"Alkuräjähdys ei ollut alku eikä räjähdys" – suomalaistutkijan mukaan pimeää ainetta oli jo ennen alkuräjähdystä

Tutkijat pitävät todistettuna, että valtaosa maailmankaikkeuden aineesta on tieteelle vielä tuntematonta pimeää ainetta. Siitäkään ei ole varmuutta, koostuuko se hiukkasista vai jostain ihan muusta.

pimeä aine
Johns Hopkins Universityn Physiikan ja astronomian laitoksen tutkijaprofessori Tommi Tenkanen esittelee kehittämäänsä kaavaa Helsingin Yliopiston Physicumissa 2019 elokuussa
Tutkija Tommi Tenkanen esittää, että ennen alkuräjähdystä tapahtui pimeän aineen synnyttänyt kosminen inflaatio.Laura Hyyti / Yle

Maailmankaikkeutemme sai alkunsa alkuräjähdyksessä runsaat 13 miljardia vuotta sitten. Sitä taas seurasi välittömästi universumia rajusti laajentanut kosmisen inflaation vaihe. Näinhän meille on opetettu.

Väärin, sanoo tutkija Tommi Tenkanen yhdysvaltalaisesta Johns Hopkins -yliopistosta.

– Alkuräjähdys ei ollut alku eikä räjähdys. Sillä tarkoitetaan tilaa, jossa havaittava maailmankaikkeus oli yli 13 miljardia vuotta sitten. Se oli tila, jossa kaikki maailmankaikkeuden aine oli pakkautunut hyvin tiiviisti yhteen ja oli hyvin kuuma.

Tenkanen on hiljan julkaissut arvostetussa Physical Review Lettersissä artikkelin (siirryt toiseen palveluun), joka on herättänyt kiinnostusta maailmalla. Siinä hän esittää, että ensin tapahtui pimeän aineen synnyttänyt kosminen inflaatio. Sitä seurasi välittömästi kuuma alkuräjähdys, joka synnytti tavallisen aineen. Kosmisessa inflaatiossa maailmankaikkeus olisi laajentunut hetkessä eksponentiaalisen paljon.

Voiko siis olla, että jotain on ollut jo ennen hetkeä, joka on pitkään mielletty kaiken aluksi?

– Kyllä voi, vastaa Tenkanen.

Pimeän aineen synty heijastuu vieläkin tähtitaivaalla

Alkuräjähdyksen tiedetään varmasti tapahtuneen, ja kosmisesta inflaatiostakin on paljon todisteita. Toisaalta meillä ei Tenkasen mukaan ole mitään tietoa siitä, mitä tapahtui ennen kosmista inflaatiota. Tai edes siitä, oliko maailmankaikkeudella alkua ensinkään.

Tietoa alun tapahtumista kertyy tulevaisuudessa lisää ja on hyvin mahdollista, että uusia elementtejä ja uusia järjestyksiä löytyy jatkossakin, hän sanoo.

Pimeän aineen syntymisestä kosmisen inflaation aikana – ja siis ennen alkuräjähdystä – voi Tenkasen mukaan nähdä merkkejä nykyuniversumissamme. Osaava katse pitää suunnata kauas tähtitaivaalle.

– Jos pimeä aine syntyi kosmisen inflaation aikana, vaikutti se aivan tietyllä tavalla siihen, millä tavalla galaksit ja galaksijoukot jakaantuivat maailmankaikkeudessa.

Käytännössä galaksien ja galaksijoukkojen ryhmittyminen tapahtui siis eri tavalla kuin olisi käynyt, jos pimeä aine olisi syntynyt alkuräjähdyksen aikana eli inflaation jälkeen.

Pimeän aineen olemassaolon päätteli jo 1930-luvulla Fritz Zwicky.

Caltech-yliopistossa Yhdysvalloissa työskennellyt Zwicky päätyi ideaansa kummasteltuaan Coman galaksijoukon galaksien liikkeitä. Ne eivät vastanneet galaksien oletettua massaa.

Sittemmin on esitetty, että jopa yli 80 prosenttia universuminen kaikesta aineesta on pimeää.

