pimeä aine | Tiedetuubi

Suurin osa maailmankaikkeuden materiasta on pimeää ainetta, jonka olemuksesta on vain arvailuja. Uuden mallin mukaan osalla sen hiukkasista saattaa olla heikko sähkövaraus.

Julian Munoz Harvardin yliopistosta ja Avi Loeb Harvard-Smithsonianin astrofysiikan keskuksesta ovat pohtineet mahdollisuutta, että osa pimeän aineen hiukkasista voisi vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa sähkömagneettisen voiman välityksellä.

Helmikuussa EDGES-projektissa (Experiment to Detect the Global EoR [Epoch of Reionization] Signature) havaittiin universumin ensimmäisen sukupolven tähdistä signaaleja, jotka viittaavat pimeän aineen ja tavallisen aineen vuorovaikutukseen.

Likikään kaikkia tutkijoita havainnot eivät ole vakuuttaneet, mutta Munoz ja Loeb lähtivät etsimään teoreettista selitystä mahdolliselle vuorovaikutukselle.

"Tutkimuksemme perusteella pystymme muodostamaan kuvan perusfysiikasta tulkittiinpa EDGES-projektin tulokset miten tahansa", Loeb arvioi. "Pimeän aineen luonne on yksi tieteen suurimmista mysteereistä, joten meidän täytyy käyttää hyväksi kaikki mahdollinen uusi tieto sen selvittämiseksi."

Vallitsevan käsityksen mukaan ensimmäisten tähtien ultraviolettisäteily vuorovaikutti tähtienvälisen kylmän vetykaasun atomien kanssa, minkä ansiosta ne pystyivät absorboimaan kosmista mikroaaltotaustasäteilyä.

Alle 200 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen tapahtuneen absorption olisi pitänyt heikentää taustasäteilyn voimakkuutta. EDGES-projektin tutkijoiden mukaan he ovat havainneet teorian mukaisen heikkenemisen, mutta vetykaasun lämpötila näyttäisi olleen ainoastaan puolet oletetusta.

"Jos EDGES-projektissa on havaittu vetykaasun olleen tuolloin oletettua kylmempää, mikä voisi selittää sen? Yksi mahdollisuus on, että vety on jäähtynyt pimeän aineen vaikutuksesta", Munoz pohtii.

Taustasäteilyn absorption aikoihin tavallisen aineen vapaat elektronit ja protonit liikkuivat alhaisimmalla mahdollisella nopeudella, mutta myöhemmin ensimmäisten mustien aukkojen röntgensäteily kiihdytti niiden liikettä. Varattujen hiukkasten sironta on voimakkainta alhaisilla nopeuksilla, joten tavallisen aineen ja pimeän aineen – mikäli osalla sen hiukkasista on sähkövaraus – vuorovaikutus olisi silloin ollut suurimmillaan.

Se olisi saanut vetykaasun jäähtymään, koska pimeä aine on kylmää. Se selittäisi EDGES-projektin havainnot.

"On mahdollista, että pimeän aineen hiukkasilla on pikkuruinen sähkövaraus – noin miljoonasosa elektronin varauksesta – joka saa aikaan kosmisen aamunkoiton ajoilta saapuvan signaalin. Niin pieniä varauksia on mahdoton havaita suoraan edes tehokkaimmilla hiukkaskiihdyttimillä", Loeb sanoo.

Pienikin määrä heikosti varattuja pimeän aineen hiukkasia selittäisi EDGES-projektin havainnot ja toisaalta se ei vielä aiheuttaisi ristiriitaa muiden havaintojen kanssa. Jos suuri osa pimeän aineen hiukkasista olisi varattuja, ne eivät olisi päässeet Linnunradan kiekon tasoon, missä havaintojen perusteella on suuret määrät pimeää ainetta.

Kosmisesta taustasäteilystä tehtyjen havaintojen perusteella tiedetään, että protonit ja elektronit muodostivat varhaisessa maailmankaikkeudessa atomeja. Vain pieni osa varatuista hiukkasista jäi vapaaksi.

Munozin ja Loebin mukaan on mahdollista, että pimeä aine käyttäytyi samalla tavalla. EDGES-projekti ja muut vastaavat tutkimushankkeet saattavat olla ainoa keino tehdä havaintoja sähköisesti varatuista hiukkasista, sillä suurin osa pimeästä aineesta on varauksetonta.

Tutkimuksesta kerrottiin Harvard-Smithsonianin astrofysiikan keskuksen uutissivuilla ja se on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: CfA/M. Weiss

Markus Hotakainen

Centaurus A on jättimäinen ellipsigalaksi noin 13 miljoonan valovuoden etäisyydellä. Se on siis melko läheinen tähtijärjestelmä, mutta pystyy silti edelleen yllättämään.

Kansainvälinen tutkijaryhmä on todennut, että Centaurus A:lla on useita seuralaisgalakseja, mikä ei sinänsä ole omituista, mutta ne kiertävät emogalaksiaan samassa tasossa. Moista ei ole aiemmin havaittu oman Paikallisen galaksiryhmämme ulkopuolella.

"Löydön merkitys on siinä, että se kyseenalaistaa tietyt kosmologiset mallit ja simulaatiot, joiden on määrä selittää galaksien ja niiden seuralaisten keskinäiset suhteet", toteaa tutkimuksessa mukana ollut Marcel Pawlowski Kalifornian yliopistosta (University of California, Irvine).

Pimeän aineen "kylmän" mallin mukaan pienempien tähtijärjestelmien pitäisi sijoittua satunnaisesti isompien galaksien läheisyyteen eikä niiden liikesuunnissa pitäisi olla mitään järjestäytyneisyyttä. Niin ei kuitenkaan näytä olevan.

Jo aiemmin on havaittu, että Linnunradalla ja Andromedalla on seuralaisgalakseja, jotka kiertävät niitä samalla tavoin suuntautuneilla radoilla. Centaurus A on kolmas vastaavanlainen tapaus, joten teorian kannalta tilanne ei näytä kovin hyvältä.

