Hubble paljastaa Cloud-9:n – epäonnistuneen galaksin jäänteen

KAK — ESA/NASA lehdistötiedote 5.1.2026

NASA:n ja ESAn Hubble-avaruusteleskooppia hyödyntävä tutkimusryhmä on tunnistanut täysin uudenlaisen tähtitieteellisen kohteen: tähdettömän, kaasupitoisen ja pimeän pilven, jota pidetään varhaisen galaksimuodostuksen jäänteenä. Kohde tunnetaan lempinimellä Cloud-9, ja se on ensimmäinen varmistettu havainto tämänkaltaisesta objektista koko maailmankaikkeudessa.

Löytö syventää ymmärrystämme galaksien syntyprosesseista, varhaisesta maailmankaikkeudesta sekä pimeän aineen luonteesta.

Kuvan magenta pilvi on Cloud-9. Se sijaitsee noin 14 miljoonan valovuoden etäisyydellä Maasta. Havainnot pilvestä on tehty Very Large Arraysta (VLA) radioteleskoopilla. Katkoviivaympyrä osoittaa voimakkainta radiosäteilyn aluetta, josta tutkijat etsivät tähtiä. NASA:n/ESA Hubble Space Telescopen Advanced Camera for Surveys -kameran seurantahavainnot eivät kuitenkaan löytäneet tähtiä pilvestä. Muutamat kohteet alueella ovat taustagalakseja.

Kuvaotsikon alapuolella on väriavain, johon on merkitty tutkimuksessa käytetyt aallonpituudet F606W: n sinisenä, F814W oranssina ja Radio VLA: n violettina koodina. Vasemmalla alhaalla on vaakaviiva, joka vastaa 2 000 valovuoden ja 30 kaarisekunnin pituutta. Oikeassa alakulmassa on kompassinuolia, joiden itä osoittaa kello 10 ja pohjoiseen, joka osoittaa kello 2. Kuva NASA, ESA. G. Anand (STScI) ja A. Benitez-Llambay (Univ. of Milan-Bicocca); Kuvankäsittely: J. DePasquale (STScI) (käytetty).

”Tämä on tarina epäonnistuneesta galaksista”, sanoo tutkimuksen päätutkija Alejandro Benitez-Llambay (Milano-Bicocca-yliopisto). ”Usein opimme tieteessä enemmän siitä, mikä ei toimi, kuin siitä mikä toimii. Tässä tapauksessa tähtien puuttuminen kertoo, että olemme löytäneet galaksin alkukantaisen rakennuspalikan, joka ei koskaan kehittynyt galaksiksi”.

Tutkimusryhmän mukaan Cloud-9 toimii harvinaisena ikkunana pimeän aineen hallitsemaan maailmankaikkeuden osaan.

Tutkimusryhmän jäsen Andrew Fox (AURA/STScI) mukaan teoriat ennustavat, että suurin osa maailmankaikkeuden massasta on pimeää ainetta, mutta sen suora havaitseminen on vaikeaa. Cloud-9 tarjoaa harvinaisen mahdollisuuden tarkastella rakennetta, jossa pimeä aine hallitsee ilman tähtien häiritsevää vaikutusta.

Tieteellisesti kohde luokitellaan Reionization-Limited HI Cloudiksi (RELHIC). HI tarkoittaa neutraalia vetyä, ja RELHIC viittaa varhaisessa maailmankaikkeudessa syntyneeseen vetypilveen, joka ei koskaan aloittanut tähtien muodostumista. Tällaisia kohteita on pitkään ennustettu teoreettisissa malleissa, mutta niiden olemassaolosta ei aiemmin ollut varmaa havaintotodistetta.

Ratkaiseva askel oli Hubblen kohdistaminen pilveen.

Tutkimuksen pääkirjoittaja Gagandeep Anand (STScI) painottaa, että ilman Hubblea olisi ajateltu sen olevan himmeä kääpiögalaksi, jonka tähtiä maanpäälliset teleskoopit eivät vain kykene havaitsemaan. Hubblen herkkyys kuitenkin varmistaa sen, että pilvessä ei ole lainkaan tähtiä.

Cloud-9:n löytyminen oli tutkijoille yllätys. Se poikkeaa selvästi muista Linnunradan läheltä tunnetuista vetypilvistä: se on pienempi, tiiviimpi ja poikkeuksellisen pallomainen. Pilven ytimen halkaisija on noin 4 900 valovuotta, ja se sisältää neutraalia vetyä noin miljoonan Auringon massan (M_☉) verran.

Pilven dynamiikka viittaa kuitenkin siihen, että kaasun painetta vastapainona hallitsee huomattavasti suurempi pimeän aineen massa. Mallien perusteella Cloud-9:n kokonaismassa on noin 5 miljardia M_☉, mikä tarkoittaa, että se on voimakkaasti pimeän aineen hallitseva rakenne.

