Suurin osa maailmankaikkeuden massasta on kateissa.
Osa maailmankaikkeuden aineesta tunnetaan erittäin hyvin, nimittäin tavallinen atomeista koostuva eli niin sanottu baryoniaine. Siitä koostuvat planeetat, tähdet, mustat aukot ja niin edelleen, myös me. Sitä on kuitenkin vain noin kuudesosa maailmankaikkeuden sisältämästä massasta.
Jotakin toistaiseksi tuntematonta ainetta on siis viisi kertaa enemmän kuin arkikokemuksemme atomeista koostuvaa ainetta. Kaiken kukkuraksi tämä valtaosa aineesta on näkymätöntä siinä mielessä, että se ei lähetä tai heijasta minkäänlaista säteilyä.
Tästä syystä sitä kutsutaan pimeäksi aineeksi, eikä sitä voi nähdä suoraan edes parhailla kaukoputkilla. Ainoat vuorovaikutukset, jotka pimeä aine kokee on painovoima ja heikko ydinvoima. Miten pimeän aineen olemassaolo tiedetään?
Kysymykseen vastaamiseksi on perehdyttävä hieman Albert Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan ja erityisesti teorian gravitaatiolinsseiksi kutsuttuun seuraukseen.
Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan massa taivuttaa avaruutta. Esimerkiksi maapallon massa aiheuttaa avaruuteen ”kuopan”, jonka ”reunoja” pitkin kuu ja satelliitit päätyvät kiertämään.
Massiivinen kappale saa avaruuden taipumaan. Kuva: NASA.
Kun avaruus taipuu, myös siinä kulkevat valonsäteet taipuvat. Ensi kerran taipuminen havaittiin vuonna 1915, kun tutkijat mittasivat auringonpimennyksen aikana kuinka paljon Aurinko taivuttaa sen takaa tulevaa valoa. Tulos oli merkittävä vahvistus Einsteinin samana vuonna julkaisemalle yleiselle suhteellisuusteorialle.
Kuvat perustuvat todelliseen fysiikkaan ja niitä oli luomassa muun muassa kuuluisa mustien aukkojen grand old man Kip Thorne. Ryhmä päätyi mallintamaan valon käyttäytymistä mustan aukon läheisyydessä uudella tavalla ja he julkaisivat tuloksista jopa tieteellisen artikkelin American Journal of Physics -julkaisussa.
Kun galaksien takana olevista kaukaisista kappaleista tulee valoa, edessä olevan galaksin massa saa sen taipumaan. Tästä syystä galaksi vääristää takanaan olevan maailmankaikkeuden kuvan. Yleinen suhteellisuusteoria antaa tarkan ennusteen valon taipumiselle gravitaatiolinssissä, kun linssin synnyttävän kappaleen massa tiedetään.
Gravitaatiolinssin toimintaperiaate. Kuva ei ole millään lailla mittakaavassa. Keskellä olevan galaksijoukon massa taivuttaa avaruutta, minkä seurauksena joukon takana olevasta galaksista tuleva valo taipuu avaruuden mukana. Syntynyt maassa näkyvä kuva on useimmiten vääristynyt ja moninkertaistunut. Kuva: NASA.
Hämmästyttävä asia on, että galaksit ja galaksijoukot taivuttavat valoa enemmän kuin niiden pitäisi pelkän tähdissä ja vastaavissa olevan massansa perusteella. Galaksit ja galaksijoukot sisältävät suurin piirtein kuusi kertaa enemmän massaa kuin niissä olevilla näkyvillä kappaleilla voidaan selittää.
Tämä ylimääräinen massa on peräisin pimeästä aineesta. Pimeä aine muodostaa myös yksittäisiin galakseihin massiivisen galaktisen halon, joka muun muassa saa galaksien ulko-osat pyörimään nopeammin kuin ne pyörisivät ilman pimeää ainetta.
Gravitaatiolinssi-ilmiön avulla määritetty massajakauma galaksijoukossa CL0024+1654. Vuorenhuiput ovat yksittäisten galaksien massakeskittymiä, keskellä oleva iso kukkula on pimeää ainetta, jota on suurin osa galaksijoukon massasta. Kuva perustuu Hubble-teleskoopilla kerättyyn dataan. Kuva: Greg Kochanski, Ian Dell’Antonio, and Tony Tyson (Bell Labs).
Mitä pimeä aine sitten on? Tällä hetkellä suurinta kannatusta nauttiva hypoteesi on heikosti vuorovaikuttavat massiiviset hiukkaset eli WIMPit (Weakly Interacting Massive Particle). Ne ovat hiukkasia, jotka nimensä mukaisesti vuorovaikuttavat vain painovoiman sekä heikon ydinvoiman kautta.
Koska ne eivät vuorovaikuta muilla tavoilla, niiden havaitseminen on äärimmäisen vaikeaa. Useita kokeita niiden löytämiseksi on käynnissä, mutta toistaiseksi varmoja tuloksia ei ole.
Teksti: Juha Pietiläinen