Käytännön havaintojen ongelmana on pienten kääpiögalaksien liikkeen määrittäminen. Linnunradan tapauksessa se on vielä suhteellisen helppoa, koska sen seuralaisten etäisyys on pieni.

"Jos otat kuvan nyt, odottelet kolmisen vuotta ja otat uuden kuvan, niin näet, miten ne ovat liikkuneet. Siitä saadaan määritettyä nopeus ja suunta", Pawlowski havainnollistaa.

Tällä tavoin on määritetty yhdentoista Linnunradan seuralaisgalaksin liikkeet. Kahdeksan niistä kiertää kotigalaksiamme melko tarkkaan samassa tasossa sen "napojen" kautta eli kohtisuoraan Linnunradan tasoa vastaan. Samaan ryhmään kuuluu todennäköisesti useampiakin galakseja, mutta niitä ei pystytä havaitsemaan tiheiden pölypilvien takaa.

Andromedan galaksilta on löydetty 27 seuralaista, joista 15 kiertää sitä samassa tasossa. Centaurus A on paljon kauempana, joten himmeitä seuralaisgalakseja on vaikea havaita ja niiden liikkeiden määrittäminen on vielä vaikeampaa.

Nyt on kuitenkin onnistuttu tutkimaan tarkemmin kaikkiaan kuuttatoista Centaurus A:n seuralaista. Niistä peräti 14 kiertää galaksia samassa tasossa. Kolmen galaksin seuralaisista tehdyt havainnot ovat räikeässä ristiriidassa kosmologisten mallien kanssa, sillä ainoastaan 0,5 prosentilla "läheisen" avaruuden galakseista pitäisi olla tällä tavoin käyttäytyviä seuralaisia.

"Jotain on siis vielä huomaamatta. Joko simulaatioista puuttuu jokin keskeinen tekijä tai sitten niiden pohjana oleva malli on väärä. Tutkimuksemme perusteella näyttäisi olevan tarpeen kehittää vaihtoehtoisia malleja", Pawlowski pohtii.

Galaksitutkimuksesta kerrottiin UCI:n uutissivuilla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Christian Wolf/SkyMapper team/Australian National University

Markus Hotakainen

Maailmankaikkeus muistuttaa rakenteeltaan saippuavaahtoa. Galaksit ja niiden muodostamat joukot ovat ryhmittyneet valtaviksi rihmoiksi ja seinämiksi, joiden välit ovat tyhjää täynnä. Tai niin on kuviteltu.

Uuden tutkimuksen mukaan vaahdossa olevia "kuplia" vastaavilla tyhjinä pidetyillä alueilla onkin paljon ainetta, jopa viidennes kaikesta maailmankaikkeuden "tavallisesta" eli näkyvästä aineesta. Galaksien osuus universumin ainesisällöstä olisikin ainoastaan 1/500.

Nykykäsityksen mukaan tätä tavallista ainetta olisi koko maailmankaikkeudesta ainoastaan 4,9 prosenttia, kun pimeän aineen osuus olisi 26,8 prosenttia ja pimeän energian, joka saa maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymään, 68,3 prosenttia.

Markus Haiderin johtama ryhmä on tarkastellut maailmankaikkeuden rakennetta sekä massan jakaumaa Illustris-simulaatiolla, jossa lasketaan suurella tarkkuudella galaksien syntyä ja kehitystä.

Simulaatio kuvaa kuutionmuotoista avaruuden aluetta, jonka yhdellä sivulla on mittaa noin 350 miljoonaa valovuotta. Alkupisteenä on 12 miljoonan vuoden ikäinen maailmankaikkeus, jonka massan – sekä tavallisen että pimeän aineen – ja gravitaation vuorovaikutusta seurataan laskennallisesti tähän päivään saakka.

Tutkijoiden mukaan noin puolet maailmankaikkeuden kokonaismassasta on alueilla, joille galaksit sijoittuvat, mutta ne muodostavat kokonaistilavuudesta ainoastaan 0,2 prosenttia. 44 prosenttia massasta on galakseja ympäröivien rihmojen verkostossa.

Universumin tyhjät onkalot vievät kokonaistilavuudesta peräti 80 prosenttia, mutta niissä olevan massan osuus on ainoastaan kuusi prosenttia. Yllätys oli se, että tavallisesta aineesta jopa viidennes, noin 20 prosenttia, on kulkeutunut näihin tyhjinä pidettyihin onkaloihin.

Syypäänä tähän kosmiseen "siivoukseen" pidetään supermassiivisia mustia aukkoja, jotka piileskelevät galaksien keskustoissa. Osa niihin syöksyvästä aineesta muuttuu energiaksi, joka saa ympäröivän kaasun kiivaaseen liikkeeseen.

Ainevirtaukset ulottuvat satojentuhansien valovuosien etäisyydelle mustista aukoista eli kauas galaksien ulkopuolelle. Lopulta kaasu päätyy galaksijoukkojen välillä oleviin onkaloihin, piiloon maailmankaikkeuden rakennetta selvitteleviltä tutkijoilta.

Ongelmana on se, että onkaloihin kertynyt aine on hyvin harvaa ja äärimmäisen kylmää, joten se ei juurikaan säteile. Siksi sitä on hyvin vaikea havaita. Eikä sitä nytkään ole siis havaittu: arviot aineen määrästä perustuvat ainoastaan tietokonesimulaatioon.

Tutkimuksesta kerrottiin Royal Astronomical Societyn uutissivuilla ja se on julkaistu seuran Monthly Notices -tiedelehdessä.

Kuva: Markus Haider/Illustris collaboration

Markus Hotakainen

Kosmologian standardimallin mukaan alkuräjähdystä seurasi inflaatio, maailmankaikkeuden äkillinen ja hyvin nopea laajeneminen. Sen seurauksena kosmoksesta kehittyi sellainen kuin havaitsemme sen olevan. Paitsi että…

Ongelmana on pimeä aine, joka muodostaa neljänneksen koko maailmankaikkeudesta. Pimeää energiaa on noin 70 prosenttia, tavallista näkyvää ainetta vain muutama prosentti.