Cloud-9 löydettiin alun perin kolme vuotta sitten Kiinassa sijaitsevan FAST-radioteleskoopin laajassa kartoituksessa, ja havainto varmistettiin myöhemmin Green Bank -teleskoopilla ja Very Large Array -järjestelmällä. Vasta Hubble mahdollisti sen lopullisen varmistamisen, että kyseessä on täysin tähdetön kohde.

Pilvi sijaitsee lähellä spiraaligalaksia Messier 94 (M94) ja on nimetty yksinkertaisesti sen mukaan, että se oli yhdeksäs M94:n ympäristöstä tunnistettu kaasupilvi. Korkean resoluution radiohavainnot paljastavat lieviä kaasun vääristymiä, jotka voivat viitata vuorovaikutukseen pilven ja galaksin välillä.

Tutkijoiden mukaan Cloud-9 sijaitsee eräänlaisessa tasapainotilassa. Jos se olisi ollut merkittävästi massiivisempi, se olisi romahtanut ja aloittanut tähtien muodostumisen. Jos se olisi ollut kevyempi, sen kaasu olisi todennäköisesti hajonnut ja ionisoitunut ympäristön vaikutuksesta. Nykyisessä muodossaan se on säilynyt kosmisena jäänteenä.

Tähtien täydellinen puuttuminen tekee Cloud-9:stä poikkeuksellisen arvokkaan tutkimuskohteen. Se mahdollistaa pimeän aineen ja kaasun ominaisuuksien tarkastelun ilman tähtien ja galaksien kirkasta säteilyä, joka yleensä peittää alleen nämä rakenteet.

Tutkimustulos on julkaistu The Astrophysical JournalLetters -lehdessä ja esiteltiin American Astronomical Societyn 247. kokouksessa.

 

 

 

Kosmologi sai tiedonjulkistamispalkinnon

Tommi Tenkanen.

Tiedonjulkistamisen valtionpalkinto Opetus- ja kulttuuriministeriö myöntää vuosittain
tiedonjulkistamisen valtionpalkinnot tiedonjulkistamisen neuvottelukunnan esityksestä. Yksi palkituista on Tommi Tenkanen, joka on osallistunut laajalti yhteiskunnalliseen vuorovaikutukseen eri kanavissa ja kirjoittanut Ursalle kaksi yleistajuista kirjaa teoreettisen fysiikan aiheista.

Tommi Tenkanen, teoreettisen fysiikan dosentti ja kosmologian tutkija, ehti opiskeluaikanaan muun muassa vetää Ursan nuortenkerhoja. Sittemmin hänestä on tullut myös Ursan kirjailija, joka on ehtinyt kirjoittaa alastaan jo kaksi yleistajuista teosta: Pimeän aineen arvoitus (2019) ja Matka mustaan aukkoon. Alkuräjähdyksestä kaiken teoriaan (2021).

"Olen valtavan otettu siitä, että kirjani ja muu tiedonjulkistamisen työni on koettu merkitykselliseksi ja kansalaisten tietämystä lisääväksi", Tenkanen kertoo. "Tieteen kansantajuistaminen on aina ollut minulle läheinen asia ja olen tehnyt sitä aktiivisesti jo opiskeluajoistani lähtien, pienten lasten tähtitiedekerhosta suuriin luentosaleihin ja opiskelijatapahtumista televisioon. Koen, että valtionpalkinto antaa tunnustuksen tästä koko matkasta."

Miksi Tenkanen haluaa tehdä kansantajuistamista? "Maailmankaikkeus on niin mielenkiintoinen!" hän kuvailee. "Olen kiinnostunut lähes kaikesta ja haluan jakaa tähän liittyvää innostusta ja löytämisen iloa muillekin." Tutkijataustansa johdosta Tenkanen kokee myös oleelliseksi kertoa, mitä emme vielä tiedä ja miten tiede etenee, eli miten ihmiskunnan tieto todellisuudesta karttuu.

Tenkanen suunnittelee kirjoittavansa tulevaisuudessa lisää tietokirjoja, aiempaa laaja-alaisemmista aiheista. "Maailmankaikkeus ja sen lainalaisuudet pysyvät kiehtovina mutta samoina, kun taas luonto, teknologia ja yhteiskunta ympärillämme muuttuvat kiihtyvällä tahdilla", Tenkanen kuvailee. "Minulla on suunnitelmissa kirjoittaa siitä, mitä nämä muutokset tarkoittavat, mitä mahdollisuuksia uudet teknologiat meille tarjoavat ja kuinka hyödynnämme niitä koko ihmiskunnan ja biosfäärin parhaaksi."

Opetusministeriön myöntämän palkinnon perusteissa Tenkasen työtä kuvaillaan näin:

"Teoreettisen fysiikan dosentti, kosmologian tutkija Tommi Tenkanen on kansainvälisesti arvostetun tieteellisen tutkimustyönsä ja tiedehallinnollisten tehtäviensä ohella osallistunut laajasti yhteiskunnalliseen vuorovaikutukseen monilla eri keskustelufoorumeilla.

