Tume aine — mis see on, tõendid ja roll universumis

Tume aine on aine liik, mida arvates vastutab suure osa universumi massist, kuid mis ei kiirga, peegelda ega neela tavalist elektromagnetkiirgust. Tumeaine ei ole lihtsalt “peidetud” tavaline aine (tähesid, gaasi, tolmu), vaid tundub olevat eriomadustega: see ei suhtle oluliselt elektriliselt ega tuuma- ja aatomitasandi protsessidega, vaid avaldab mõju peamiselt gravitatsiooni kaudu. Seetõttu saab sellest otseselt järeldada ainult tema gravitatsiooniliste mõjude kaudu.

Ajaloolised vihjed

Idea tumeaine olemasolu tekkis, kui astronoomid märkasid, et suurte astronoomiliste objektide mass ja nende gravitatsiooniline mõju ei klappinud nähtava ehk "helendava aine" hulga jaotusega. See helendav aine sisaldab tähti, gaasi ja tolmu. Esimesed tähised tulid juba 1930. aastatel: Jan Oort pakkus 1932. aastal, et tumedat ainet võiks olla põhjuseks Linnutee tähtede pöörlemiskiiruste ebatavalisel jaotusel. 1933. aastal leidis Fritz Zwicky galaktikakogumite "puuduvast massist" lähtuvalt, et klastrites peab olema lisamass, mida ei paista — see oli üks esimesi otsekoheseid vihjeid tumedale ainele.

Tõendid tumeaine olemasolu kohta

Järgnevad vaatlused ja mõõtmised on peamised põhjused, miks enamik kosmolooge ja astronoomidest usub tumeaine olemasolusse:

• Galaktikate pöörlemiskõverad: paljude galaktikate pöörlemiskiirus ei lange kaugemal ootuspäraselt, kui arvestada ainult nähtava ainega — asemel on kiirused ligikaudu konstantsemad, mis viitab lisamassile, mis paikneb galaktikate halo's.
• Gravitatsiooniline läätse: mass, sealhulgas tume aine, kõverdab ruumi ja suunab valgust. Vaadeldes taustobjektide gravitatsioonilist läätse, saab kindlaks teha massijaotuse, mis sageli ületab nähtava aine hulga.
• Galaktikakogumite termodünaamika: klastrites leidub kuuma gaasi, mille temperatuurijaotus ja liikumine nõuavad suuremat gravitatsioonipotentsiaali kui nähtav aine suudab anda — see viitab lisamassile.
• Kosmilise mikrolainekiirguse (CMB) anomaaliad: Plancki missiooni ja teiste CMB mõõtmiste abil saab piirata universumi koostist; soodimustrid ja anisotroopsused näitavad tumeaine olulist rolli struktuuride kujunemisel varases universumis.
• Suureskaalaline struktuur ja skaalariba: kaugete galaktikate ja klastrite jaotumine ja kasvustruktuurid parimaid mudeleid, mis nõuavad tumeaine olemasolu, et seletada, kuidas galaktikad ja klastrid üles ehitusid tänaseks ajaks.

Plancki andmetel ja kosmoloogia standardmudeli alusel sisaldab teadaoleva universumi kogu mass-energia umbes 4,9% tavalist ainet, 26,8% tumeainet ja 68,3% tumeenergiat. Seega moodustab tume aine hinnanguliselt 84,5% kogu universumi ainest (kui võtta ainult “aine” ehk välj jätta tumeenergia), ja tume energia pluss tume aine koos moodustavad umbes 95,1% kogu universumi energiatihedusest.

Bullet Cluster — otsene gravitatsiooniline tõend

2006. aastal teatas rühm teadlasi vaatlustest kahe kauge, suure kiirusega kokku põrganud galaktikakobara kohta — see süsteem on üldtuntud kui "Bullet Cluster". Kokku põrkusid kaks galaktikakogumit ning tavaline aine (peamiselt kuum gaas) vahepeal hajus ja aeglustus kokkupõrkel tugeva hõõrdumise tõttu. Gravitatsioonilise läätse uurimine näitas aga massi jaotust, mis ei järgnenud kuuma gaasi kontsentratsioonile, vaid paiknes rohkem piirkondades, kus paiknesid galaktikad. See nähtus sobib hästi mudeliga, kus tume aine on enamikus collisionless (peaaegu põrketa) ja liigub läbi kokkupõrke, jättes tavalise, hõõrdumise all oleva gaasi maha — see on üks tugevaimaid otseseid tõendeid tumeaine olemasolu kohta.

