kosminen taustasäteily

Mystinen pimeä aine saattaa olla osittain sähköistä

To, 05/31/2018 - 14:48 Markus Hotakainen

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

Luonto jäljittelee taidetta

La, 02/07/2015 - 11:28 Markus Hotakainen
Kuva: ESA / Planck Collaboration

Näyttääkö yllä oleva kuva jotenkin tutulta? Ei niinkään yksityiskohdiltaan, mutta jossain määrin väreiltään ja erityisesti yleisilmeeltään.

Tutuntuntuisuus ei ole mikään ihme, sillä Vincent van Goghin maalauksessa Tähtikirkas yö taivas on kuvattu kovasti samannäköisenä kuin Planck-luotaimen mittauksista kootussa kuvassa.   

Keväällä 1889 van Gogh – leikattuaan korvansa irti – kirjoittautui Saint-Paul-de-Mausolen "hullujenhuoneeseen", missä hän maalasi monet tunnetuimmista teoksistaan, muiden muassa juuri Tähtikirkkaan yön. Se vastaa van Goghin huoneen ikkunasta avautunutta näkymää, jonka hän ikuisti yli 20 maalaukseen. 

Öisen maiseman yllä kaartuvalla taivaalla näkyy Kuu sekä kirkkaimpana "tähtenä" Venus, joka on korkean sypressin oikealla puolella. Vincent kirjoitti kesäkuun alussa veljelleen Theolle, kuinka ennen auringonnousua taivaalla näkyy kirkas "aamutähti". Sittemmin on todettu, että Venus todella oli tuolloin aamutaivaalla. 

 

Maailmankaikkeus päihitti kuitenkin van Goghin.  

Toukokuussa 2009 avaruuteen laukaistu Planck tarkkaili melkein neljän ja puolen vuoden ajan maailmankaikkeuden vanhinta "valoa", kosmista taustasäteilyä.

Säteily on peräisin noin 380 000 vuoden ikäisestä universumista, kun kosmoksen lämpötila oli laskenut niin paljon, että protonit ja elektronit lyöttäytyivät yksiin ja muodostivat atomeja. Maailmankaikkeus muuttui läpinäkyväksi ja säteily pääsi etenemään esteettä.

Maailmankaikkeuden laajeneminen on venyttänyt säteilyn aallonpituutta siten, että nykyisin se havaitaan mikroaaltoalueella. Ja juuri sillä alueella Planck mittasi säteilyn voimakkuutta ja polarisaatiota (eli säteilyn sähkömagneettisen aaltoliikkeen värähtelytason suuntaa). Havainnot kattoivat koko taivaankannen.

Otsikkokuva ei kuitenkaan esitä kosmisen taustasäteilyn jakaumaa, joten Vincent ei ollut sentään 13,7 miljardia vuotta jäljessä universumia – korkeintaan joitakin kymmeniä tuhansia vuosia.

Kuva esittää Linnunradan pölyn säteilyä, jonka polarisaatio kertoo kotigalaksimme magneettikentästä. Sen voimaviivat saavat aikaan kuvan kiemuraiset kuviot. Värit puolestaan kertovat säteilyn voimakkuudesta: punaruskea on voimakkainta, tummemman sininen heikointa.

Näkikö van Gogh sekavassa mielentilassaan taivaalla Linnunradan pölystä tulevan säteilyn polarisaation? No ei. Maalauksen ja maailmankaikkeuden välinen yhdennäköisyys on silti kiinnostava.