Tenkanen on tutkimuksessaan ollut erityisen kiinnostunut fysiikan alan merkittävimpiin arvoituksiin liittyvästä teemasta, näkymättömiin jäävästä pimeästä aineesta. Tämän lisäksi hän on kiinnostunut mustista aukoista ja painovoimasta. Nämä kaikki ovat aiheita, jotka kiinnostavat suurta yleisöä. Samalla ne ovat aiheita, joiden yleistajuistaminen vaatii vankkaa osaamista.

Tommi Tenkanen avaa ansiokkaasti tätä niin kutsuttua kovaa luonnontieteellistä tutkimusta lähestyttävästi ja ymmärrettävästi.

Tenkanen on aktiivisen ja monipuolisen tiedon sekä tutkimuksen popularisointityönsä ohella kirjoittanut suomeksi kaksi suurelle yleisölle suunnattua teosta (Pimeän aineen arvoitus, Ursa 2019 ja Matka mustaan aukkoon. Alkuräjähdyksestä kaiken teoriaan, Ursa 2021).

Hän on näin kirjoituksissaan ja puheenvuoroissaan tehnyt ymmärrettäväksi ja selittänyt kiinnostavasti tieteenalaansa vihkiytymättömille erilaisia maailmankaikkeuden perimmäisiä ongelmia."

 

 

Pimeä aine voi siirtyä galaksista toiseen

Kaksi galaksia sijaitsee noin 44 miljoonan valovuoden etäisyydellä meistä. Toinen niistä on hyvin himmeä ja vaikeasti havaittavissa oleva NGC 1052-DF4 ja siinä on vain hyvin vähän (< 1%) pimeää ainetta. Toinen on hyvin paljon massiivisempi galaksi NGC 1052-DF2, ja siinä on hyvin paljon (> 99 %) pimeää ainetta.

Galaksi NGC 1052-DF4 on keskiosiltaan symmetrinen mutta ulkoreunaltaan se on kehittämässä gravitaatiohäntää massiivisemman naapurigalaksin vaikutuksesta. Kuva Montes et al., ApJ, 2020.

Alkuun näiden kahden galaksin välillä ei näyttänyt olevan mitään yhteyttä, tutkimukset paljastivat DF4n olevan paljon lähempänä kuin mitä ensin ajateltiin. Jokin kuitenkaan ei sopinut kuvaan ja tarkempi analyysi paljasti pimeän aineen puuttumisen galaksista lähes kokonaan. Tulos vaikuttui hyvin oudolta, sillä pimeää ainetta pidetään välttämättömänä, jotta galakseja ylipäätään voisi muodostua.

Tutkijat^[1] saivat havaintoaikaa La Palmalla (Kanariansaaret) sijaitsevalta Gran Telescopio Canarias’ista ja Hubble avaruuskaukoputkesta. Havainnot näillä riittävän suurilla ja herkillä teleskoopeilla paljasti, että suurempi galaksi (DF2) olisi riistänyt pienemmältä (DF4) tähtiä. Pienemmän ydinalueet näyttivät olevan koskemattomia ja tähdet olivat symmetrisesti ytimen ympärillä. Uloimpana kuitenkin oli havaittavissa vuorovesivoiman synnyttäneen jo ”gravitaatiohännän” kohti massiivisempaan galaksia.

Tähdistä muodostunut vuorovesihäntä syntyy sen jälkeen, kun galaksin pimeä aine on ensin siirtynyt suurempimassaiseen galaksiin. Näin on selitettävissä, miksi pienemmästä galaksista pimeä aine puuttuu lähes täysin ja massiivisemmassa sitä taas on ylimäärin. Pimeän aineen poistuttua galaksin gravitaatio on heikentynyt niin paljon, että tähtien siirtyminen massiiviseen galaksiin mahdollistuu. Tämä näyttää alkaneen aivan hiljattain.

Mitä sitten tulee tapahtumaan pimenemälle DF4-galaksille? Luultavasti se tulee liittymään kokonaisuudessaan massiivisempaan galaksiin. Kuinka kauan tähän menee riippuu hyvin monesta tekijästä ja siihen ei nyt julkaistu tutkimus vastaa.

Huomautus

[1] The Astrophysical Journal, 904, osa 2. The Galaxy "Missing Dark Matter" NGC 1052-DF4 is Undergoing Tidal Disruption

 

Katoaako pimeäaine?

Maailmankaikkeiden kehitys nykykäsityksen mukaan. Pimeä
aine syntyi muuna aineen ohella maailmankaikkeuden synnyn
jälkeen ensimmäisen sekunnin kuluessa.

