Tähtitieteilijät, fyysikot ja kosmologit ovat vuosikymmenien ajan esittäneet teorian, jonka mukaan maailmankaikkeus on täynnä ”pimeäksi aineeksi” kutsuttua eksoottista ainetta, joka selittää galaksien ja galaksijoukkojen oudon gravitaatiokäyttäytymisen.
Pimeää ainetta on matemaattisten mallien mukaan olemassa kolme neljäsosaa maailmankaikkeuden materiasta. Mutta sitä ei ole koskaan nähty tai selitetty täysin. Ja vaikka pimeästä aineesta on tullut vallitseva teoria selittämään yhtä maailmankaikkeuden suurimmista mysteereistä, jotkut tutkijat ovat etsineet vaihtoehtoisia selityksiä sille, miksi galaksit käyttäytyvät niin kuin käyttäytyvät.
Nyt kansainvälinen tutkijaryhmä sanoo löytäneensä uusia todisteita siitä, että pimeää ainetta ei ehkä sittenkään ole olemassa.
Astrophysical Journal -lehdessä marraskuussa julkaistussa tutkimuksessa tutkijat raportoivat kaukana sijaitsevien tähtien kiertonopeuksissa esiintyvistä pienistä poikkeavuuksista, jotka heidän mukaansa paljastavat heikon gravitaatiovaikutuksen – ja jotka voisivat tehdä lopun vallitsevista käsityksistä pimeästä aineesta.
Tutkimus viittaa siihen, että epätäydellinen tieteellinen ymmärrys gravitaatiosta on sen taustalla, mikä näyttää olevan galaksien ja galaksijoukkojen vetovoiman voimakkuus, pikemminkin kuin valtavat pimeän aineen pilvet.
Tämä saattaisi tarkoittaa, että puhdas matematiikka, eikä näkymätön aine, voisi selittää, miksi galaksit käyttäytyvät niin kuin käyttäytyvät, sanoi tutkimuksen toinen kirjoittaja Stacy McGaugh, joka johtaa tähtitieteen laitosta Case Western Reserve -yliopistossa Clevelandissa.
Uudessa tutkimuksessa kerrotaan, että merkkejä heikosta gravitaatiovirrasta, jota kutsutaan nimellä ”ulkoinen kenttävaikutus” (external field effect, EFE), voidaan havaita tilastollisesti tähtien kiertonopeuksissa yli 150 galaksissa.
Tekijät sanovat, ettei vaikutusta voida selittää pimeän aineen teorioilla, mutta se ennustetaan niin sanotulla modifioidulla newtonilaisella dynamiikkateorialla eli MOND:llä.
”Mitä me oikeastaan sanomme on, että on olemassa absoluuttisia todisteita ristiriidasta”, McGaugh sanoi. ”Se, mitä näkee, ei ole sitä, mitä saa, jos tietää vain Newtonista ja Einsteinista.”
Tähtitieteilijät olettivat pitkään, että tähdet kiertävät galaksien keskipisteitä nopeuksilla, joita englantilaisen fyysikon ja matemaatikon Isaac Newtonin yli 300 vuotta sitten muotoilema painovoimateoria ennusti.
Newton perusti teoriansa, jonka mukaan kappaleet vetävät toisiaan puoleensa voimalla, joka vaihtelee niiden massan mukaan, havaintoihin planeettojen kiertoradoista. Saksalaissyntyisen fyysikon Albert Einsteinin 1900-luvulla tekemien teorian tarkennusten ansiosta se on edelleen hämmästyttävän tarkka.
Mutta Kalifornian teknologiainstituutissa työskentelevän sveitsiläisen tähtitieteilijän Fritz Zwickyn 1930-luvulla tekemät havainnot Coma-galaksijoukosta osoittivat, että siihen kohdistuu odotettua suurempia gravitaatiovoimia – vaikutuksen, jonka hän katsoi johtuvan ”dunkel (kalt) materie”-ilmiöstä, joka tarkoittaa saksaksi ”pimeää (kylmää) materiaalia”.”