"Yleisesti ottaen luonnon perusteoria selittää tietyt ilmiöt, mutta se ei välttämättä anna oikeaa pimeän aineen määrää", selittää Hooman Davoudiasl, jonka johtama Brookhavenin laboratorion tutkijaryhmä on kehittänyt uuden version inflaatioteoriasta.

"Jos tuloksena on liian vähäinen määrä pimeää ainetta, voi esittää toista lähdettä, mutta on ongelmallista, jos sitä on liikaa."

Jotkut teoriat selittävät hyvin useita fysiikan omituisuuksia, mutta ne eivät voi olla ihan kohdallaan, koska niiden ennustama pimeän aineen määrä on suurempi kuin sen tiedetään todellisuudessa olevan.

Uusi teoria ratkaisisi ongelman. Standardimallin mukaan inflaatio eli maailmankaikkeuden eksponentiaalinen laajeneminen alkoi ainoastaan 10^-35 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen. Hetken kestäneen humauksen jäljiltä maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi nykyiselleen. Sekuntien tai korkeintaan minuuttien ikäisessä kosmoksessa alkoi muodostua keveimpiä alkuaineita.

Davoudiaslin ryhmän kehittämän teorian mukaan inflaation päättymisen ja alkuaineiden synnyn välillä saattoi olla muitakin inflatorisia ajanjaksoja.

"Ne eivät olisi olleet yhtä merkittäviä tai voimakkaita kuin ensimmäinen, mutta ne voisivat selittää pimeän aineen määrän", arvelee Davoudiasl.

Kun hyvin pienikokoisen maailmankaikkeuden lämpötila oli miljardeja asteita, pimeän aineen hiukkasia törmäili toisiinsa ja tuhoutui annihilaatiossa. Kun laajeneminen jatkui ja lämpötila laski, törmäysten määrä väheni ja pimeän aineen määrä asettui lopulliselle tasolle.

Ongelmana on se, että alkuvaiheen annihilaatio ei tuhonnut riittävästi pimeää ainetta. Ratkaisu olisi toinen inflaation aikakausi – tai ehkä silmänräpäyksellistä hetkeä ei oikein voi kutsua "aikakaudeksi" – joka kasvatti maailmankaikkeuden tilavuutta ja pienensi pimeän aineen tiheyttä niin paljon, että se vastaa havaittua.

Teorian testaaminen on kuitenkin hyvin vaikeaa. Suurimmilla hiukkaskiihdyttimillä on kenties mahdollista päästä energioihin, joissa tulee esiin toisen inflaation edellyttämiä ilmiöitä.

Tutkimuksesta kerrottiin Brookhaven National Laboratoryn uutissivuilla ja se julkaistaan Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuva: BNL

Markus Hotakainen

ALMA-radioteleskoopilla (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) on löytynyt 11,5 miljardin valovuoden etäisyydeltä joukko hyvin nuoria galakseja, jotka asustavat suunnattomien pimeän aineen säikeiden risteyskohdassa.

Yli kymmenen miljardia vuotta sitten galakseissa syntyi tähtiä satoja tai tuhansia kertoja tiuhempaan tahtiin kuin Linnunradassa. Nykyisin tällaisia galakseja ei enää ole, mutta niiden uskotaan kehittyneen jättimäisiksi ellipsigalakseiksi, joita havaitaan maailmankaikkeudessa edelleen olevan.

Galaksien syntyä koskevien teorioiden mukaan varhaiset galaksit muotoutuivat pimeään aineen tihentymissä. Aiemmin on kuitenkin ollut vaikea tehdä riittävän tarkkoja havaintoja tähtiä kiivaaseen tahtiin synnyttävistä galakseista ja niiden sijainneista, jotta teorioita voitaisiin testata.

Yhtenä ongelmana on, että muinaiset galaksit olivat usein pölypilvien kätköissä, jolloin niitä on hankala havaita näkyvän valon alueella. Ne säteilevät voimakkaasti alimillimetrialueella, mutta radioteleskooppien tarkkuus ei ole riittänyt yksittäisten galaksien erottamiseen.

Japanilainen tutkijaryhmä onnistui tekemään Chilessä sijaitsevalla ALMA-radioteleskoopilla Vesimiehen tähdistössä sijaitsevasta SSA22-kohteesta havaintoja, jotka paljastivat yhdeksän vauvagalaksin rykelmän.

Aiemmin ASTE-teleskoopilla (Atacama Submillimeter Telescope Experiment) tehdyissä havainnoissa erottui vain yksi kookas radiosäteilyn lähde (vasemmanpuoleinen ruutu), mutta ALMAn kymmenkertaisella herkkyydellä ja 60-kertaisella erotuskyvyllä se hajosi erillisiksi galakseiksi (keskimmäinen ruutu). Oikeanpuoleisessa ruudussa on 8,2-metrisellä Subaru-teleskoopilla näkyvän valon alueella otettu kuva.

Kun havainnot galakseista ja niiden sijainneista toistensa suhteen yhdistettiin, saatiin muodostettua kuva paitsi galaksijoukon rakenteesta, myös sen ympärillä olevasta laajasta pimeän aineen verkostosta.

Nuoret jättigalaksit näyttävät olevan täsmälleen pimeän aineen säikeiden risteyskohdassa. Siten havainto tukisi käsitystä, että suuret galaksit todellakin syntyvät pimeän aineen tihentymien kohdalla. Ja koska nykyiset jättiläisellipsit ovat samanlaisia galakseja, mutta vain ikääntyneinä, niidenkin on täytynyt syntyä vastaavanlaisten rakenteiden solmukohdissa.

Yksi tunnetuimmista suuren mittakaavan rakenteista on "Suuri muuri", jättimäinen galaksijoukkojen ketju, jolla on mittaa yli 500 miljoonaa vuotta. SSA22-alueella havaittu rakenne saattaa olla samanlaisen "muurin" esiaste.

Tutkimuksesta kerrottiin ALMAn uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal Letters -tiedelehdessä.

Kuvat: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) [otsikkokuva], ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ, H. Umehata (The University of Tokyo) [kuvasarja]

Markus Hotakainen

Tähtitieteilijöiden vuosisataiset ponnistukset maailmankaikkeuden rakenteen selvittämisessä ovat johtaneet siihen, että 95 prosenttia universumin massasta ja energiasta on kadoksissa.