Venäläiset tutkijat^[1] ovat onnistuneet osoittamaan, että pimeän aineen^[2] määrä varhaisessa maailmankaikkeudessa on ollut jonkin verran suurempi kuin nykyisin. 

Jos pimeän aineen katoaminen osoittautuu oikeaksi, niin se voi kertoa itse pimeästä aineesta jotakin. Nykyisin emme vielä tiedä mitä pimeä aine on, mutta väheneminen osoittaa mahdollisesti sen muodostuvan erilaisista alkeishiukkasista. Tässä suhteessa se muistuttaisi tavallista (näkyvää) ainetta, joka koostuu protoneja ja neutroneja muodostavista kvarkeista.

Uusimpien havaintojen mukaan nykyinen maailmankaikkeus näyttäisi sisältävän 4,9 % tavallista ainetta (galakseja, tähtiä planeettoja jne.) 26,8 % pimeää ainetta^[3] ja 68,3 % pimeää energiaa. Pimeän aineen määrää pystytään tutkimaan vain muutamilla tutkimusmenetelmillä. Yksi näistä menetelmistä on kosmisen taustasäteilyn^[4] (CMB) havaitseminen. Aikaisemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että varhaisessa maailmankaikkeudessa toimintaa ohjaavat parametrit (valonnopeus ja gravitaatio) näyttäisivät olevan hieman erisuuruisia kuin nykyisessä maailmankaikkeudessa.

Vaikka ero varhaisen ja nykyisen maailmankaikkeuden välillä ei ole suuri, se on kuitenkin enemmän kuin virherajat mahdollistavat. Tutkijat pähkäilevät nyt, että johtuuko havaittu ero jostain toistaiseksi tuntemattomasta virhetekijästä vai oliko varhainen maailmankaikkeus todella hieman erilainen kuin nykyinen?

Selitystä on etsitty hypoteesista, jonka mukaan pimeä aine ei olisikaan pysyvää, vaan se hajoaisi (tai katoaisi) ja näin muuttaisi maailmakaikkeuden parametreja. Tähän saumaan venäläiset tutkijat ovat nyt pureutumassa. He ehdottavat tutkimuksessaan, että pimeän aineen määrä olisi vähentynyt 2–5 % varhaisesta maailmankaikkeuden sisältämästä materiasta.

Jos tutkimus osoittautuu oikeaksi tai edes suuntaa antavaksi, se ei kuitenkaan vastaa kysymyksiin kuten jatkuuko pimeän aineen katoaminen nykyisessä maailmankaikkeudessa ja jos niin kuin nopeana? Hitaasti katoavalla pimeällä aineella pitäisi olla vaikutuksia kaukaisessa tulevaisuudessa maailmankaikkeuden ominaisuuksiin ja viimekädessä myös sen lopulliseen tilaan.

Huomautukset

[1] A. Chudaykin ja Dmitry Gormunov (Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences) ja Igor Tkachev (Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences ja Novosibirsk State University).  Tutkimus on julkaistu Physical Review D -tiedejulkaisussa Phys. Rev. D 94, 023528 – Published 29 July 2016.

[2] Ajatus pimeästä aineesta syntyi 1930-luvulla, kun galaksien tähtien kiertonopeudet eivät noudattaneetkaan aurinkokunnastammekin tuttua planeettojen nopeusjakaumaa siten, että mitä suurempi etäisyys kappaleella on massakeskipisteeseen (Aurinko) sen hitaampi kiertonopeus on. Pikemminkin galaksit näyttivät pyörivän kuin kiinteä kärrynpyörä. Tämä oli mahdollista vain jos galakseissa oli paljon ainetta, jota emme pystyneet näkemään.

[3] Pimeän aineen koostumus tai rakenne on arvoitus. Aine ei säteile sähkömagneettista säteilyä (valoa), joten sen havaitseminen tavanomaisilla tähtitieteen menetelmillä ei onnistu. Ainoa tapa, jolla se vaikuttaa tavalliseen aineeseen, on gravitaatio. Kaukaisten galaksien ympärillä oleva pimeä aine voimistaa galaksien gravitaatiolinssi-ilmiötä, joten vielä kaukaisemmassa avaruudessa olevat kohteet kuten kvasaarit, tulevat gravitaatiolinssin vaikutuksesta kirkkaammiksi.

[4] Kosminen taustasäteily (CMB) on jäänne 380 000 vuoden ikäisestä maailmankaikkeudesta, jolloin tapahtui elektronien sitoutuminen atomiytimien orbitaaleille (=rekombinaatio). Tällöin aineesta tuli sähköisesti neutraalia ja sähkömagneettinen säteily pääsi vapaasti etenemään maailmankaikkeudessa. Nykyisin maailmankaikkeus on laajentunut niin paljon, että kosmisen taustasäteilyn aallonpituus on kasvanut ja näemme sen nyt noin 2,7 K lämpötilaisena taustasäteilynä, joka näyttää tulevan suunnilleen tasaisesti joka suunnasta.

