Suurin osa maailmankaikkeudestamme on piilossa näkyvillä. Vaikka emme voi nähdä tai koskettaa sitä, useimmat tähtitieteilijät sanovat, että suurin osa kosmoksesta koostuu pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta. Mutta mitä on tämä salaperäinen, näkymätön aine, joka ympäröi meitä? Ja mitä eroa on pimeällä energialla ja pimeällä aineella? Lyhyesti sanottuna pimeä aine hidastaa maailmankaikkeuden laajenemista, kun taas pimeä energia nopeuttaa sitä.
Pimeä aine toimii kuin vetovoima – eräänlainen kosminen sementti, joka pitää maailmankaikkeutemme kasassa. Tämä johtuu siitä, että pimeä aine on kyllä vuorovaikutuksessa painovoiman kanssa, mutta se ei heijasta, absorboi tai emittoi valoa. Samaan aikaan pimeä energia on hylkivä voima – eräänlainen antipainovoima – joka ajaa maailmankaikkeuden alati kiihtyvää laajenemista.
Pimeä energia on näistä kahdesta voimasta paljon hallitsevampi, sillä sen osuus maailmankaikkeuden kokonaismassasta ja -energiasta on noin 68 prosenttia. Pimeän aineen osuus on 27 prosenttia. Ja loput – vaivaiset 5 prosenttia – on kaikkea tavallista ainetta, jota näemme ja jonka kanssa olemme vuorovaikutuksessa joka päivä.
Pimeä aine
Sveitsiläissyntyinen tähtitieteilijä Fritz Zwicky tutki 1930-luvulla kuvia noin tuhannesta galaksista, jotka muodostavat Koman tähtijoukon – ja huomasi niiden käyttäytymisessä jotakin outoa. Galaksit liikkuivat niin nopeasti, että niiden pitäisi yksinkertaisesti lentää erilleen. Hän arveli, että jokin “pimeä aine” piti niitä yhdessä.
Vuosikymmeniä myöhemmin tähtitieteilijät Vera Rubin ja Kent Ford havaitsivat samanlaisen ilmiön tutkiessaan yksittäisten galaksien pyörimisnopeuksia. Galaksin ulkoreunan tähtien pitäisi pyöriä hitaammin kuin tähtien lähellä keskustaa. Näin kiertävät aurinkokuntamme planeetat. Sen sijaan he huomasivat, että galaksin laitamilla olevat tähdet kiertävät yhtä nopeasti – tai nopeammin – kuin lähempänä sijaitsevat tähdet. Rubin ja Ford olivat löytäneet lisää todisteita siitä, että jokin näkymätön aineen muoto ilmeisesti pitää maailmankaikkeutta koossa.
“Jopa reuna-alueiden tähdet kiertävät suuria nopeuksia”, Rubin selitti kerran Discoverin haastattelussa. “Täytyy olla paljon massaa, jotta tähdet kiertävät niin nopeasti, mutta me emme näe sitä. Kutsumme tätä näkymätöntä massaa pimeäksi aineeksi.”
Tähtitieteilijöillä on nyt monia muitakin todisteita, jotka viittaavat pimeän aineen olemassaoloon. Itse asiassa pimeän aineen olemassaolo on niin laajalti hyväksytty, että se on osa niin sanottua kosmologian standardimallia, joka muodostaa perustan sille, miten tutkijat ymmärtävät maailmankaikkeuden syntyä ja kehitystä. Ilman sitä emme voi selittää, miten pääsimme tänne.
Mutta tämä ylevä asema painostaa kosmologeja löytämään lopullisen todisteen pimeän aineen olemassaolosta ja siitä, että heidän mallinsa maailmankaikkeudesta on oikea. Vuosikymmenien ajan fyysikot eri puolilla maailmaa ovat käyttäneet yhä huipputeknisiä välineitä yrittäessään havaita pimeää ainetta. Toistaiseksi he eivät ole löytäneet merkkejä siitä.
Lue lisää: As the Hunt Drags Out, Physicists Start Searching for the Lightst Dark Matter
Dark Energy
Astronomit ovat tienneet, että maailmankaikkeutemme laajenee jo noin vuosisadan ajan. Teleskooppihavainnot ovat osoittaneet, että useimmat galaksit etääntyvät toisistaan, mikä viittaa siihen, että galaksit olivat lähempänä toisiaan kaukaisessa menneisyydessä. Tämän seurauksena todisteet alkuräjähdyksen puolesta kasaantuivat. Tähtitieteilijät olettivat kuitenkin, että maailmankaikkeuden kaikkien tähtien ja galaksien yhteisen vetovoiman pitäisi hidastaa maailmankaikkeuden laajenemista. Ehkä se jopa romahtaisi jonain päivänä takaisin itseensä Isossa räjähdyksessä.
Tämä käsitys kuitenkin hylättiin 1990-luvun lopulla, kun kaksi tähtitieteilijäryhmää havaitsi jotain, jossa ei ollut mitään järkeä. Tutkijat, jotka tutkivat supernovia kaukaisimmissa galakseissa, havaitsivat, että kaukaiset galaksit etääntyivät meistä nopeammin kuin läheiset galaksit. Maailmankaikkeus ei vain laajentunut – laajeneminen nopeutui.
“Oma reaktioni on jossakin hämmästyksen ja kauhun välimaastossa”, kertoi toista tutkimusryhmää johtanut tähtitieteilijä Brian Schmidt New York Timesille vuonna 1998. “Hämmästys, koska en vain odottanut tätä tulosta, ja kauhu tietäessäni, että enemmistö tähtitieteilijöistä – jotka minun laillani suhtautuvat odottamattomiin asioihin äärimmäisen epäilevästi – ei todennäköisesti usko sitä.”
Mutta myöhemmät havainnot eivät ole kumonneet sitä, vaan ne ovat vain vahvistaneet todisteita pimeästä energiasta. Itse asiassa jotkut tunnetut pimeän aineen kriitikot hyväksyvät edelleen pimeän energian olemassaolon.
Lue lisää: How Will the Universe End?
Nyt se ei tarkoita, että tutkijat tietäisivät, mitä pimeä energia on. Kaukana siitä. Mutta he voivat kuvata sen roolin maailmankaikkeudessa Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ansiosta. Einstein ei tiennyt pimeästä energiasta, mutta hänen yhtälöidensä mukaan uutta avaruutta voi syntyä. Lisäksi hän sisällytti suhteellisuusteoriaan kosmologisen vakion, jonka hän lisäsi – ja myöhemmin pahoitteli – estääkseen maailmankaikkeutta romahtamasta sisäänpäin. Tämän ajatuksen mukaan avaruudella itsellään voi olla energiaa. Tutkijat eivät kuitenkaan ole vielä koskaan nähneet tätä voimaa maapallolla.
Joidenkin teoreettisten fyysikoiden mielestä tuolla ulkona on kokonainen pimeä hiukkasten ja voimien valtakunta, joka vain odottaa löytämistä. Mistä tahansa pimeä energia ja pimeä aine koostuvatkin, ne näyttävät pelaavan köydenvetoa maailmankaikkeutemme kanssa – sekä pitäen sitä koossa että vetäen sitä erilleen.