Tavallista ainetta, josta tähdet, planeetat ja kaikki muu näkemämme – ja myös me itse – koostuu, on alle viisi prosenttia. Pimeä aine muodostaa maailmankaikkeudesta reilun neljänneksen ja pimeä energia runsaat kaksi kolmannesta.

Pimeää ainetta on jopa 83 prosenttia maailmankaikkeuden kaikesta aineesta (tässä energia on jätetty huomiotta), mutta se ei vuorovaikuta tavallisen aineen kanssa sähkömagneettisen, vahvan tai heikon voiman välityksellä. Se ei heijasta valoa eikä tavallisen ja pimeän aineen "törmäys" tunnu missään.

Toistaiseksi ainoa keino todeta pimeän aineen olemassaolo on sen gravitaatiovaikutus galakseissa ja galaksijoukoissa. Kuvassa on pimeän aineen suuren mittakaavan jakauma, joka perustuu Hubble-avaruusteleskoopilla tehtyihin havaintoihin sen gravitaatiolinssivaikutuksista.

Pimeä energia on täydellinen mysteeri, mutta pimeän aineen jäljillä ollaan hieman paremmin. Tutkijat ovat nyt kehittäneet teorian, joka saattaa selittää, miksi pimeää ainetta ei ole pystytty havaitsemaan maanpäällisillä kokeilla.

Lawrence Livermoren kansallisessa laboratoriossa (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) on laadittu Vulcan-supertietokoneella tehtyjen laskelmien avulla malli, jonka mukaan pimeä aine on nykyisin luonnostaan yhtä hankala havaita kuin häivehävittäjät (todellisuudessa vielä paljon hankalampi…).

Varhaisen maailmankaikkeuden korkeissa lämpötiloissa ja suurissa tiheyksissä se olisi kuitenkin vuorovaikuttanut tavallisen aineen kanssa ja ollut helposti havaittavissa.

Tutkijaryhmää johtanut Pavlos Vranas vertaa häiveaineen neutronia tavalliseen neutroniin. Alhaisissa lämpötiloissa – eli nykyisessä maailmankaikkeudessa – neutronin muodostavat kvarkit ovat tiukasti sidoksissa toisiinsa eikä hiukkasella ole sähkövarausta. Korkeissa lämpötiloissa – eli maailmankaikkeuden varhaisvaiheissa – sähköisesti varatut kvarkit vuorovaikuttivat melkein kaikkien muiden hiukkasten kanssa.

Erona olisi se, että neutronia koossa pitävän, kvanttiväridynamiikan mukaisen vahvan vuorovaikutuksen sijasta häiveneutronissa vaikuttaisi toistaiseksi tuntematon vahva voima, jonka ominaisuudet määrittyisivät "pimeän kvanttiväridynamiikan" mukaan.

"On huomionarvoista, että ehdokas pimeän aineen hiukkaseksi on satoja kertoja protonia raskaampi ja koostuu sähköisesti varatuista osasista, mutta on silti kyennyt välttämään suorat havainnot niin pitkään", Vranas toteaa.

Protonien tapaan pimeä häiveaine on pysyvää eikä hajoa edes kosmisessa aikaskaalassa. Se voi kuitenkin synnyttää suuren joukon muita alkeishiukkasia, jotka hajoavat pian muodostumisensa jälkeen. Niillä voisi olla sähkövaraus, mutta ne ovat hajonneet jo kauan sitten.

Riittävän suuritehoisella hiukkaskiihdyttimellä, kuten CERNin LHC:llä (Large Hadron Collider), hiukkasia voitaisiin kuitenkin tuottaa ensimmäisen kerran sitten maailmankaikkeuden alkuaikojen. Ne saattaisivat näkyä hiukkasilmaisimissa, koska niillä on mahdollisesti sähkövaraus.

"Maanalaisten ilmaisimien tai LHC:n avulla voidaan kenties piankin löytää todisteita uudelle pimeän häiveaineen teorialle – tai kumota se", Vranas veikkaa.

Uudesta teoriasta kerrottiin LLNL:n uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/ESA/Hubble

Jari Mäkinen

Hiukkasfyysikoiden mielestä alkanut viikko on jännittävä, sillä Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä sijaitseva suuri LHC-kiihdytin on tarkoitus ottaa parannettuna käyttöön tämän viikon kuluessa.

Alun perin tarkoitus oli käynnistää alkuvuodesta 2013 huoltotauolle laitettu kiihdytin maaliskuun puolivälissä, mutta monet pienet syyt viivyttivät testaamista ja lopulta toissa viikonlopun lauantaina (21.3.) syntynyt oikosulku lykkäsi käynnistystä edelleen. Alla olevassa kuvassa tutkitaan syytä oikosulkuun.

Jättikokoinen tieteentekokone

Geneven luona, Sveitsin ja Ranskan rajalla sijaitseva Large Hadron Collider, eli LHC, on maailman tehokkain hiukkaskiihdytin. Se otettiin alun perin käyttöön vuonna 2008. Kiihdyttimessä on 1232 15 metriä pitkää dipolimagneettia ja 392 viidestä seitsemään metriä pitkää fokusointimagneettia, jotka kiihdyttävät ja ohjaavat protonisuihkuja 27 kilometriä halkaisijaltaan olevassa kiihdyttimessä. Jotta magneeteista saadaan suuri teho, ne ovat suprajohtavia, eli ne jäähdytetään -273°C:n lämpötilaan.

CERNin käyttämän vertauksen mukaan tarkkuus, millä lähes valon nopeudella kiitävät hiukkassuihkut kohdistetaan tarkasti toisiaan vastaan LHC:n sisällä on sama kuin kaksi neulaa ammuttaisiin kohti toisiaan 10 kilometrin etäisyydeltä ja ne törmäisivät päittäin puolimatkassa.