Mida me tumeaine kohta veel ei tea

Peamised teadmata aspektid on, mis täpselt tumeaine koosneb ja kuidas see mikrofüüsiliselt käitub. Peamised tunnused, mis tunduvad kehtivat:

• Tumeaine ei kiirga ega neela elektromagnetilist kiirgust nii nagu tavaline aine.
• See suhtleb gravitatsiooniliselt ja on oluline struktuuride moodustumisel.
• Tumeaine halo'd ümbritsevad galaktikaid ja klastreid ning on suurima massiga komponendid nendes süsteemides.

Võimalikud kandidaadid ja otsingud

Teadlased on välja pakkunud mitmeid kandidaate tumeaine tegelikuks olemuseks. Olulisemad grupid on:

• WIMP-id (Weakly Interacting Massive Particles) — rasked osakesed, mis suhtlevad nõrgalt; nende otsimiseks on tehtud otsehävituse katseid maa-alustes detektorites (näiteks Xenon, LUX jt), samuti otsitakse annihilatsioonist tulenevat kiirgust kosmilistes vaatlustes ja püüdletakse neid toota ka Large Hadron Collider'is.
• Axionid — väga kerged osakesed, mis võivad tekkida lahendina mõnele teoreetilisele probleemile osakestefüüsikas; neid otsitakse spetsiifiliste raadiosageduse ja elektromagnetilise lähedasuga seadmetega.
• Sterilised neutriinod ja teised “soojemad” kandidaadid — võivad seletada mõningaid galaktilisi omadusi, kuid pole universaalselt sobivad.

Kuigi on tehtud palju otsingu- ja piirangukatsed, ei ole ühtset ja kinnitatud otsest detektsiooni, mis kindlalt identifitseeriks tumeaine osakese. Mõned eksperimendid on teatatud potentsiaalsetest signaalidest (nt DAMA/LIBRA, ėrinädalased anomaaliad kosmilistes kiirgusest), kuid need tulemused on vastuolulised ja nõuavad sõltumatut kinnitust.

Alternatiivsed vaated

Mõned teadlased on pakkunud välja alternatiivseid seletusi, nagu muutunud gravitatsiooniteooriad (näiteks MOND — Modified Newtonian Dynamics), mis üritavad seletada galaktikate pöörlemiskõveraid ilma lisamassita. Need teooriad suudavad mõnikord selgitada konkreetseid vaatlusi, kuid neil on raske selgitada kõiki tõendeid korraga (nt CMB anomaaliad ja Bullet Clusteri-vaatlus). Seetõttu on enamus teadlastest pigem seisukohal, et tumeaine (mitte ainult gravitatsiooni modifikatsioon) pakub ühtsemat ja paremalt sobivat seletust.

Miks tumeaine roll universumis on oluline

Tumeaine mängib keskset rolli galaktikate, klastrite ja suureskaalalise struktuuri tekkes: ilma tumeda aine gravitatsioonilise tõmbea võimeta ei suudaks väiksed tiheduslike piirkondade kõikumised varases universumis kasvada piisavalt kiiresti, et moodustada tänapäevaseid galaktikaid ja klastreid. Lisaks mõjutab tumeaine jaotumine otseselt galaktikate morfoloogiat, pöörlemist ja satelliitstruktuure.

Kokkuvõttes: olemas on palju sõltumatuid ja läbimõeldud tõendeid, mis viitavad sellele, et universumis on suur osa massist nähtamatute, peamiselt gravitatsiooniliselt mõjude kaudu avalduvate komponentidena. Kuid tumeaine täpne olemus ja mikrofüüsikalised omadused jäävad tänaseni üheks kaasaegse kosmoloogia ja osakestefüüsika suurimaks avastamata müsteeriumiks. Uued vaatlused, suuremad detektorid ja täpsemad teooriad loodavad lähiaastakümnetel valgust heita, mis tumeaine täpselt on.

Küsimused ja vastused

K: Mis on tume aine?

K: Kuidas teadlased usuvad, et tumeaine on olemas?

K: Kui suure protsendi moodustab tume aine universumis?

K: Kuidas me saame tumeainet avastada?

K: Mida väitis üks teadlaste rühm, et nad leidsid 2006. aastal võimaluse selle avastamiseks?

K: Millised on mõned näited, mis viitavad sellele, et meie universumis on olemas pimedat ainet?

Otsing