Suurin osa maailmankaikkeuden massasta on näkymätöntä. Ja fyysikot ovat jo pitkään yrittäneet ymmärtää, mikä tämä vaikeaselkoinen massa on. Jos se koostuu hiukkasista, toivon, että iso hadronikoppija pystyy tuottamaan tumman aineen hiukkasen tai avaruusteleskooppi näkee tumman aineen törmäyksen kaunopiirisen gammasäteilyn. Toistaiseksi mitään ei ole. Ja tämä ongelma saa teoreettiset fyysikot pohtimaan uusia ideoita.
Tunnettu teoreettinen fyysikko Lisa Randall otti vuonna 2017 kurkkuun yhden uskottavimmista tumman aineen mahdollisuuksista. Hypoteettinen, tietenkin. Sen sijaan, että käsittelisi tummaa ainetta tietyntyyppisenä hiukkasena, hän oletti, että tumma aine voi koostua kokonaisesta hiukkasperheestä, jotka muodostavat tummat tähdet, tummat galaksit, tummat planeetat ja mahdollisesti tumman elämän. Pimeän universumin kemia voisi olla yhtä rikas ja monipuolinen kuin oma "säännöllinen kemia".
Mutta se ei ole niin yksinkertaista.
Pimeän aineen ongelma
Universumimme on hämmästyttävä, vaikkakin käsittämätön paikka.
Viime vuosikymmeninä olemme havainneet, että 84,5% maailmankaikkeuden aineesta ei ole näkyvissä. Koska tämä aine on melko hankala lempinimeltään "tumma aine", tämä aine on tilassa, jossa se ei ole vuorovaikutuksessa "normaalin" aineen kanssa. Kuten tumma energia, nämä asiat ovat”tummia”, koska emme ymmärrä niitä.
Jos työpöydälläni on pala tummaa ainetta, en koskaan tiedä siitä. Pala tummaa ainetta yleensä sellaisenaan ei voi maata pöydälläni. Se putoaa pöydän läpi, ja lattia ja maankuori kiirehtivät painovoimaan hyvin planeettamme ytimessä. Tai se katoaa avaruuteen käsittämättömällä tavalla. Tumma aine on niin heikosti vuorovaikutuksessa minkä tahansa kanssa, että tämä pala yksinkertaisesti putoaa tavallisen aineen läpi ikään kuin sitä ei olisi olemassa.
Mainosvideo:
Pienessä mitassa tumman aineen gravitaatioilmaisuus on vähäinen, mutta kosmologisilla etäisyyksillä tumman aineen läsnäolo tuntuu ehdottomasti - se voidaan havaita epäsuorasti sen gravitaatiovaikutuksella galaksiklusteriin ja sen vaikutuksesta galaksien kiertoon. Tiedämme, että se on olemassa, emme vain näe sitä.
Ja emme tiedä mitä se on. Voimme vain arvata.
Tavallinen aine - eli baryoninen aine - on vuorovaikutuksessa sähkömagneettisten, painovoimaisten, voimakkaiden ja heikkojen voimien kautta. Nämä voimat siirtävät energiaa ja antavat rakenteen kaikelle aineelle. Pimeää ainetta puolestaan pidetään yleensä amorfisena "aineen" pilvina, joka ei voi toimia yhdessä sähkömagneettisten, heikkojen tai voimakkaiden voimien kautta. Siksi tumman aineen oletetaan olevan "ei-baryoninen". Ei-baryoninen aine voi paljastaa sen läsnäolon vain painovoimaisesti.
Johtava ehdokas tumman aineen etsinnässä on WIMP, heikosti vuorovaikutuksessa oleva massiivinen hiukkas. Kuten WIMP: n nimi viittaa, tämä hypoteettinen hiukkanen ei ole vuorovaikutuksessa normaalin aineen kanssa - joten se ei ole baryoninen.
Vakiintuneet kosmologiset mallit ennustavat, että tumma aine - olkoon esimerkiksi WIMP: n tai "aksionien" muodossa - antaa universumillemme rakenteen ja sitä kutsutaan yksinkertaisesti yksinkertaisesti "liimeksi", joka pitää koko maailmankaikkeuttamme.
