Havaitsemattoman havaitseminen – Tutkijat etsivät pimeää ainetta 3D‑tulostuksen avustamana

Pimeän aineen ja pimeän energian luonne kuuluu maailmankaikkeuden suuriin avoimiin kysymyksiin. Pimeän aineen gravitaatiovaikutukset auttavat selittämään galaksien ja suurempien rakenteiden muodostumista. Nottinghamin yliopiston tutkijoiden uusi tutkimus esittelee laboratoriomenetelmän hypoteettisten pimeiden domeeniseinämien etsimiseen erityisesti suunnitellussa tyhjiöjärjestelmässä. Kyse on ehdotetusta kokeesta, ei vahvistetusta pimeän aineen havainnosta.

Mikä on pimeä aine?

Tavallinen aine muodostaa tähdet, planeetat ja atomit, joista tuttu ympäristömme koostuu. Se käsittää kuitenkin vain noin 5 % maailmankaikkeuden kokonaisesta massa- ja energiatiheydestä. Tätä osuutta ei pidä sekoittaa pelkän aineen osuuteen.

Kosmologisen standardimallin mukaan pimeän aineen osuus kokonaisesta massa- ja energiatiheydestä on noin 27 % ja pimeän energian noin 68 %. Pimeä aine liittyy havaittuihin gravitaatiovaikutuksiin, kun taas pimeä energia on nimitys maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista selittävälle tuntemattomalle tekijälle. Ne eivät ole sama asia.

Pimeän aineen mahdollisiksi selityksiksi on ehdotettu esimerkiksi vielä tuntemattomia hiukkasia ja alkuperäisiä mustia aukkoja. Ehdotuksia tutkitaan eri menetelmillä, mutta mitään yksittäistä koostumusta ei ole vahvistettu. Ongelma ei ole vain riittämätön mittausherkkyys: eri teoriat ennustavat erilaisia signaaleja.

Miten ajatus pimeästä aineesta syntyi?

Vuonna 1933 Fritz Zwicky tutki Coman galaksijoukon galaksien liikkeitä. Näkyvän aineen arvioitu massa ei näyttänyt riittävän selittämään joukon pysymistä koossa. Coma on galaksijoukko, ei yksittäinen galaksi. Tämä oli tärkeä varhainen peruste näkymättömän massan ajatukselle, mutta ei pimeän aineen hiukkasen suora havainto.

Lähde – Constellation-opas

Zwicky ehdotti, että joukossa olisi myös näkymätöntä ainetta. Myöhemmin esimerkiksi galaksien kiertoliikkeet, gravitaatiolinssit ja kosmologiset havainnot vahvistivat näyttöä puuttuvasta massasta. Havainnot tukevat pimeän aineen mallia, mutta eivät vielä kerro varmasti, mistä pimeä aine koostuu.

Pimeän aineen havaitseminen on vaikeaa

Pimeä aine ei säteile tai absorboi valoa samalla tavalla kuin tavallinen havaittava aine. Sen olemassaoloa päätellään muun muassa galaksien liikkeistä ja gravitaatiolinssivaikutuksista. Lisäksi laboratoriokokeissa etsitään mahdollisia muita vuorovaikutuksia. Gravitaatiovaikutuksen havaitseminen ja pimeän aineen hiukkasen tunnistaminen ovat eri asioita.

Uusi tutkimus ehdottaa laboratoriokoetta

Tutkimus ”Detecting dark domain walls through their impact on particle trajectories in tailored ultrahigh vacuum environments” julkaistiin Physical Review D -lehdessä kesäkuussa 2024. Siinä mallinnetaan, miten hypoteettisen skalaarikentän domeeniseinämät voisivat muodostua tyhjiökammioon ja muuttaa testihiukkasten ratoja. Kolmiulotteisesti tulostettu kammio on osa suunniteltua koejärjestelmää. Tutkimus ei osoittanut, että pimeää ainetta olisi kerääntynyt, törmännyt tai havaittu laboratoriossa.