Kun LCH rakennettiin, se tehtiin kykeneväksi törmäyttämään hiukkasia tuplasti alkuperäistä suuremmalla teholla. Tällä kaksi vuotta kestäneellä huoltotauolla kiihdyttimen osia on paranneltu niin, että nyt päästään 6.5 TeV:n energiaan. Kun kaksi tällaista hiukkaskimppua osuvat nokakkain, saadaan 13 TeV:n törmäyksiä.

Huollossa suuri,noin sadan metrin syvyydessä maan alla tunnelissa oleva kiihdytinrengas avattiin noin 20 metrin välein ja jokainen liitos magneettien välillä tarkistettiin sekä vahvistettiin.

Uudelleenkäynnistys on tarkkaa puuhaa

Kun kiihdytintä oltiin käynnistämässä ensimmäisen kerran vuonna 2008, tapahtui paha toimintahäiriö: yhdessä suprajohtavia magneetteja yhdistävässä, myös nestemäisellä heliumilla jäähdytetyssä suprajohtavassa kaapeliliitoksessa tapahtui oikosulku, joka sai aikaan sen, että suprajohtavuus hävisi kaapelissa. Tällöin johtimen sähkönjohtavuus huononi nopeasti ja suuri sähkövirta kuumensi sitä niin, että helium lämpeni voimakkaasti ja purkautui suoraan magneettien jäähdytysjärjestelmään.

Korjausten lisäksi kaikki magneettien väliset liitokset tarkistettiin ja kiihdyttimeen asennettiin uusi valvontajärjestelmä sekä venttiileitä, jotka suojaavat magneetteja vastaavilta tapauksilta.

Tähän tuhraantui vuoden päivät, joten LHC saatiin kunnolla toimintaan vasta vuonna 2009.

Vaikka ensimmäiselläkin kerralla käynnistys tehtiin varovasti ja hitaasti, nyt uudelleenkäynnistykseen suhtaudutaan vieläkin varovaisemmin. Siksi toissa viikonlopun oikosulkuun suhtauduttiin hyvin vakavasti, mutta onneksi sillä ei ollutkaan suuria seurauksia.

Vika liittyy siihen, että olennainen osa käynnistystä on suprajohtavien magneettien “treenaaminen” kestämään suurta sähkövirtaa. Kuuden kuukauden aikana noin 1700 erilaista magneettia on viilennetty suprajohtaviksi ja lämmitetty huoneenlämpöön niin monta kertaa, että ne pystyvät välittämään 11080 A:n virran. Samalla magneettien kaikki ohjaus- ja varojärjestelmät on testattu vielä kerran.

Maaliskuun puoliväliin mennessä seitsemän kahdeksasta kiihdyttimen osasta oli saatu valmiiksi, mutta viimeinen osa (niin sanottu sektori 45) oli osoittautunut hankalaksi. Se vaati peräti 45 lämmitys- ja viilennyssykliä ennen kuin se saatiin toimimaan 10990 A:n virralla. Mutta tämä ei riittänyt, sillä tavoite oli liki sata ampeeria enemmän.

Sitten, todennäköisesti viimeisessä treenauksessa, magneetin alaosassa olevan suojausdiodin maajohto meni oikosulkuun. Suojausjärjestelmä toimi hyvin, eikä tästä aiheutunut vaaraa eikä magneetti vaurioitunut.

Jotta syy oikosulkuun saatiin selville, tutkittiin liitosta muun muassa röntgenlaiteella. Diodin sijaintipaikka on vaikea, ja vaikka kuvissa näkyi hieman metallisia roskia alueella, kesti noin viikon päivät varmistaa, ettei mitään muuta ollut vialla. Alla olevassa kuvassa on LHC:n yksi magneettiyksikkö ja nuoli osoittaa missä diodi on sen sisällä.

Nyt käynnistys pääsee jatkumaan ja lopulta tämän viikon loppupuolella – mikäli uusia yllätyksiä ei tapahdu – voidaan koko kiihdytinrenkaaseen syöttää protonikimppuja kiertämään. Sen jälkeen vielä kestää noin kaksi kuukautta, ennen kuin kaikki laitteet on säädetty siten, että hiukkasia päästään törmäyttämään toisiaan vastaan.

Tänä aikana kiihdyttimen sisällä oleva tyhjö imetään mahdollisimman hyväksi, hiukkasten ohjausmagneetit säädetään toimimaan mahdollisimman tarkasti ja koeasemat, joiden sisällä törmäykset tapahtuvat, kalibroidaan uudelleen.

Mitä on odotettavissa?

Itse kiihdyttimen lisäksi jokainen LHC:n koeasemista on huollettu ja niiden tarkkuutta on myös parannettu. Suurimmat koeasemista ovat Atlas, CMS, LHCb ja Alice, ja näistä etenkin CMS on suomalaisittain hyvin kiinnostava, koska suomalaistutkijat ovat olleet läheisesti mukana sen tekemisessä sekä sillä tehtävissä havainnoissa.

Kun LHC aloitti toimintansa, olivat fyysikot haljeta innostuksesta, sillä laitteella päästiin ensimmäistä kertaa kunnolla Higgsin hiukkasen jäljille. Se löytyikin vuonna 2012, ja niin teoriat siitä miten aineella on massaa, saivat vahvistusta. Tämä oli viimeinen vahvistamaton osa ns. Standardimallia, nykyisin laajasti fyysikoiden hyväksymää käsitystä siitä miten luonto ja sen alkeishiukkaset toimivat, ja vaikka Higgsin hiukkasta ei olisi löytynyt, olisi tuloksena ollut jotain kiinnostavaa.

Hiukkasesta kertovien merkkien lisäksi fyysikot elättelivät toivoa kaikenlaisesta muustakin, kuten “ylimääräisiä” ulottuvuuksia, mutta niitä ei löytynyt. Ja nyt monet ovat sitä mieltä, että tuskin niitä löytyy lähitulevaisuudessakaan. Voimakkaampikaan LHC ei riitä todennäköisesti sondaamaan aivan uusia energia-alueita.

Jännittävin mahdollisesti esiin tuleva asia on pimeä aine, sillä kenties esiin tulee siitä kertovia hiukkasia. Näillä näkymin LHC hyrrää nykyisessä kuosissaan aina 2020-luvulle saakka, joten aikaa löytöjen tekemiseen on hyvin.

