Pimeä aine on aineen hypoteettinen tyyppi, jolla pyritään selittämään universumin laajalti ”kadoksissa” olevaa massaa.

Sen olemassaolon todistaminen on kuitenkin hyvin vaikeaa, sillä se ei vuorovaikuta tavallisen aineen kanssa. Tiedämme kuitenkin sen olemassaolosta pimeän aineen gravitaatiovaikutuksen ansiosta.

Venäläistutkijoiden kehittämä matemaattinen malli on nyt osoittanut, että riittävän pitkällä aikavälillä pimeä aine voi muodostaa pienten galaksien ulkolaidoille Bosen-Einsteinin kondensaatin, joka tiivistyy kylmiksi massakeskittymiksi, joita tutkijat kutsuvat Bose-tähdiksi.

Tutkijat raportoivat havainnoistaan Physical Review Letters -tiedejulkaisussa.

Jokaisen galaksin uskotaan verhoutuvan niin sanotun pimeän aineen halon taakse. Esimerkiksi Linnunradan halon uskotaan ulottuvan jopa miljoonan valovuoden päähän galaksimme keskustasta. Näkyvä aine ulottuu vain noin 50 000 valovuoden päähän.

Tutkijoiden mukaan pimeän aineen hiukkaset voivat – olettaen, että ne ovat riittävän suurimassaisia bosoneja – muodostaa Bosen-Einsteinin kondensaatin pienten galaksien pimeästä aineesta koostuvissa kehissä.

Bosen-Einsteinin kondensaatti on aineen supranestemäinen olomuoto, jossa suuri määrä hiukkasia käyttäytyy kuin se olisi yksi suuri hiukkanen. Sen muodostuminen edellyttää lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötilaa, jossa hiukkaset ovat kaikkein alhaisimmassa energiatilassa.

Vasemmalla kaasu lähtötilanteessa. Oikealla kuva hetki Bose-tähden muodostumisen jälkeen. Värit (valkoinen, sininen, vihreä, keltainen) kertovat aineen tiheydestä. (Dmitry Levkov)

”Simuloimme kvanttikaasun liikettä, jossa pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat toistensa kanssa painovoiman avulla[…] Hyvin pitkän ajan kuluttua hiukkaset muodostivat spontaanisti kondensaatin, joka muovautui välittömästi pallomaiseksi pisaraksi eli Bose-tähdeksi”, Venäjän tiedeakatemian fyysikko Dmitry Levkov kertoo tiedotteessa.

Tutkijoiden mukaan tällaisia pimeän aineen tähtiä voi muodostua kääpiögalakseja ympäröiviin haloihin universumin ikää lyhyemmässä ajassa. Niitä voi siis olla jo olemassa.

Bosen tähdet voivat olla jopa nopeiden radiopurkauksien lähteitä, tutkijat toteavat. Nopeat radiopurkaukset ovat syvästä avaruudesta kantautuvia lyhyitä radiopulsseja, joiden varmasta alkuperästä ei ole toistaiseksi tietoa. Viime vuosina tähtitieteilijät ovat havainneet niitä kasvavissa määrin.

”Hypoteettiset kevyet pimeän aineen hiukkaset eli aksionit vuorovaikuttavat sähkömagneettisten kenttien kanssa hyvin heikosti ja voivat hajota radiofotoneiksi. Tämä vaikutus on häviävän pieni, mutta Bose-tähden sisällä se voisi voimistua riittävästi tuottamaan laserinkaltaisen radiopurkauksen”, tutkijat selittävät.

”Seuraava ilmeinen askel onkin ennustaa maailmankaikkeudessa piilottelevien Bose-tähtien määrä ja laskea niiden massa tietokonemalleilla käyttäen kevyitä pimeän aineen hiukkasia”, Levkov toteaa.

Lisää aiheesta tutkimustiedotteessa.