fritz Zwicky huomasi, että kaukaiset galaksit pyörivät toistensa ympärillä paljon nopeammin kuin teleskoopeissa näkyvän näkyvän aineen perusteella pitäisi olla mahdollista. ”Jos tämä varmistuisi, saisimme sen yllättävän tuloksen, että pimeää ainetta on paljon enemmän kuin valovoimaista ainetta”, hän kirjoitti Helvetica Physica Acta -lehdessä samana vuonna julkaistussa artikkelissaan.
Mutta monet alan toimijat suhtautuivat epäilevästi Zwickyn tuloksiin aina 1970-luvulle asti, jolloin tähtitieteilijät Kent Ford ja Vera Rubin tekivät yksityiskohtaisia tutkimuksia tähdistä naapurigalaksin Andromedan ulommilla alueilla. Nämä tähdet kiersivät galaksin ydintä aivan liian nopeasti, aivan kuin jokin näkymätön aine vetäisi niitä painovoiman avulla ja työntäisi niitä eteenpäin – havainto, jonka tutkijat huomasivat pian galakseissa kaikkialla maailmankaikkeudessa.
Tutkijoilla ei ollut aavistustakaan, mistä tämä näkymätön massa koostui, ja jotkut tähtitieteilijät arvelivat, että pimeä aine koostui pienistä mustista aukoista tai muista pienikokoisista kohteista, jotka säteilevät liian vähän valoa näkyäkseen teleskoopeissa. Tulokset muuttuivat vielä oudommiksi 1990-luvulla, kun Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -niminen avaruusteleskooppi osoitti NASA:n mukaan, että tämä pimeä aine oli viisi kertaa suurempi kuin tavallinen näkyvä aine.
Miksi pimeä aine on edelleen mysteeri
Teleskooppitutkimukset eivät koskaan kyenneet löytämään tarpeeksi pieniä, kompakteja kohteita selittääkseen tämän valtavan ainemäärän. Useimmat nykypäivän tähtitieteilijät ajattelevat, että pimeä aine koostuu todennäköisesti subatomisista hiukkasista, joiden ominaisuudet poikkeavat melko paljon tutummista protoneista ja neutroneista.
Hallitseva pimeän aineen ehdokas on nimeltään Weakly Interacting Massive Particle eli WIMP. Näitä spekulatiivisia entiteettejä ei löydy hiukkasfysiikan standardimallista, joka kuvaa lähes kaikkia hiukkasia ja voimia. WIMP:t muistuttaisivat enemmän aavemaista neutriinoa, paitsi että se painaisi 10-100 kertaa enemmän kuin protoni. (Neutriinojen tarkkaa massaa ei tunneta, mutta ne ovat paljon elektroneja kevyempiä).
Neutriinojen tavoin WIMPit olisivat vuorovaikutuksessa vain kahden kanssa universumin neljästä perusvoimasta: Painovoiman ja heikon ydinvoiman, joka välittää radioaktiivisten atomiytimien hajoamista. Nämä pimeän aineen hiukkaset olisivat sähköisesti neutraaleja, mikä tarkoittaa, että ne eivät vuorovaikuttaisi valon perustana olevan sähkömagnetismin kanssa ja jäisivät siksi näkymättömiksi.
Fyysikot ovat rakentaneet valtavia ilmaisimia ja sijoittaneet ne syvälle maan alle suojaamaan niitä häiritseviltä kosmisilta säteiltä pyrkiessään havaitsemaan WIMP:ejä, mutta toistaiseksi mikään koe ei ole paljastanut todisteita niistä. Viime vuosina tämä epäonnistuminen on saanut jotkut alan tutkijat miettimään, ovatko he lähteneet villiin hiukkasjahtiin, jolla ei ole todellista loppua.
Jotkut tutkijat ovatkin kääntäneet huomionsa uudempaan pimeän aineen ehdokkaaseen nimeltä aksioni, jonka massa olisi miljoonas- tai jopa miljardisosa elektronin massasta, kertoo Proceedings of the National Academy of Science. Nämä hypoteettiset hiukkaset kiinnostavat tutkijoita erityisesti siksi, että ne voisivat ratkaista myös toisen fysiikan ratkaisemattoman ongelman: ne voisivat mahdollisesti olla vuorovaikutuksessa neutronien kanssa ja selittää, miksi ne voivat tuntea magneettikenttiä mutta eivät sähkökenttiä.
Kesäkuussa 2020 Italiassa Gran Sasson kansallisessa laboratoriossa sijaitsevan XENON1T-kokeen jäsenet, alun perin WIMP:ien pyydystämistä varten rakennetun ilmaisimen, ilmoittivat löytäneensä pienen mutta odottamattoman signaalin, joka voitaisiin selittää aksionien läsnäololla. Tulokset järkyttivät tiedeyhteisöä, mutta niitä ei ole vielä vahvistettu muissa kokeissa.
Onko pimeä aine edes todellista?
Tutkijat raapivat siis edelleen päätään siitä, mitä pimeä aine oikein on. Jotkut teoreetikot ovat pohtineet, onko maailmankaikkeudessa kokonainen pimeä sektori, jossa on useita hiukkasia ja jopa pimeitä voimia, jotka vaikuttavat vain pimeään aineeseen, samaan tapaan kuin näkyvässä kosmoksessa nähtävissä oleva subatominen monimutkaisuus.
Vähemmistö tutkijoista uskoo samaan aikaan, että pimeä aine on kangastus. He kannattavat ajatusta, joka tunnetaan nimellä modifioitu inertiaversio eli MOND, jossa arvellaan, että suurissa mittakaavoissa painovoima vaikuttaa odotetusta poikkeavasti ja tämä selittää tähtien ja galaksien havaitut pyörimisliikkeet. Useimmat asiantuntijat eivät kuitenkaan ole vakuuttuneita tarpeesta poiketa näin radikaalisti tunnetusta fysiikasta, mikä edellyttäisi myös muutoksia käsitykseemme todellisuuden suurista osista.
Pimeä aine ei kenenkään tietojen mukaan liity pimeään energiaan, toiseen salaperäiseen ilmiöön, joka on vastuussa kosmoksen laajenemisen kiihtymisestä. Näillä kahdella on yksinkertaisesti yhteinen sana ”pimeä”, jota tiedemiehet käyttävät usein sijaiskärsijänä asioille, joita he eivät täysin ymmärrä.