Lisäksi kiihdyttimessä on vielä hieman varaa energiatason nostamiseen, sillä suunnittelussa kaikki on tehty 14 TeV:n mukaan. Siihen pääseminen ei kuitenkaan vaadi enää suurta remonttia, vaan muutokset voidaan tehdä helposti huoltoseisokkien avulla; kiihdytin on joka tapauksessa poissa toiminnasta talvikuukausina, jolloin sähkö Sveitsissä on kallista…

Markus Hotakainen

Maailmankaikkeudesta alle viisi prosenttia on näkyvää ainetta eli galakseja, tähtiä, planeettoja ja kaasua. Noin neljännes on pimeää ainetta ja loput, yli 71 prosenttia, pimeää energiaa, joka saa universumin laajenemaan kiihtyvällä vauhdilla.

Pimeän energian olemuksesta on vain kalpea aavistus eikä pimeää ainetta tunneta juuri sen paremmin. Hubble-avaruusteleskoopilla ja Chandra-röntgensatelliitilla on tehty vastikään havaintoja, jotka osoittavat pimeän aineen olevan vielä "pimeämpää" kuin aiemmin on arveltu.

Paitsi että pimeä aine ei heijasta, ime eikä lähetä säteilyä – eli nimeksi sopisi paremmin "näkymätön aine" – se ei juurikaan vuorovaikuta myöskään itsensä kanssa. Se pystytään havaitsemaan ainoastaan gravitaatiovaikutuksensa ansiosta.

Tutkimuksen kohteena oli toisiinsa törmääviä galaksijoukkoja. Jo aiemmin on Luotijoukoksi nimettyä kohdetta (kuvassa yllä) havaittaessa todettiin, että galaksijoukkojen törmäyksissä kaasupilvien liike hidastuu ja samalla ne kuumenevat. Kaasuun verrattuna harvakseltaan sijaitsevat tähdet kulkevat pääosin toistensa lomitse mutta pimeä aine jatkaa matkaa kuin mitään ei olisi tapahtunut.

Luotijoukon kuvassa pimeä aine on merkitty sinisellä ja kuumentunut, röntgenalueella säteilevä kaasu vaaleanpunaisella. Pimeä aine ja kaasu ovat selvästi erottuneet toisistaan.

Sama ilmiö on nyt havaittu monissa muissakin galaksijoukkojen törmäyksissä. Kansainvälinen tutkijaryhmä tarkasteli kaikkiaan 72 kosmista kolaria ja pimeä aine käyttäytyy niissä yhtä välinpitämättömästi kuin Luotijoukossa.

Syynä ei kuitenkaan ole se, että pimeän aineen hiukkaset – mikäli se koostuu hiukkasista – olisivat kaukana toisistaan samaan tapaan kuin tähdet. Toisiinsa törmäävät pimeän aineen kasaumat eivät ole törmäyksestä moksiskaan, koska pimeä aine ei näytä vuorovaikuttavan edes itsensä kanssa.

Tuoreet tulokset eivät edelleenkään paljasta pimeän aineen todellista olemusta, mutta se rajaa vaihtoehtoja, joita tutkijoilla on pohdittavanaan. Seuraavaksi tutkijaryhmän tarkoituksena on tehdä havaintoja yksittäisten galaksien törmäyksistä ja pimeän aineen käyttäytymisestä pienemmässä mittakaavassa.

Uusista tuloksista kerrottiin Hubble-avaruusteleskoopin kotisivuilla ja ne julkaistaan 27. maaliskuuta ilmestyvässä Science-tiedelehden numerossa.

Kuvat: NASA / ESA / D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland) / R. Massey (Durham University, UK) (kuvasarjat), NASA / CXC / CfA / M. Markevitch et al. / STScI / ESO / University of Arizona / D. Clowe et al. (Luotijoukko)

Markus Hotakainen

Juuri kun luulimme selvinneemme 800 miljoonan valovuoden etäisyydellä tapahtuneesta galaksijoukkojen kolarista, tutkijat ovat todenneet, että Linnunratakin on rutussa. Ja lisäksi kotigalaksimme on paljon aiemmin arvioitua isompi.

Havainnot eivät ole uusia, sillä nyt julkaistu tutkimus perustuu vuosituhannen alussa käynnistyneeseen Sloan Digital Sky Survey -kartoitukseen. Aineiston pohjalta saatiin jo vuonna 2002 selville, että Linnunradan tason ulkopuolella on tähtien muodostama paksu rengas. Tässä ei kuitenkaan ollut vielä kaikki…

"Rengas" on todellisuudessa osa Linnunradan kiekkoa eikä se itse asiassa edes ole rengas, vaan yksi galaksin ulkolaidan poimuista. Tutkimusta johtaneen Heidi Newbergin mukaan poimuja on vähintään neljä ja ne muuttavat käsityksemme Linnunradan olemuksesta. Se ei ole litteä tähtien ja kaasun muodostama kiekko, vaan sen reunat aaltoilevat.

Havaintoaineistoa on toistaiseksi melko kapeasta sektorista, mutta todennäköisesti poimuileva rakenne kiertää koko galaksin. Koska se on selkeästi osa Linnunradan kiekkoa, galaksimme läpimitta kasvoi kertaheitolla vähintään 50 prosentilla. Kun Linnunradan halkaisijaksi arvioitiin aikaisemmin noin 100 000 valovuotta, sillä onkin mittaa ainakin 150 000 valovuotta.

Kun Linnunradan keskuksesta matkataan ulommas, noin 50 000 valovuoden etäisyydellä tähtien lukumäärä vähenee selvästi. 60 000 valovuoden päässä niitä on taas enemmän ja tämä tihentymä miellettiin erilliseksi renkaaksi. Se on kuitenkin palanen poimusta, jossa osa tähdistä on Linnunradan tason yläpuolella ja osa alapuolella. Eikä tihentymä ole ainoa laatuaan.

