Laserinterferometrin gravitaatioaalto-observatoriossa (LIGO) työskentelevät tutkijat tekivät historian helmikuussa 2016, kun he julkistivat ensimmäisen kerran gravitaatioaallot. Siitä lähtien on tehty useita havaintoja ja observatorioiden välinen tieteellinen yhteistyö - kuten Advanced LIGO ja Advanced Virgo - mahdollistaa ennennäkemättömän herkkyyden ja tiedon jakamisen.
Tämä tapahtuma ei vain vahvistanut Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian tekemää satavuotista ennustusta, vaan myös johti tähtitieteen vallankumoukseen. Se herätti myös joidenkin tutkijoiden toiveita, jotka uskoivat mustien reikien johtuvan maailmankaikkeuden puuttuvasta massasta. Valitettavasti UC Berkeley -fyysikoiden ryhmän uusi tutkimus on osoittanut, että mustat aukot eivät ole Dark Matterin kauan kysyttyä lähdettä.
Heidän tutkimuksensa "Tähtimassaltaan pienten esineiden rajoitukset tummana aineena tyypin Ia supernovien gravitaation linssistä" ilmestyi äskettäin Fyysiset tarkistuskirjeet. Tutkimusta johti Miguel Zumalacarregu, Marie Curie -markkinatutkija Berkeleyn kosmologisessa fysiikassa (BCCP), kosmologian professorin ja BCCP: n apulaisjohtaja Uros Seljakin tuella.
Yksinkertaisesti sanottuna, Dark Matter on edelleen yksi vaikeimmista ja hankalimmista mysteereistä, joita tähtitieteilijät kohtaavat tänään. Huolimatta siitä, että se käsittää 84,5% maailmankaikkeuden aineesta, kaikki yritykset löytää se on toistaiseksi epäonnistunut. Monia ehdokkaita on ehdotettu, ultrakevytpartikkeleista (aksioista) heikkoon vuorovaikutukseen vaikuttaviin massiivihiukkasiin (WIMPS) ja massiivisiin kompakteihin halo-objekteihin (MACHO).
Nämä ehdokkaat vaihtelevat kuitenkin joukolla 90 asteikolla, jonka useat teoreetikot ovat yrittäneet ratkaista ehdottamalla, että tumma-ainetta voisi olla monentyyppisiä. Tämä kuitenkin edellyttäisi erilaisia selityksiä niiden alkuperälle, mikä vain vaikeuttaisi kosmologisia malleja entisestään. Kuten Miguel Zumalacárregui selitti äskettäisessä UC Berkeleyn lehdistötiedotteessa:
”Voin kuvitella, että se on kahden tyyppisiä mustia reikiä, erittäin painavia ja erittäin kevyitä, tai mustia reikiä ja uusia hiukkasia. Mutta siinä tapauksessa yksi komponenteista on suuruusluokkaa raskaampaa kuin toinen, ja niitä on tuotettava verrattavissa määrin. Siirrymme astrofysikaalisesta tilanteeseen, joka on todella mikroskooppinen, kenties jopa maailman kevyin asia, ja jota olisi hyvin vaikea selittää. "
Tutkimuksensa vuoksi ryhmä teki tilastollisen analyysin 740 löydetystä kirkkaimmasta supernovasta (vuodesta 2014 lähtien) selvittääkseen, oliko jokin näistä suurennettu vai kirkastettu esiintyvän mustan aukon läsnäolon avulla. Nämä ilmiöt, joissa suuren esineen gravitaatiovoima suurentaa kauempana olevista esineistä tulevaa valoa, tunnetaan nimellä “gravitaatiolinssi”.
Periaatteessa, jos mustat aukot olisivat vallitseva aineen muoto universumissa, gravitaation suurennetut supernovat tapahtuisivat melko usein ensisijaisten mustien reikien takia. Näiden mustan aukon hypoteettisten muotojen uskotaan muodostuvan muutaman ensimmäisen millisekunnin kuluessa ison räjähdyksen jälkeen universumin osissa, joissa massa keskittyi kymmeniin tai satoihin aurinkohomeihin, aiheuttaen aikaisimpien mustien reikien muodostumisen.