Skalaarikentät

Skalaarikenttä liittää jokaiseen avaruuden pisteeseen yhden lukuarvon. Esimerkiksi lämpötilaa tai sähköistä potentiaalia voidaan kuvata tällaisella kentällä. Tässä tutkimuksessa skalaarikenttä on kuitenkin hypoteettinen fysikaalinen kenttä, joka vuorovaikuttaisi aineen kanssa. Se ei ole yleinen kolmiulotteisen tiedon keruumenetelmä.

Tietyissä malleissa kentän tila riippuu ympäröivän aineen tiheydestä. Tiheyden muuttuessa voi tapahtua faasisiirtymä, jossa eri tilojen välille muodostuu domeeniseinämiä. Tällaiset mallit voivat liittyä pimeään aineeseen, pimeään energiaan tai gravitaatioaaltotaustaan, mutta näitä yhteyksiä ei ole kokeellisesti vahvistettu tällä tutkimuksella.

Testi

Tutkijat rakensivat koejärjestelmää noin kolme vuotta. Teoreettisten laskelmien perusteella suunniteltu kammion muoto ja rakenne voisivat auttaa muodostamaan ja pitämään paikoillaan hypoteettisia domeeniseinämiä. Ne ovat kentän eri tilojen välisiä rakenteita, eivät tavallisia materiaaliseiniä.

Kokeen ajatuksena on lähettää kylmä atomipilvi mahdollisen seinämän läpi ja mitata, muuttuuko sen liike ennustetulla tavalla. Laskelmissa löytyi vielä sallittuja mallin parametrialueita, joilla vaikutus voisi olla mitattavissa. Tämä on kokeen suunnittelua ja ennustamista, ei jo havaittujen seinämien mittausta.

Harva kaasu ja ultrakylmät atomit

Tyhjiöjärjestelmä vähentää kaasun tiheyttä. Tietyissä skalaarikenttämalleissa juuri aineen tiheyden muutos voisi mahdollistaa domeeniseinämien muodostumisen. Veden jäätyminen toimii vain havainnollistavana vertauksena faasisiirtymälle; pimeää ainetta ei tässä yksinkertaisesti jäädytetä.

Kokeessa on tarkoitus käyttää lasereilla lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytettyjä litiumatomeja, noin −273 °C:ssa. Jäähdytys vähentää atomien liike-energiaa ja auttaa mittaamaan pieniä poikkeamia. Kaasun harventaminen ja atomien jäähdyttäminen ovat kokeen eri osia.

Mitä tutkimus osoitti?

Julkaisu esitti laskelmia ja koeehdotuksen, ei pimeän aineen havaintoa. Siinä ei mitattu nanohertsitaajuisia gravitaatioaaltoja tyhjiökammiossa. Mahdollinen yhteys tällaiseen gravitaatioaaltotaustaan kuuluu mallien teoreettisiin sovelluksiin. Kesäkuun 2024 tiedotteessa ryhmä kertoi odottavansa kokeen tuloksia myöhemmin; odotusta ei pidä esittää valmiina tuloksena.

Tutkijat

Tutkimuksen tekijät olivat Kate Clements, Benjamin Elder, Lucia Hackermueller, Mark Fromhold ja Clare Burrage. Työhön osallistui Nottinghamin yliopiston ja Havaijin yliopiston tutkijoita. Burrage oli yksi keskeisistä kirjoittajista, ja Hackermueller johti laboratoriokokeen suunnittelua.

Tutkimuksen mahdollinen merkitys

Hyvin hallittu laboratoriokoe voisi testata kosmologiaan liittyviä kenttämalleja ja niiden ennustamia vaikutuksia. Mahdollinen signaali olisi arvioitava suhteessa taustatekijöihin ja vaihtoehtoisiin selityksiin. Myös tulos, jossa ennustettua vaikutusta ei nähdä, voi rajata malleja. Menetelmän arvo ei riipu lupauksesta, että pimeä aine varmasti löytyy.