Pimeä aine ehkä koostuu steriileistä neutriinoista

Pimeä aine on kerääntynyt galaksien
ja klusterien ympärille.
Kuva: J.-P. Kneib (Observatoire Midi-Pyrenees,
Caltech) et al., ESA, NASA

Kaksi erillistä tutkijaryhmää [1] on onnistunut havaitsemaan kaukaisista galakseista tulevaa röntgensäteilyä, jonka energia on 7 keV. Ainoa ajateltavissa oleva selitys säteilylle on steriilit neutriinot[2], jonka jakaantuvat spontaanisti röntgensäteilyksi ja tavallisiksi neutriinoiksi. 

Steriilejä neutriinoja voi olla käytännössä mahdotonta havaita suoraan, tavallistenkin neutriinojen havaitseminen on vaikeaa.

Tavallisin selitys pimeälle aineelle on, että se koostuu heikosti vuorovaikuttavista massiivisista hiukkasista eli WIMPeistä. Jos steriileillä neutriinoilla olisi riittävästi massaa (~10 keV), ne pystyisivät selittämään kaiken pimeän aineen. Jos taas massa on tätä pienempi, hiukkaset voivat ratkaista kosmoksen muita perustavaa laatua olevia arvoituksia[3].

Molempien tutkimusryhmien tutkimustuloksen mukaan röntgensäteilyn energia on 3,5 keV. Tämä voisi olla mahdollista, jos steriilin hiukkasen massa olisi 7 keV. Tutkijoilla voi olla vaikeuksia selittää yhtenevä tulos, jos kyseessä ei ole steriilien neutriinojen jakaantuminen. Molemmat ryhmät ovat pystyneet poistamaan havainnoistaan myös teleskooppien aiheuttaman kohinan.

Aikaisemmin pimeästä aineesta olen kirjoittanut artikkeleissa:

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2014/01/pimean-aineen-arvoitus-syvenee.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/11/pimeaa-ainetta-ei-loytynyt.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/02/nasa-liittyi-esan-pimean-aineen-ja.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/04/ams-02-pimean-aineen-jaljilla.html

ja neutriinoista

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2014/03/muuttavatko-neutriinot-makuaan.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/11/supernova-rajahtaa-linnunradassa.html

Huomautukset

[1] Ryhmät ovat Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, johtajanaan tohtori Esra Bulbul ja Leiden University in the Netherlands, johtajanaan tohtori Alexey Boyarsky. Bulbulin ryhmä teki havainnot 73 galaksiklusterista ESAn XMM-Newton avaruusteleskoopilla ja Nasan Chandra röntgenteleskoopilla (avaruusteleskooppi). Boyarskyn ryhmän havainnot tehtiin XMM-Newtonilla Perseuksen galaksiklusterista ja läheltä Andromedan galaksia.

Standardimallin laajennus sisältää
kolme steriiliä neutriinoa.
Kuva Alexey Boyarsky.

[2] Hiukasfysiikan standardi malli sisältää kolme eri makuista neutriinoa, jotka ovat elektronin, taun  ja myonin neutriinot. Nämä ovat lähes massattomia hiukkasia ja niillä kaikilla on vasenkätinen spinkvankkitluku (eräänlainen pyörimismäärä) ½.  Boyarskyn mukaan standardimallin laajennus sisältää kolme oikeakätistä neutriinoa, joita kutsutaan steriileiksi neutriinoiksi (N₁, N₂ ja N₃).

[3] Yksi merkittävimmistä arvoituksista on ”puuttuvat galaksit”. Kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn kartoitusta on käytetty mittamaan kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee ja kuinka tavallinen aine on muodostanut galaksiklustereita ja galakseja. Kartoitus ja paikalliset mittaukset kuitenkin antavat erilaisia arvoja, kartoitus osoittaa maailmankaikkeuden laajenevan liian hitaasti ja että galakseja pitäisi olla kolminkertaisesti havaittuun määrään nähden.

Mark Wyman’in (New York yliopisto) mukaan jos steriileiden neutriinojen massa on vähemmän kuin 1 keV, maailmankaikkeuden laajeneminen asettuu nykyarvoonsa. Lisäksi neutriinojen vähäinen vuorovaikutus mahdollistaisi aineen pakenemisen, jolloin sitä jäisi vähemmän klustereiden ja galaksien muodostumiseen. Wymanin laskema steriilin neutriinon massa olisi aivan liian vähän ratkaisemaan pimeän aineen arvoitusta, mutta toisen ”makuiset” steriilit neutriinot voivat sitä olla, edellyttäen, että niillä on enemmän massaa.

Pimeän aineen arvoitus syvenee

Pimeän aineen massiivisimmat keskittymät
on galaksien ympäristöissä. Uusimpien oletusten
mukaan pimeää ainetta voisi olla jopa
renkaana maapallon ympäristössä.
Kuva Nasa.

