Pimeä aine saattaa olla vielä outompi kuin kuvittelimme
Okei, myönnän että tämä juttu sai minut lukemaan uudestaan. Ja olen lukenut aika paljon omituisista fysiikan jutuista.
Tässä on tilanne: pimeä aine on jo yksi tieteen mielenkiintoisimmista käsitteistä. Se on näkymätön. Se ei heijasta valoa. Emme voi koskea siihen tai havaita sitä suoraan. Ainoa syy miksi tiedämme sen olevan olemassa on se, että näemme sen gravitaatiovaikutukset asioihin, jotka voimme nähdä — galaksit, tähdet, kaikki.
Mutta nyt tutkijat kysyvät vielä erikoisempaa kysymystä: entä jos pimeällä aineella on oma salainen voimansa? Ei sellaista, joka vaikuttaisi tavanomaiseen aineeseen jota kohtaamme joka päivä — vaan sellainen, jonka vain pimeän aineen hiukkaset huomaavat?
Kuulostaa scifi-elokuvan asialta, eikö? Mutta uuden Journal of Cosmology and Astroparticle Physics -lehdessä julkaistun tutkimuksen mukaan tämä on mahdollisuus, joka kannattaa ottaa vakavasti.
"Pimeän voiman" idea
Tutkijat kutsuvat sitä "pimeäksi voimaksi" — piilossa olevaksi vuorovaikutukseksi, joka toimii yksinomaan pimeän aineen sektorilla. Ajattele asiaa näin: meillä on sähkömagnetismi, painovoima ja muut tunnetut voimat. Pimeällä aineella olisi oma versionsa... jostakin. Ylimääräinen vetovoima, jota tavanomainen aine ei pysty havaitsemaan.
Mielenkiintoinen osuus? Tämä ei ole pelkkää villiä spekulaatiota. Tutkijat ottavat sen vakavasti, koska maailmankaikkeuden havainnot ovat alkaneet kertoa ristiriitaisia tarinoita.
Kosmuksen laajenemisen mittaukset eivät aina täsmää täydellisesti sen kanssa mitä näemme galaksien ja rakenteiden muodostumisessa. Jotkut havainnot viittaavat siihen, että maailmankaikkeus laajeni hieman hitaammin menneisyydessä kuin standardimallimme ennustavat. Muut havainnot taas viittaavat siihen, että ainetta saattaa olla odotettua enemmän kasautuneena yhteen suurimmilla mittakaavoilla.
Nämä erot ovat hienovaraisia — oikeastaan todella pieniä — mutta riittäviä saamaan fyysikot ihmettelemään, puuttuuko meiltä jotain perustavanlaatuista.
Lintu lavastossa -löytö
Tässä kohtaa asia muuttuu todella mielenkiintoiseksi.
Jos antaisit pimeälle aineelle ylimääräisen vetovoiman, mitä ensimmäisenä odottaisit? Useimmat ihmiset (myös minä reilusti) sanoisivat: "No tietysti asiat kasautuisivat nopeammin. Lisää vetovoimaa tarkoittaa nopeampaa rakenteiden kasvua."
Täysin järkevää, eikö?
Paitsi... näin ei tapahdukaan.
Tutkimusryhmä teki yksityiskohtaisia laskelmia ja mallinsi mitä tapahtuisi, jos pimeän aineen hiukkaset kokisivat tämän lisävoiman pitkän kantaman yhdessä painovoiman kanssa. He löysivät jotain täysin odottamatonta: vaikka ylimääräinen voima saa pimeän aineen kasautumaan tehokkaammin, se todellisuudessa hidastaa kosmisten rakenteiden kasvua useimmissa tapauksissa.
Mitä nyt?
Miksi maailmankaikkeuden täytyy olla monimutkainen
Anna kun selitän mitä täällä tapahtuu, koska tämä on todella siistiä kun sen kerran ymmärtää.
Kun pimeän aineen hiukkaset vetävät toisiaan puoleensa tämän piilossa olevan voiman kautta, jotain muuta tapahtuu samanaikaisesti. Hiukkaset menettävät tehokkaasti massaa ajan myötä maailmankaikkeuden laajentuessa. Tämä on outoa ajatella — massa ei kuulemma saa vain kadota — mutta tässä teoreettisessa viitekehyksessä näin tapahtuu.
Tässä on seuraus: kun pimeä aine menettää massaa, sen gravitaatiovaikutus heikkenee. Tämä heikkenevä painovoima kumoaa pimeän voiman ylimääräisen vedon. Nämä kaksi vaikutusta käytännössä kumoavat toisensa, ja massan menetys voittaa tyypillisesti.
Tulos? Vahvistunut kasautuminen pienillä mittakaavoilla, mutta estetty suurten rakenteiden kasvu, jota yritämme mitata.
"Se on vähän kuin yrittäisi työntää ostoskärryjä, joista ilma vuotaa hitaasti ulos renkaista," kuvaa Zachary Weiner, Perimeter Institute for Theoretical Physics -instituutin tutkija ja tutkimuksen vastaava kirjoittaja. "Lisäät voimaa, mutta kärryt vain kevenevät."
Miksi tällä on merkitystä oikeille havainnoille
Tämä löytö ei ole pelkkä hauska teoreettinen harjoitus. sillä on todellisia vaikutuksia siihen, miten ymmärrämme kosmosta.
Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) on ollut otsikoissa kiinnostavien kosmisen laajenemisen mittausten kanssa. Jotkut ehdotukset näiden tulosten selittämiseksi ovat koskeneet pimeän aineen hiukkasten välisiä vuorovaikutuksia — samankaltaisia kuin tämä piilossa oleva voima -idea.
Uuden tutkimuksen mukaan tällaisten mallien täytyy ottaa huomioon, että pimeä aine saattaa muuttua efektiivisesti "kevyemmäksi" maailmankaikkeuden kehittyessä. Tämä on ratkaiseva yksityiskohta, joka voisi muuttaa tapaa jolla tulkitsemme DESI-löydöksiä.
Maailmankaikkeus ei välitä intuitiostamme
Tässä on se mikä minua kiinnostaa eniten tässä tarinassa: se muistuttaa meitä siitä, että kosmisten fysiikan lait usein rikkovat arkijärkeä.
Kehitämme intuitiota maailmankokemuksemme perusteella — voima joka vetää puoleensa pitäisi saada asiat tulemaan yhteen nopeammin, ei hitaammin. Mutta maailmankaikkeus toimii eri periaatteilla, mittakaavoissa ja olosuhteissa joita emme koskaan kohtaa suoraan.
"Mitä todella tiedämme pimeästä aineesta, olemme toistaiseksi oppineet vain sen gravitaatiovaikutusten kautta," Weiner huomauttaa. "Se jättää avoimeksi mahdollisuuden, että pimeällä aineella saattaa olla lisävuorovaikutuksia, jotka ovat piilossa tavanomaiselta aineelta."
Mikä jää käteen? Tiede ei ole vatsan pohjasta luottamista. Se on todisteiden seuraamista sinne minne ne johtavat — vaikka johtopäätöksiin, jotka vaikuttavat täysin järjettömiltä.
Kun tarkempia havaintoja saadaan tulevilta teleskoopeilta ja kosmisilta kartoituksilta, pääsemme lähemmäs vastausta siihen, piilottaako pimeä aine salaisuuksia. Yksi asia on varmaa: mitä ikinä löydämme, se ei todennäköisesti ole tylsää.
Maailmankaikkeus on usein hienovaraisempi kuin intuitiomme. Siksi meidän täytyy jatkaa näiden ideoiden testaamista.