Muita merkittäviä pimeän aineen tutkimuksia

Pimeää ainetta ja pimeää energiaa tutkitaan useilla toisiaan täydentävillä menetelmillä. Avaruushavainnot kartoittavat suuren mittakaavan rakennetta, kun taas hiukkas- ja laboratoriokokeet testaavat mahdollisia mikroskooppisia selityksiä. Seuraavat esimerkit käyttävät erilaisia menetelmiä eivätkä kaikki mittaa samaa ilmiötä.

Euclid-avaruusteleskooppi

ESA:n Euclid-avaruusteleskooppi laukaistiin 1. heinäkuuta 2023 Falcon 9 -raketilla Floridasta. Se on laajan taivaankartoituksen hanke, jonka tavoitteena on tutkia pimeää ainetta, pimeää energiaa ja maailmankaikkeuden rakenteen kehitystä. Sen tehtävä ei ole pelkästään avustaa James Webb -teleskooppia, vaan se toteuttaa omaa laajaa havainto-ohjelmaansa.

Euclid kuvaa näkyvässä valossa ja lähi-infrapunassa sekä mittaa galaksien etäisyyksiä. Galaksikuvien pienet gravitaatiolinssivääristymät auttavat päättelemään massan jakautumista. Tavoitteena on seurata kosmista kehitystä noin kymmenen miljardin vuoden ajalta, ei kuvata suoraan koko 13,8 miljardin vuoden historiaa.

CERN

Pimeän aineen hiukkasmalleja tutkitaan myös Euroopan hiukkasfysiikan tutkimusorganisaatiossa CERN. Vuonna 1954 perustettu organisaatio kehittää suuria hiukkaskiihdyttimiä ja ilmaisimia sekä tutkii aineen perustavanlaatuisia ominaisuuksia.

CERN toimii Geneven lähellä Ranskan ja Sveitsin rajalla. Siellä Tim Berners-Lee ehdotti World Wide Webiä vuonna 1989, ja ensimmäinen verkkosivusto avattiin vuonna 1991. Organisaation päätehtävä on kuitenkin hiukkasfysiikan perustutkimus.

CERNin Large Hadron Collider eli LHC on suuri korkeaenerginen hiukkastörmäytin. Se kiihdyttää esimerkiksi protoneja ja törmäyttää niitä, minkä jälkeen ilmaisimet mittaavat syntyviä hiukkasia. Joissakin teorioissa törmäyksissä voisi syntyä pimeän aineen hiukkasia. Niitä etsittäisiin muun muassa puuttuvan energian ja liikemäärän avulla, ei mittaamalla niiden erittäin pientä gravitaatiovaikutusta suoraan. Tämä ei tarkoita, että pimeää ainetta olisi jo valmistettu ja tunnistettu.

Neutronitähdet ja neutriinohavainnot

Joissakin malleissa pimeä aine voisi kerääntyä neutronitähtiin ja vaikuttaa niiden lämpötilaan, rakenteeseen tai tuottaa annihilaatiossa muita hiukkasia. Näitä mahdollisuuksia tutkitaan mallista riippuvina ennusteina, ei jo vahvistettuna pimeän aineen kertymisenä.

Etelänavan IceCube on jäähän rakennettu neutriinoilmaisin, ei tavallinen optinen teleskooppi. Se etsii neutriinoja myös alueilta, joihin pimeää ainetta voisi kasaantua, kuten Auringosta ja galaksin keskustan suunnasta. Mahdolliset annihilaatio- tai hajoamistuotteet olisivat epäsuora signaali. Kaikki pimeän aineen mallit eivät ennusta samanlaista annihilaatiota, eikä kyse ole jo havaitun energian kartasta.

Yritykset, joilla on yhteyksiä tutkimusinfrastruktuuriin

Pimeän aineen tutkimus voi tarvita laukaisupalveluja, avaruusinstrumentteja ja herkkiä ilmaisimia. Tämä voi luoda toimittajille liiketoimintaa, mutta tutkimus ei osoita pimeän aineen hyödyntämistä energialähteenä tai takaa yritysten voittoja. Seuraavat yritykset liittyvät tutkimuksen infrastruktuuriin eri tavoin.