Hubblen kuvaama pimeän aineen rengas galaksiklusterissa CI 0024 17
Hubblen kuvaama pimeän aineen rengas galaksiklusterissa CI 0024 17AOP

Hiukkasen metsästys jatkuu

Pimeän aineen olemassaoloa pidetään siis jo varmana, mutta kovasta yrityksestä huolimatta sitä ei ole saatu minkäänlaisen mittalaitteen pyydykseen.

Esimerkiksi Sveitsissä maan alle kaivettu Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen Cernin LHC-törmäytin on yrittänyt tuloksetta luoda pimeän aineen hiukkasia.

Pimeää ainetta on houkuteltu esiin myös Gran Sassossa Italiassa. Siellä vuoren sisään on sijoitettu iso tynnyri, joka on täynnä ksenon-alkuainetta nestemäisessä muodossa.

Toiveena on, että pimeän aineen hiukkanen eksyisi tynnyriin ja törmäisi siellä tavallisen aineen hiukkaseen. Törmääminen näkyisi tietynlaisena valonvälähdyksenä.

Ensimmäistä havaintoa odotetaan yhä.

Tenkasen mukaan se voi kuitenkin tapahtua vaikka tänään. Siitä kuluisi muutama kuukausi siihen, että meillä olisi vahvaa näyttöä siitä, mitä pimeä aine oikeasti on.

Pimeäksi aineeksi paljon ehdokkaita

Eikö tieteen kannalta ole aika noloa, että etsintä ei ole vieläkään tuottanut tulosta?

– Ei oikeastaan. Kyse on jostain, mikä on täysin näkymätön, täysin hajuton ja mauton. Eikä pelkästään meille, vaan myös kaikille mittalaitteille. Onhan se aika huikeata, että voimme silti sanoa, että tällaista ainetta täytyy olla olemassa, Tenkanen sanoo.

Ja sekään ei ehkä riitä, että etsimme hiukkasta. Ei nimittäin ole edes varmaa, muodostuuko pimeä aine hiukkasista. Kyse voi olla painovoiman ominaisuudesta, jota emme vielä tunne.

Tenkanen pitää hiukkasvaihtoehtoa kuitenkin todennäköisempänä.

Tosin sitäkään ei tiedetä, minkälaista uutta hiukkasta pitäisi etsiä. Vaihtoehtoja on monia. Yksi niistä on vuosikymmenen alkupuolella löydetyn Higgsin bosonin kaltainen niin sanottu skalaarihiukkanen. Se voisi olla yksinkertaisin selitys, Tenkanen sanoo.

Johns Hopkins Universityn Physiikan ja astronomian laitoksen tutkijaprofessori Tommi Tenkanen esittelee kehittämäänsä kaavaa Helsingin Yliopiston Physicumissa 2019 elokuussa
Tommi Tenkanen työskentelee yhdysvaltalaisessa Johns Hopkins -yliopistossa.Laura Hyyti / Yle

Jos pimeää ainetta on yli 80 prosenttia kaikesta aineesta, niin luulisi, että sitä olisi tullut jo jossain vastaan, eikö?

– No ehkä. Se riippuu siitä, kuinka pimeää pimeä aine on.

Vaikka kosmologit kutsuvat pimeää ainetta pimeäksi aineeksi, niin Tenkasen mielestä parempi nimi sille olisi läpinäkyvä aine.

– Meillä on paljon esimerkkejä läpinäkyvästä aineesta, esimerkiksi radioaallot ovat sellaisia. Nehän eivät ole muuta kuin fotoni-nimisiä hiukkasia, jotka tietyn aallonpituuden tapauksissa eivät ole herkkiä meidän havaintolaitteillemme – kuten silmille.

– Pimeä aine voi olla jotain samantapaista.

Herättikö juttu jatkokysymyksiä? Voit lähettää kysymyksesi artikkelin keskusteluosuuteen. Valikoimme kiinnostavimmat ja haemme niihin vastaukset Tommi Tenkaselta. Keskustelu on auki sunnuntaihin kello 9.00 saakka.