Kun amerikkalaiset tähtitieteilijät Vera Rubin ja Kent Ford löysivät 1970-luvulla poikkeavuuksia tähtien kiertoradoissa galakseissa, monet tutkijat arvelivat, että ne johtuivat galaksien sisällä ja niiden ympärillä olevista näkymättömistä ”pimeän aineen” massoista, ja ajatus on hallinnut astrofysiikkaa siitä lähtien.
Joidenkin arvioiden mukaan pimeää ainetta on maailmankaikkeuden kaikesta materiasta noin 85 prosenttia. Sen sanotaan olevan vuorovaikutuksessa valon ja näkyvän aineen kanssa vain painovoiman kautta, ja se selittää kaukaisissa galakseissa havaitut poikkeavuudet.
Mutta sitä ei ole koskaan nähty, eikä toistaiseksi kukaan ole täysin selittänyt, mitä se voisi olla, vaikka pimeän aineen ehdokkaita ovat muun muassa heikosti vuorovaikuttavat massiiviset hiukkaset (WIMPS), alkukantaiset mustat aukot ja neutriinot.
MONDin muotoili 1980-luvulla israelilainen fyysikko Mordehai Milgrom selittääkseen havaitut ristiriitaisuudet ilman pimeää ainetta.
Se ehdottaa, että painovoima aiheuttaa hyvin pientä kiihtyvyyttä, jota Newton ja Einstein eivät ole ennustaneet, niin pienellä tasolla, että se näkyy vain galaksin kokoisissa kohteissa; ja se tarkoittaisi, että pimeän aineen selitystä ei tarvita.
Toistaiseksi MOND on selvinnyt useista tieteellisistä testeistä – vaikka monet tiedemiehet sanovatkin, ettei se voi selittää esimerkiksi havaintoja törmäävien galaksien Bullet-klusterista.
McGaugh myöntää, että MOND on vähemmistönäkemys astrofysiikassa ja että useimmat tiedemiehet kannattavat pimeän aineen olemassaoloa – ajatusta, jota hän itsekin kannatti, kunnes alkoi muuttaa mieltään noin 25 vuotta sitten.
”Olisin aikoinaan sanonut samoja asioita: on täysin todistettu, että pimeää ainetta on olemassa, älkää huolehtiko siitä”, hän sanoi.
Mutta monet MOND:n ennusteista ovat näkyneet tähtitieteellisissä havainnoissa, ja uusimmat tutkimustulokset ovat McGaughin mukaan yksi todiste lisää sen puolesta.
”MOND on ainoa teoria, joka on onnistunut tällä tavalla”, McGaugh sanoi. ”Se on ainoa teoria, jonka kaikki ennusteet ovat rutiininomaisesti käyneet toteen.”
Uusi tutkimus herättää ”hyvin mielenkiintoisen kysymyksen”, sanoi Matthias Bartelmann, teoreettisen astrofysiikan professori Heidelbergin yliopistossa Saksassa, joka ei osallistunut tutkimukseen.
”Voidaanko pimeä aine selittää erilaisella painovoiman lailla?”. Se olisi erittäin tärkeää sekä kosmologian että hiukkasfysiikan kannalta, jos se olisi mahdollista”, hän sanoi sähköpostitse.
Hän kuitenkin epäilee, että uudessa tutkimuksessa raportoitu ”ulkoisen kentän vaikutus” on todella ainutlaatuinen MOND:n ennuste, eikä sitä voida selittää joillakin kilpailevilla teorioilla.
Ja koska MOND-teoria on muotoiltu selittämään galaksien rotaatioeroja, sen testaamisen galakseilla odottaisi tuottavan vakuuttavia tuloksia; sen sijaan MONDia pitäisi testata menestyksekkäästi muilla kohteilla, kuten galaksijoukoilla, hän sanoi.