1. SpaceX

Elon Musk perusti SpaceX:n vuonna 2002. Sen virallinen nimi on Space Exploration Technologies Corporation. Nimi SpaceX ei tarkoita, että yhtiö olisi vaihtanut kokonaan toiseen oikeudelliseen nimeen. Musk käytti omaa varallisuuttaan yhtiön rahoittamiseen; PayPal (PYPL ) liittyy hänen aiempaan liiketoimintahistoriaansa. Väite täsmälleen puolesta $180 miljoonan osakeomistuksesta ei ole tässä vahvistettu rahoituslähde.

SpaceX:n Dragon vieraili kansainvälisellä avaruusasemalla vuonna 2012 ensimmäisenä kaupallisen yhtiön aluksena. Yhtiö on kehittänyt uudelleenkäytettäviä rakettivaiheita ja tarjoaa laukaisupalveluja. Vuonna 2024 se ei ollut laskeutunut omalla raketillaan Kuuhun. Asiakkaan kuulaskeutujan laukaisu ja SpaceX:n oma laskeutuminen ovat eri asioita. Myöskään väite, että vain SpaceX olisi onnistunut uudelleenkäytettävän raketin laskeutumisessa, ei pidä paikkaansa.

2. Teledyne Technologies Inc.

TDY Hintakaavio

Teledyne Technologies (TDY ) Inc. toimittaa muun muassa kuvantamisjärjestelmiä, mittalaitteita, elektroniikkaa ja suunniteltuja järjestelmiä. Sen merkitys avaruustutkimukselle liittyy esimerkiksi herkkiin ilmaisimiin, ei ensisijaisesti ilmailualumiinin toimituksiin. Nykyinen Teledyne Technologies muodostettiin itsenäiseksi yhtiöksi vuonna 1999; konsernin yksiköiden lukumäärä riippuu ajankohdasta ja laskentatavasta.

Teledynen yksiköt toimittivat Euclidille näkyvän valon ja infrapunan ilmaisimia. Avaruusinstrumenttien kysyntä voi luoda lisätilauksia, mutta toimitusasema tai tutkimuksen edistyminen ei yksin takaa merkittävää voitonkasvua.

Teledynen TDY-osakkeen tuotto riippuu tarkastelujaksosta ja markkinahinnasta. Ilman ajanjaksoa esitettyä 6,56 %:n lukua ei voi pitää jatkuvana tai taattuna tuottona. Yrityksen asema avaruusteknologiassa ei myöskään yksin perustele varmaa ostosuositusta. Arvioinnissa tarvitaan tietoa taloudesta, arvostuksesta ja riskeistä.

Pimeän aineen tutkimuksen tulevaisuus

Herkemmät ilmaisimet, paremmat analyysimenetelmät ja uudet kokeet voivat auttaa testaamaan pimeän aineen malleja. Tekoäly voi tukea suurten aineistojen käsittelyä, mutta se ei takaa löytöä tai muuta epäsuoraa näyttöä automaattisesti hiukkashavainnoksi. Robottien käyttö avaruustutkimuksessa voi vähentää miehitettyjen tehtävien tarvetta, mutta se ei itsessään ratkaise pimeän aineen arvoitusta.

LHC:n kokeet etsivät mahdollisia uusia hiukkasia törmäystuotteista ja puuttuvasta liikemäärästä. Ne eivät ole osoittaneet pimeän aineen valmistamista eivätkä perustu sen pienten gravitaatiovaihteluiden suoraan mittaamiseen.

Pimeän aineen mittaaminen on ensimmäinen askel

Pimeän aineen tutkimus yhdistää kosmologisia havaintoja, hiukkasfysiikkaa ja laboratoriokokeita. Uusien aineistojen vertailu ja kehittyneet analyysit voivat rajata vaihtoehtoja. Nottinghamin koeehdotus on yksi tapa testata tiettyjä hypoteettisia kenttämalleja. Sen tulokset on arvioitava kokeellisesti, eikä tulevaa löytöä voi luvata etukäteen.

Voit oppia lisää jännittävistä avaruusprojekteista täällä.