Niille ehdittiin antaa jo nimiäkin, kuten Yksisarvisen ja Kolmion-Andromedan rengas, mutta kuten otsikkokuvan kaaviosta näkyy, ne ovat itse asiassa aaltoja. Ja niitä on ainakin neljä. Yksisarvisen renkaan sisäpuolella olevaa tihentymää pidettiin tovi hajonneen kääpiögalaksin jäänteenä, mutta tuore tutkimus paljasti myös sen todellisen luonteen.

Ajatus kääpiögalaksista ei kuitenkaan ollut kovin kaukaa haettu, sillä aaltoilun aiheuttajaksi uumoillaan Linnunradan tason läpi kulkenutta pientä seuralaisgalaksia. Samanlainen ilmiö näkyy vedenpinnalla, kun lampeen heittää pienen kiven – mittakaava vain on aivan toista luokkaa.

Toinen mahdollinen syypää aaltoiluun saattaa olla pimeän aineen tiheydenvaihtelu, joten kartoittamalla poimuttumista tarkemmin saadaan kenties tietoa pimeän aineen jakaumasta Linnunradassa.

Poimut ovat sijoittuneet melko tasaisin välein eri etäisyyksille: sisin on 6 500 valovuoden, toinen noin 16 000 valovuoden, kolmas vajaan 30 000 valovuoden ja uloin hieman yli 45 000 valovuoden päässä Linnunradan keskuksesta. Ja on mahdollista, että poimuttuminen jatkuu vielä kauemmaskin. Joka tapauksessa jo nyt löytyneet rakenteet tekevät kotigalaksistamme paljon luultua kookkaamman.

Tutkimustuloksista kerrotaan RPI:n (Rensselaer Polytechnic Institute) uutissivuilla sekä Astrophysical Journalissa julkaistussa artikkelissa.

Tuore tutkimus paljasti odottamattomia salaisuuksia: Pimeä aine poksauttelee planeettamme tulivuoria ja repii mantereita hajalle. Näin siis, kunhan ensin mahdollisesti kenties sopivilla asioilla jossitellaan ihan käsittämättömän paljon ja vedetään muutamia mutkia suoriksi.

Päättelyketju menee näin: Aurinko kiertää Linnunradan keskuksen ympärillä ja pomppii samalla edestakaisin galaksin kiekon tason läpi. Parhaimmillaan se käy kiekosta noin 250 valovuoden päässä. Eestaas vekslatessaan se joutuu ajoittain tekemisiin pimeän aineen tihentymien kanssa. Ajoittain tuota mystistä materiaa on tiellä riittävästi että tapahtuu oikein kunnollista vuorovaikutusta - ja se sitten näkyy aivan käsittämättömän mittavien asioiden jaksollisuutena. Oortin pilvestä tippuu komeettoja kohti sisempää Aurinkokuntaa luoden planeetoille ja kuille mittavan pommitusuhan. Lisäksi juuri tämä meidän pallomme sattuu olemaan riittävän iso jotta pimeä aine vaikuttaa siihen suoraan. Ainetta kertyy Maan ytimeen ja aktivoi samalla planeetan sisäistä toimintaa. Tästä seuraa normaalia enemmän tulivuorenpurkauksia ja mannerten repeilyä. Ja, kuten tunnettua, sekä komeettatörmäykset että tulivuorten aktivoituminen tehostavat massasukupuuttoja. Voilá.

Useat tahot uutisoivat tästä varsin päräyttävästä havainnosta menneellä viikolla. Suomessa asiasta on uutisoinut toistaiseksi kai ainoastaan Yle Tiede, mutta maailmalla asiaan ovat tarttuneet ainakin ScienceDaily ja Astrobiology Magazine. Ei ihme, sillä Michael Rampinon tekemä tutkimus julkaistiin varsin korkealle arvostetussa Monthly notices of the Royal Astronomical Society -julkaisussa. Lehden impact factor eli suomeksi vaikuttavuuskerroin on yli 5! Miten sellaiseen päässeessä jutussa voisi mennä vikaan?

Onhan tuo tosiaan hieno ja kutkuttava idea. Ainoa huono puoli tutkimuksessa on, että kyse on pahanlaatuisesta aineiston vääristelystä ja parhaiden palojen poiminnasta (engl. cherry picking). Alla muutamia huomautuksia:

Auringon rata todella on hieman kallellaan Linnunradan kiekkoon nähden, eli me kyllä pompimme tason ylä- ja alapuolelle tasaiseen tahtiin. Ainakaan minun tietääkseni itse sitä tahtia ei kuitenkaan ole saatu määritettyä vielä aivan tarkkaan - artikkelin itsensäkin mukaan arviot vaihtelevat 60 - 84 miljoonan vuoden välillä. Tutkimuksen perusoletus on siis hiuskarvan varassa - jos arvo ei nimittäin ole juuri oikea (tuntuisi olevan jotakuinkin 66 miljoonaa vuotta) jaksottaisuus menee aivan häneksi. (Toisaalta Rampinon malliin sopinee oivasti, että maailmanhistoriasta löytyy aina suuria esille napsaistavia törmäyksiä tai joukkotuhoja muutaman kymmenen miljoonan vuoden välein. Niistä sitten vain valitsee parhaiten sopivat. Näppärää.)
Edellä mainittu hiuskarva katkeaakin sitten saman tien. Asteroidien tai komeettojen törmäysryppäitä on varsin vaikeata todistaa nykytiedoilla. Useimpien kraattereiden ajoitukset nimittäin ovat erittäin epätarkkoja, ja usein vain iän ylä- tai alaraja on saatu selville. Eri metodit myös antavat erilaisia ikiä (tästä voisi vaikkapa kirjoittaa kirjan). Vieressä oleva kuva selventänee asiaa. Toki törmäykset todella voivat sattua hyvinkin tiuhassa sarjassa - näin oletetaan käyneen muutamien Ordoviikkikauden kraattereiden tapauksessa. Se vain sattui tapahtumaan 200 miljoonaa vuotta liian aikaisin että olisi hyödyksi tälle tutkimukselle. Summa summarum: Rampinon "törmäyspulssit" ovat pahimmillaan vain yksittäisten kraattereiden muodostumisikiä, tai sopivasti pitkältä virherajalta valittuja kohtia. Viereinen kuva selventänee asiaa. Tai sitten ei.
Massasukupuutot ovat toki todellisia tapahtumia. Dinosaurukset ja trilobiitit ovat nykyään aika harvassa. Mutta mittavien sukupuuttojen määrittely taas on hieman niin ja näin. Yleisesti tunnustetaan viisi sukupuuttoaaltoa, mutta Rampino havainnoi jaksollisuudessaan montaa muutakin. Mikä sitten on riittävän suuri joukkotuho ollakseen "massasukupuutto"? Millaisissa eliöryhmissä sen pitää näkyä? Merellä vai maalla, eläimissä vai kasveissa? Paljonko pitää lajeja kadota, vai häviääkö kokonaisia sukuja tai heimoja? Raup ja Sepkoski pohtivat asiaa parissakin klassisessa artikkelissa (1, 2), eikä asia ole mitenkään yksisellitteinen. Heidän mukaansa joukkotuhojen periodisuus on 26 miljoonan vuoden luokkaa, mikä ei taas sitten olisi synkassa Rampinon idean kanssa...
Tutkimusidean perustana ovat WIMPit eli "heikosti vuorovaikuttavat massiiviset hiukkaset". En väitä ymmärtäväni niistä paljoakaan, paitsi sen, että ne ovat teoreettisia hiukkasia. Outojen otusten olemassaoloa ei ole millään tasolla todistettu. Mutta voihan niitä toki olla, selittäisivät hyvin paljon. Ja, jos pimeä aine nyt sitten sattuu koostumaan WIMPeistä (mikä ei ole ihan varmaa sekään), niin planeettamme läpi pitäisi joka sekunti kulkea miljardeja WIMPpejä... aika näyttää havaitaanko niitä ikinä vai keksitäänkö kosmologian massaongelmille jokin hieman erilainen ratkaisu.
Artikkelin antamilla tiedoilla jää epäselväksi, miksi WIMPit käytännössä jäisivät jumiin ja vaikuttaisivat juuri Maan ytimessä. Oletuksen mukaanhan muiden kiviplaneettojen ja kuiden massa ei olisi riittävä nappaamaan riittävän massiivisia määriä WIMPpejä huomaansa. Mutta... jos maapallolla on riittävän iso gravitaatiokuoppa että se vangitsee WIMPpejä, niin eikö ilmiön pitäisi olla paljon suuremmilla kaasuplaneetoilla huomattavasti suurempi? Luulisi, että niistä tuo ylimääräinen massa, saati sitten sen antama lisäpotku sisäisille prosesseille olisi jo selvästi havaittava. Puhumattakaan Auringosta - sen gravitaatiokuoppa kun on aivan käsittämättömän valtava! Voisi kuvitella, että massalisän vuoksi Auringon ytimen fuusioprosessi olisi tehokkaampaa kuin perinteiset mallit esittävät...? Vaikka Auringon vuorovaikutusta pimeän materian kanssa onkin tutkittu, en tuollaisesta ole kuullut.
Tutkimus kyllä osuu yhdessä asiassa täysin nappiin. Törmäykset ja suuret vulkaaniset pulssit todella ovat syitä massasukupuuttoihin. Dinotkin kuolivat kaikkein todennäköisimmin niiden yhteisvaikutukseen. (Sivuhuomautus: pientä debattia asiasta voi joku nähdä tässä asiassa olevan, mutta kyllä se nyt vain on niin että se asteroidimäjäys oli ihan riittävän iso piste pitkään kestäneen vulkaanisen iin päälle.. tai keskelle.) Mutta ei siihen mitään pimeää ainetta tarvita. Satunnainen törmäily, laattatektoniikka ja Maan vaipan toiminta riittävät. Miksi asialle pitäisi väen vängällä löytyä jokin suurempi syy?
Poikkitieteellisyys on hyvä juttu, mutta... onkohan tuossa jutussa nyt ollut kunnollinen vertaisarviointi? Kyse on kuitenkin lähes puhtaasti geotieteisiin / planeettageologiaan liittyvistä ilmiöistä, mutta lehti on nähdäkseni erikoistunut pääosin astrofysiikkaan. Ihan vain tässä nyt pohdin.
Tutkimuksen tekijä Rampino on jo pitkään etsinyt yleistä syytä eliöiden massasukupuutoille, lempilapsenaan juurikin Linnunradan kiekossä pörräämisen aiheuttama periodisuus. Lainaan (luvatta, ja siksi anonyyminä) erästä asiaan perehtynyttä ja eittämättä asenteellista geologia: "[Rampino] on galaksin tason läpi kulkemisista ja joukkotuhoista jaksanut vaahdota vuosikymmeniä, ja nyt siinä samalla sitten pimeää ainetta päätyy Maan ytimeen ja aiheuttaa sitten överiksi menevää vulkanismia. Just just. Millä [ihmeellä] nää [hyvin erikoiset tutkijat] saa rahaa [erityisen rakkaisiin aiheisiinsa], ja pidettyä virkansa?" Sanamuotoja hieman muutettu siistin lukukokemuksen varmistamiseksi.

Rampinon päräyttävän artikkelin voisi muotoilla paljon lyhyemminkin: Kuvitteellinen ja ominaisuuksiltaan tuntematon aine aktivoi ainoastaan maapallon sisuksia havaitsemattomalla tavalla ja voisi periaatteessa aiheuttaa sukupuuttoaaltoja, jos kaikki sattuisi menemään juurikin tämän mallin mukaan.

Ja jos lehmille kasvaisi siivet, taivaalta tippuu liukumiinoja. Kannattaako siltikään ostaa entistä tukevampia sateenvarjoja?

Sekavan ja vajavan aineiston syövereistä löytää ihan varmasti korrelaatioita, jos jaksaa tonkia ja on tarpeeksi vakuuttunut siitä että on oikeassa. Ja korrelaatioita löytyy vaikka mistä, vaikkapa mehiläisten määrien ja kannabiksen kuluttajien välille. Mene ja tiedä sitten, onko se sitten kunnollista tiedettä...

Otsikkokuva: Mordor by Edli / DevianArt