Tämän mustan aukon populaation, samoin kuin minkä tahansa massiivisen kompaktin esineen, läsnäolo kaventaisi ja suurentaisi valoa etäisistä esineistä matkalla Maahan. Tämä pätee erityisen kaukana oleviin tyypin Ia supernovoihin, joita tähtitieteilijät ovat käyttäneet vuosikymmenien ajan vakiona kirkkauden lähteenä kosmisten etäisyyksien ja maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden mittaamiseksi.
Suoritettuaan kuitenkin monimutkaisen tilastollisen analyysin 740 supernovan - 580 unionissa ja 740 - vaaleudesta ja etäisyydestä yhteisessä Light-Curve Analysis (JLA) -luetteloissa, ryhmä päätteli, että kahdeksan supernovaa tulisi olla kirkkaampi muutama kymmenesosa prosenttia kuin mitä on historiallisesti havaittu. Tällaista kirkkautta ei kuitenkaan havaittu, vaikka pienen massan mustia reikiä otettiin huomioon.
"Et voi nähdä tätä vaikutusta yhdelle supernovalle, mutta kun laitat ne kaikki yhteen ja teet täydellisen Bayesin analyysin, alat asettaa erittäin voimakkaita rajoituksia pimeälle aineelle, koska jokainen supernoova laskee ja niitä on niin paljon", sanoi Zumalacárregui.
Heidän analyysinsä perusteella he päätelivät, että mustat aukot voivat muodostaa enintään noin 40% maailmankaikkeuden pimeästä aineesta. Lisättyään 1 048 kirkkaampaa supernovaa Pantheon-luettelosta (ja suuremmalla etäisyydellä), rajoitukset kiristyivät entisestään. Tällä toisella tietojoukolla he saivat jopa alarajan - 23% - kuin alkuperäisessä analyysissään.
Nämä tulokset viittaavat siihen, että mikään maailmankaikkeuden pimeästä aineesta ei koostu raskaista mustista reikistä tai vastaavista massiivisista esineistä, kuten MACHOs. "Olemme palanneet tavanomaisiin keskusteluihin", Seljak sanoi. “Mikä on tumma aine? Itse asiassa meillä on loppumassa hyviä vaihtoehtoja. Tämä on haaste tuleville sukupolville. ”
Tämä tutkimus perustui aiempaan tutkimukseen, jonka Seljak teki 1990-luvun lopulla, kun tutkijat harkitsivat MACHO: ita ja muita massiivisia esineitä mahdollisena tumman aineen lähteenä. Tutkimus oli kuitenkin rajoitettu johtuen siitä, että vain pieni joukko kaukaisia tyypin Ia supernovoja oli löydetty tai niiden etäisyydet oli mitattu tuolloin.
Lisäksi Dark Matter -haku siirtyi pian sen jälkeen suurista esineistä perushiukkasiin (kuten WIMP). Tämän seurauksena tutkitut jatkosuunnitelmat eivät toteutuneet. Mutta LIGO: n gravitaatioaallon havaintojen ansiosta mahdolliset yhteydet mustien reikien ja tumman aineen välillä syntyivät jälleen ja innostivat Seljakia ja Zumalacárreguiia tekemään analyysiään.
"Mielenkiintoista oli, että LIGO-tapahtumassa olevien mustien reikien joukot olivat oikeassa paikassa, missä mustia reikiä ei ollut vielä poissuljettu tummana aineena", Seljak kertoi. ”Se oli mielenkiintoinen sattuma, joka sai kaikki innostumaan. Mutta se oli sattumaa. ”
Dark Matter -teoria hyväksyttiin virallisesti 1970-luvulla, ”relatiivisuuden kultakautena”, huomioiden erot universumin esineiden näkyvän massan ja niiden havaittujen painovoimavaikutusten välillä. Näyttää siltä, että puoli vuosisataa myöhemmin yritämme edelleen jäljittää tätä salaperäistä, näkymätöntä joukkoa. Mutta jokaisessa tutkimuksessa Dark Matteriin asetetaan lisärajoituksia ja mahdolliset ehdokkaat poistetaan.
Ajan myötä voimme vain avata tämän kosmologisen mysteerin ja olla askeleen lähemmäksi ymmärtämistä, kuinka maailmankaikkeus muodostui ja kehittyi.
