Pimeä aine on yksi modernin kosmologian suurimmista mysteereistä. Se on näkymätöntä, koska se ei vuorovaikuta sähkömagneettisesti eli se ei heijasta, absorboi tai emittoi valoa. Kuitenkin pimeän aineen gravitaatiovaikutukset näkyvät muun muassa galaksien pyörimisnopeuksissa ja galaksijoukkojen massakeskittymisen kautta. Eräs kysymys, joka nousee usein esiin, on: Jos pimeä aine käyttäytyy samankaltaisesti kuin valo gravitaatiokentissä, esimerkiksi mustien aukkojen läheisyydessä, miksi se ei vain kulkisi galaksien ohi ja hajaantuisi avaruuteen, kuten valo?
Pimeän aineen luonne ja gravitaatiovuorovaikutus
Pimeän aineen keskeinen ero tavalliseen aineeseen ja valoon nähden on se, että se ei vuorovaikuta muiden hiukkasten kanssa muutoin kuin gravitaation välityksellä. Valo (fotonit) seuraa avaruuden kaarevuutta, kun se kulkee massakeskittymien, kuten mustien aukkojen, läheltä. Tämä kaarevuus johtuu Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan gravitaatiosta, joka vääristää aika-avaruutta. Vaikka pimeä aine kokee saman gravitaatiovaikutuksen, se ei käyttäydy täsmälleen samalla tavalla kuin valo.
Yksi merkittävä tekijä on, että pimeä aine liikkuu paljon hitaammin kuin valo. Kun puhutaan pimeästä aineesta, se ei tyypillisesti tarkoita hiukkasia, jotka liikkuvat valon nopeudella. Itse asiassa pimeä aine on “kylmää” (cold dark matter), mikä tarkoittaa, että sen hiukkaset liikkuvat suhteellisen hitaasti. Tämän hitauden ansiosta pimeä aine voi jäädä gravitaatiokuoppien (kuten galaksien tai galaksijoukkojen) lähelle, missä se muodostaa suuria haloita, jotka pitävät galaksit koossa.
Miksi pimeä aine ei kulje galaksien ohi?
Toisin kuin valo, joka ei omaa massaa, pimeä aine koostuu todennäköisesti massallisista hiukkasista, jotka ovat alttiita gravitaation vaikutuksille eri tavalla. Pimeä aine ei “pakene” gravitaatiokuopista samalla tavoin kuin valonsäteet, koska sen hitaus ja massa sallivat sen jäädä pyörimään galaksien ympärille. Tämä selittää, miksi pimeä aineen vaikutukset näkyvät galaksien reunoilla: galaksit liikkuisivat paljon nopeammin, jos niissä ei olisi pimeän aineen tuomaa lisämassaa ja gravitaatiota.
Lisäksi pimeä aine ei hajoa törmäyksissä, toisin kuin tavallinen aine, koska se ei vuorovaikuta sähkömagneettisesti. Tämä tarkoittaa, että kun pimeän aineen hiukkaset liikkuvat galaksin sisäpuolella tai galaksien välisten alueiden läpi, ne eivät menetä energiaansa samalla tavalla kuin normaalin aineen hiukkaset. Tämä ominaisuus mahdollistaa sen, että pimeä aine voi muodostaa vakaita haloita galaksien ympärille ilman, että se leviäisi avaruuteen kuten valonsäteet.
Pimeä aine ja mustat aukot
Mielenkiintoinen kysymys on myös pimeän aineen käyttäytyminen mustien aukkojen läheisyydessä. Valo, kuten tiedetään, voi kaareutua ja jopa joutua vangituksi mustan aukon tapahtumahorisonttiin. Pimeän aineen tapauksessa, koska se on massallista, se voi myös kokea voimakasta gravitaatiovetoa mustan aukon läheisyydessä. Kuitenkin, koska se ei säteile eikä menetä energiaa säteilyn muodossa, pimeä aine saattaa jopa muodostaa tiivistymiä mustien aukkojen ympärille, lisäten näin mustan aukon massaa. Näitä tiivistymiä on vaikeampi havaita, mutta ne voivat vaikuttaa gravitaatioaalloissa havaittaviin signaaleihin, kun esimerkiksi kaksi mustaa aukkoa sulautuu yhteen.
Yhteenveto: Pimeän aineen rooli kosmoksessa
Pimeä aineen käyttäytyminen galaksien ympärillä johtuu sen massasta ja hitaasta liikkeestä verrattuna valon nopeuteen. Vaikka pimeä aine liikkuu ja kokee gravitaatiovuorovaikutuksia, se ei hajoa tai pakene samalla tavalla kuin valo. Sen sijaan se jää gravitaatiokuoppiin ja muodostaa vakaita rakenteita, jotka ovat välttämättömiä galaksien ja galaksijoukkojen olemassaololle. Tästä syystä pimeä aine ei vain kulje galaksien ohi, vaan sen gravitaatio pitää galaksit kasassa ja vaikuttaa koko maailmankaikkeuden rakenteeseen.
Pimeän aineen tarkkaa koostumusta emme vielä tiedä, mutta sen merkitys kosmoksessa on kiistaton. Se tarjoaa selityksen monille gravitaatioon liittyville havainnoille ja antaa viitteitä siitä, että maailmankaikkeus on paljon monimutkaisempi kuin pelkkä näkyvä aine antaisi ymmärtää.