Nykyisen käsityksen mukaan pimeää ainetta on vähintään nelinkertainen määrä näkyvään aineeseen verrattuna. Mitä pimeä aine on, sitä emme vielä tiedä, mutta sen on todettu muodostavan laajoja pilviä galaksien ympäristöön. Jonkin verran pimeää ainetta on arveltu olevan myös galaksien sisäisessä avaruudessa ja jopa jonkin verran tähdissä. Pimeän aineen tiheys ei kuitenkaan ole pidetty niin suurena, että sen gravitaatiovaikutukset näkyisivät yksittäisissä tähdissä tai planeettakunnissa.

Nyt käsitys näyttäisi olevan uudistamisen tarpeessa. Tutkija Steve Adler (Institute of Advanced Studies in Princeton, New Jersey) julkaisi vuonna 2009 tutkimuksen[1], jonka mukaan pimeä aine voisi olla se tuntematon tekijä, joka kiihdyttää tai hidastaa satunnaisesti maapallon ohilentojen tekevien aurinkokuntaluotainten ratanopeutta[2]. Tutkimuksen mukaan pienen mittakaavan keskittymissä (tähtien ympäristöissä) pimeän aineen tiheys pitäisi olla suurempi kuin galaksiavaruudessa ja planeettojen ympäristössä vielä suurempi kuin tähtien ympäristöissä.

Ben Harris (University of Texas at Arlington) kiinnostui tutkimaan sitä, vaikuttaisiko pimeän aineen keskittyminen maapallon ympäristöön myös satelliittien ja ohilentoja suorittavien luotainten ratanopeuksiin. Hänen mielenkiintonsa kohteena oli erityisesti paikannussatelliitit (GPS, GLONASS ja Galileo), joiden radoista hän kokosi tietoja yhdeksän kuukauden ajalta. Hän laski maapallon massan kunkin satelliitin ratatietojen perusteella. 

Tulos oli mielenkiintoinen; maapallon massa näytti olevan 0,005–0,008 % suurempi kuin IAUn virallinen arvo. Lisäksi pimeä aine näyttäisi muodostavan kiekon maapallon ekvaattoritasolle: kiekon paksuus olisi noin 191 km ja halkaisija noin 70 000 km. Tulos on alustava, sillä siihen ei vielä ole otettu huomioon kaikkia mahdollisia (häiritseviä) tekijöitä. Asiaa tutkittiin myös Nasan Juno-luotaimen[3] tehdessä ohilennon viime lokakuussa[4]. Tulosten mukaan Juno ohitti maapallon kuten ennakoitiin.

Jos Harrisin ajatus olisi oikea, niin pimeän aineen olemassa oloa voitaisiin tutkia satelliittien tarkkojen ratatietojen avulla. Erityisesti voitaisiin tutkia sitä, miten pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat keskenään? Kysymys on oleellinen, sillä ilman keskinäistä vuorovaikutusta pimeän aineen hiukkaset vajoaisivat galaksien ytimiin, tähtiin ja planeettoihin. Näin ei selvästikään ole, joten jonkinlainen vuorovaikutusmekanismi täytyy olla olemassa. Tämä saattaa myös merkitä sitä, että pimeä aine koostuu useita eri hiukkastyypeistä ja useista erilaisista vuorovaikutusmekanismeista[5].

Huomautukset

[1] Can theflyby anomaly be attributed to earth-bound dark matter?

[2] ESA etsii kosmista anomaliaa

[3] Juno on Nasan Jupiterin järjestelmää havainnoimaan lähetetty luotain, joka laukaistiin pitkälle matkalleen 5. elokuuta 2011.

[4] Juno suojatilaan ohilennon aikana

[5] James Bullock (University of California, Irvine)

Pimeää ainetta ei löytynyt

LUX-laitteiston ilmaisin puhdastilassa
ennen sen sijoittamista teräksiseen
termospulloon.
Kuva Matt Kapust,
Sanford Underground Research Facility.

Sanfordin tutkimuslaitoksen^[1] LUX-laitteistolla^[2] tehdyssä ja kolme kuukautta kestäneessä kokeessa ei pimeää ainetta löytynyt. Samalla koe osoittaa, että aikaisemmin epäsuoria vihjeitä pimeästä antaneista kokeissa saavutetut tulokset olivat todennäköisesti vääriä. Ainakaan ne eivät olleet aiheutuneet pimeästä aineesta.

Pimeää ainetta on etsitty vuosikymmeniä sen jälkeen kun tähtien nopeuksissa galaksien ympäri havaittiin poikkeamia, jotka eivät selity tavanomaisen eli näkyvän aineen jakaumalla galakseissa. Selityksenä pidetään hyvin yleisesti pimeää ainetta, joka vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa lähinnä gravitaation välityksellä. Pimeäksi aineeksi on ehdotettu WIMP-hiukkasia^[3][4], jotka olisivat keskittyneet valtavaksi pilveksi galakseihin ja niiden ympärille.