Tähtitieteilijä Vera Rubin huomasi galaksien kiertoa havaittaessa, että suurin osa galakseissa olevasta aineesta ei ole havaittavissa. Vain pieni prosenttiosuus on näkyvissä - tähdet, kaasu ja pöly; loput piiloutuvat valtavaan, mutta näkymättömään tumman aineen halooniin. Se on kuin tavallisen aineen näkyvä galaksiamme on vain huppu valtavassa tumman aineen pyörässä, joka ulottuu kaukana siitä mitä voimme nähdä.
Äskettäin julkaistussa lehdessä (2013) Randall ja hänen kollegansa esittelivät monimutkaisemman muodon tummaa ainetta. Heidän mukaan galaksiamme tumma-ainehalo ei koostu vain yhdestä tyypistä amorfisesta massasta ei-baryonisista aineista.
"Vaikuttaa erittäin omituiselta olettaa, että kaikki tumma aine koostuu vain yhdestä hiukkasmuodosta", Randall kirjoittaa. "Puolueettoman tiedemiehen ei pitäisi sallia tumman aineen olevan niin monimuotoista kuin normaaliasiamme."
Rikas "varjouniversumi"?
Aivan kuten näkyvää maailmankaikkeuttamme hallitsee fysiikan vakiomalli - hyvin todistettu hiukkasten (mukaan lukien surullisen Higgsin bosonin) ja voimien ryhmä, voisiko rikas ja monipuolinen malli tumman aineen hiukkasia ja voimia toimia pimeässä galaktisessa halogeenissa?
Tämä tutkimus noudattaa logiikkaa, jonka mukaan oletetaan rikas valikoima tuntematonta fysiikkaa maailmankaikkeuden pimeässä sektorissa - kutsutaan sitä "varjouniversumiksi" -, joka kulkee samansuuntaisesti oman kanssa ja jolla on kaikki monimutkaisuudet, joita näkyvällä maailmankaikkeudellamme on tarjota.
Astrofysiikot ovat aiemmin ehdottaneet, että "tummat tähdet" - tähdet, jotka on valmistettu tummasta aineesta - voivat esiintyä muinaisessa maailmankaikkeudessamme tähän päivään asti. Jos näin on, Randall väittää, että "pimeitä planeettoja" voisi muodostua. Ja jos pimeässä aineosassa on joukko tumman aineen hiukkasia, joita pimeälle sektorille sijoitetut voimat hallitsevat, voisiko tämä johtaa monimutkaiseen kemiaan? Ja elämään?
Jos kuitenkin "tumma" tai "varjo" elämä esiintyy samanaikaisesti maailmankaikkeuden kanssa, voit unohtaa, että voimme havaita sen.
Varjoelämä jää varjoihin
Vaikuttaa houkuttelevalta käyttää tätä hypoteesia selittämään kaikki päivittäiset mysteerit tai jopa paranormaaliset väitteet, joita tiede ei voi kiistää tai tukea. Entä jos "haamut" tai selittämättömät "taivaan valot" ovat kaiken taustalla elävien pimeiden olentojen antiikkia?
Vaikka tämä logiikka olisi hieno TV-ohjelmalle tai elokuvalle, nämä tummat olennot eläisivät varjoisassa universumissa, joka on täysin yhteensopimaton tavallisen aineen kanssa. Heidän hiukkasillaan ja voimillaan ei olisi vaikutusta maailmankaikkeuteen. Voisit lukea nämä rivit istuessaan kannolla pimeässä metsässä, etkä koskaan tiennyt siitä.
Mutta koska olemme rinnakkain tämän varjouniversumin kanssa samassa avaruus-ajassa - ilman ylimääräisiä ulottuvuuksia tai moniosaisia -, vain yksi signaali voidaan lähettää.
Painovoima-aallot havaittiin vasta vuonna 2016, ja näiden aaltojen aikaiset aaltoilut havaittiin ensimmäisen kerran mustien reikien törmäyksessä. Vaikuttaa melko mahdollista, että gravitaatioaallot voidaan havaita pimeässä sektorissa, mutta vain pimeän sektorin voimakkaimmat kosmiset tapahtumat voidaan havaita langan päässä.
Kaiken kaikkiaan, emme miltei varmasti koskaan todista söpöjen pimeän aineen olentojen olemassaoloa, mutta Randall huomauttaa. Kun pohdimme tumman aineen lähdettä, meidän on katsottava ennakkoluulomme ulkopuolelle; tumma sektori voi olla monimutkainen ryhmä tumman aineen hiukkasia ja voimia, jotka ovat sellaisia kuin voimme kuvitella.
Ilja Khel