Pimeä aine ei säteile valoa tai mitään sähkömagneettista säteilyä, joten sen havaitseminen on vaikeaa. Pimeän aineen hiukkaset eivät myöskään muodosta atomien kaltaisia hiukkasryppäitä keskenään. Tähänastiset havainnot ovat epäsuoria ja ne perustuvat gravitaation aikaansaamiin vaikutuksiin kaukaisista kohteista peräisin olevaan valoon. Tällaiset havainnot ovat lähinnä vain suuntaa antavia.

LUX-laitteiston teräksinen termospullo
on sijoitettu isoon vesisäiliöön,
joka suojaa ilmaisinta kosmisen
säteilyn aiheuttamilta häiriöiltä.
Kuva Matt Kapust, Sanford
Underground Research Facility.

Sanfordin LUX-laittesto koostuu teräksisestä termospullosta, jossa on kolme tonnia nestemäistä ksenon kaasua noin –107 °C lämpötilassa. Säiliön pohjalla ja kannessa on valoilmaisimet ja siihen on synnytetty sähkökenttä. WIMP-hiukkasen törmätessä yhteen ksenon-atomiin ja se puolestaan aiheuttaa törmäysten sarjan. Ketjureaktiossa syntyy valonvälähdyksiä ja elektroneja. Valonvälähdykset havaitaan valoilmaisimilla ja elektronit ohjautuvat sähkökentän vaikutuksesta kohti säiliö yläosaa, jossa on ohut kerros ksenon-kaasua. Elektronit saavat aikaan kaasussa lisää valon välähdyksiä. Valoilmaisimilla voidaan paikantaa alkuperäinen törmäys muutaman millimetrin tarkkuudella ja valon voimakkuus kertoo prosessissa vapautuvasta energiasta.

Maanalainen kaivos on valittu sijoituspaikaksi lähinnä kosmisen säteilyn ja neutriinojen aiheuttamien ”väärien hälytysten” vuoksi. Massiivinen kallioperä suodattaa suurimman osan kosmisen säteilyn hiukkasista. Lisäsuojaksi LUX-laitteisto on upotettu yli 320 tonnin pudasvesisäiliöön, joka poistaa loputkin häiriöiden (kohinan) aiheuttajat. Lisäksi LUX-laitteisto on viritetty 33 GeV/c² massaisten^[5] WIMP-hiukkasten etsintään, joten energialtaan erilaiset tapahtumat voidaan seuloa pois.

Tämän vuoden alussa LUX-säiliö täytettiin ksenonilla ja muiden valmistelujen jälkeen tutkijat pääsivät tekemään koetta. Koe kesti kolme kuukautta ja tulosten analysointi on valmistunut syksyn aikana ja ne julkaistiin lokakuun 30 päivänä. Niiden mukaan pimeää ainetta ei havaittu. Tulos on merkittävä, sillä laitteiston herkkyyden lasketaan olevan kolmesta pariinkymmeneen kertaa suurempi kuin muiden aikaisempien laitteistojen.

Aikaisempien kokeiden, esimerkiksi erittäin kylmän pii-ilmaisimella tehdyissä kokeissa havaittiin noin 1600 tapahtumaa, eli sen mukaan matalamassainen WIMP-hiukkanen törmäsi piiatomiin kerran 80 minuutissa. Mitään vastaava ei LUX-laitteistolla havaittu vaikka olisi pitänyt.

Tutkimusta tällä laitteistolla jatketaan ainakin pari seuraavaa vuotta. Tämän jälkeen LUX-laitteisto korvataan suuremmalla, noin 7 tonnin ksenon-vetoisuudella olevalla LUX-SEPLIN-laitteistolla (LZ) samassa puhdasvesisäiliössä. Uusi laitteisto tulee olemaan tuhansia kertoja herkempi kuin nykyinen LUX-laitteisto.

Huomautukset

[1] Sanford Undergrouns Research Facility joka sijaitsee noin 1,5 km syvässä HomeStake-kultakaivoksessa Etelä-Dakotassa (USA). Kaivosyhtiö luovutti tuotantonsa päättäneen kaivoksen Etelä-Dakotalle tutkimuskäyttöön. Sanfordin rahoittajina on kaikkiaan 17 yliopistoa tai tutkimuslaitosta, USA, UK ja Portugal.

[2] Large Underground Xenon (LUX) dark mater detector eli Suuri maanalainen ksenon-ilmaisin pimeän aineen etsintään.

[3] Weakly Interacting Massive Particle eli WIMP; eksoottisia ja teoreettisia hiukkasia, joiden arvellaan muodostavan pimeän aineen joko osaksi tai kokonaan. Hiukkaset ovat massiivisia ja vaikuttavat tavallisen aineen kanssa ainoastaan gravitaation ja heikon vuorovaikutuksen välityksellä. Hiukkasfysiikan standardimalliin WIMP-hiukkaset eivät sisälly, mutta supersymmetriset hiukkasteoriat mahdollistavat ne.

[4] Pimeäksi aineeksi on ehdotettu koko joukko muitakin, lähinnä supersymetrisiä hiukkasia kuten kevyin supersymetrinen hiukkanen LSP tai neutraliino.

[5] GeV/c² = gigaeletronivoltti jaettuna valonnopeuden neliöllä on hiukkasfysiikassa käytetty massanyksikkö.  Yksi eV on energia jonka elektroni saa, kun sen nopeutta kiihdytetään 1 voltin potentiaalieron sähkökentässä. Yhden eV energiamäärä on 1,6021773·10^-19 J (joulea) ja 1 GeV=10⁹ eV.

 

 

 

Uusi teoria pimeälle aineelle

Yllä anpolisen neutraalin
fermionin kenttä, keskellä
kahden sähkövarauksen kenttä
ja alla kaksinapainen magneettikenttä.
Anapolinen kenttä syntyy
 toroidisesta sähkökentästä. Tästä
syystä magneettikenttä muodostaa
rajoittuneen toruksen eikä
kumpikaan kentistä leviä laajalla
alalle kuten tavallisen aineen
hiukkasissa.
Piirros Michael Smeltzer /
Vanderbilt University.

Jo pitkään on tiedetty maailmankaikkeuden sisältävän valtavan määrän pimeää ainetta. Sitä ei kuitenkaan pystytä havaitsemaan kovinkaan helposti, sillä sen ainoa tapa vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa on gravitaatio. Pimeä aine ei säteile sähkömagneettista säteilyä ja yksittäisten hiukkasten löytäminen muutoinkin on vaikeaa. Viime aikoina tutkijat ovat tutkineet sähkövarauksettomia hiukkasia joilla kuitenkin olisi sähköinen tai magneettinen kenttä.

Nyt  Vanderbiltin yliopistossa työskentelevät  professori Robert Scherrer ja post-doc-tutkija Chiu Man Ho ovat julkaisseet Physics Letters B -tiedejulkaisussa artikkelin, jossa he ehdottavat uutta teoriaa pimeälle aineelle. Heidän mukaansa teoria on yksinkertainen ja kaikkein parasta siinä on sen testattavuus.

Vuonna 1928 tunnettu fyysikko Paul Dirac ennusti fermionin olemassa olon. Fermioneista tunnetuin on elektroni, mutta samaan hiukkasperheeseen kuuluvat myös kvarkit, jotka ovat tavallisen aineen perushiukkasia. Noin kymmenen vuotta myöhemmin italialainen tutkija Ettore Majorana ehdotti myös sähkövarauksetonta fermionia hiukkasperheeseen.

Mielenkiintoista on, että samaan aikaan alettiin hiljalleen ymmärtää, että maailmankaikkeudessa täytyy olla pimeää ainetta muodossa tai toisessa. Yksittäisten tähtien nopeudet eivät olleet galakseissa sellaisia, jotka selittyisivät näkyvän aineen keskittymisellä galaksissa. Sama ilmiö havaittiin myös galaksien muodostamissa klustereissa, niistäkin tuntui puuttuvan ainetta.

Parikymmentä vuotta edellisten teorioiden jälkeen vuonna 1958 neuvostoliittolainen fyysikko Yakov Zel'dovich loi teorian magneettikentästä, jolla ei ole magneettisia napoja. Hän nimesi kentän anapoliksi ja se magneettikenttä muodostaa toruksen (donitsin muotoinen). Myöhemmin hiukkasfyysikot ovat onnistuneet todistamaan anapolien olemassa olon ja esimerkiksi cesium-133 ja ytterbium-174-atomeissa on tällainen magneettinen rakenne.

Scherrer ja Ho laativat teoriansa näiden kahden hiukkasteorian pohjalta, siten, että Majoranan neutraalin fermionin magneettinen rakenne olisi anapolinen magneettikenttä. Tällaisen rakenteen vuorovaikutus muun aineen kanssa riippuu hiukkasen nopeudesta: suurella nopeudella vuorovaikutusala on suuri ja hitaasti liikkuvalla hiukkasella se on pieni.

Maailmankaikkeuden kuumassa alussa anapolisen aineen hiukkasten nopeudet olivat suuria ja näin ollen vuorovaikutus voimakasta. Tällöin suuri osa aineesta annihiloitui ja vain pieni osa selviytyi nykypäivään. Nykyisin kylmässä maailmankaikkeudessa hiukkasten nopeudet ovat pieniä ja vuorovaikutus heikkoa. Nykytilasta johtuen pimeää ainetta on vaikea havaita tähtitieteellisin keinoin.