Pimeä aine
Pimeä aine on aineen tyyppi, jonka uskotaan muodostavan suuren osan maailmankaikkeuden massasta. Sitä ei voi havaita suoraan, sillä se ei vaikuta absorboivan tai emittoivan sähkömagneettista säteilyä. Sen vaikutus tavalliseen aineeseen on kuitenkin havaittavissa gravitaation ja heikon vuorovaikutuksen kautta.
Planck-luotaimen vuosina 2009–2013 tekemien mittausten mukaan pimeä aine muodostaa 26,8 % havaittavan maailmankaikkeuden massaenergiasta ja suurimman osan sen varsinaisesta aineesta. Pimeän energian osuus on 68,3 % ja tavallisen aineen 4,9 %.
Ensimmäisenä pimeän aineen olemassaoloa ehdotti Fritz Zwicky Kalifornian teknillisestä yliopistosta (Caltech) vuonna 1933 pääteltyään sen Coman galaksijoukon galaksien liikkeistä, jotka eivät vastanneet galaksien oletettua massaa. Nykyäänkään pimeän aineen koostumuksesta ei olla varmoja, ja kyseessä saattaisi olla esimerkiksi toistaiseksi tuntematon subatominen hiukkanen.
Pimeä aine voidaan jakaa kahteen luokkaan: kylmään ja kuumaan pimeään aineeseen. Kuuma pimeä aine liikkuu lähes valonnopeudella, kun taas kylmä pimeä aine liikkuu selvästi hitaammin. Tunnetut neutriinolajit ovat kuumaa pimeää ainetta. Suuren nopeutensa vuoksi neutriinot eivät voi jäädä kiertämään galaksia eivätkä ne näin ollen selitä galaksien puuttuvaa massaa. Neutriinojen on arvioitu vastaavan noin 0,5 %:sta maailmankaikkeuden massaenergiasta. Täten kylmän pimeän aineen osuudeksi jäisi 26,3 %.
Alun perin pimeän aineen hypoteesi kehitettiin selittämään anomaalisia astronomisia havaintoja. Zwicky sovelsi viriaaliteoreemaa muutamiin galaksijoukkoihin ja havaitsi joukkojen massojen olevan hyvin paljon suurempia kuin niiden kirkkauden perusteella massa-luminositeettisuhteesta voidaan laskea.
Tunnetuin esimerkki tarpeesta pimeälle aineelle liittyy galaksien rotaatiokäyrän muotoon. Tämä käyrä esittää tähtien liikkumisnopeuden galaksin ympäri niiden galaksin keskeltä mitatun etäisyyden funktiona. Jos galaksin massajakauma vastaa siinä näkyvien tähtien ja kaasun jakaumaa ja jos tämän massan aiheuttama painovoima on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön, rotaatiokäyrän tulisi laskea etäisyyden kasvaessa. Näin ei kuitenkaan käy. 1970-luvulla Vera Rubin osoitti, että galaksien rotaatiokäyrät eivät laske, vaan rotaationopeus galaksin ympäri on likimain vakio etäisyydestä riippumatta. Koska tähtitiheys laskee jyrkästi galaksin ulko-osia kohti, rotaatiokäyrää "nostaa" jokin näkymätön massa.
Pimeä aine jättää jälkensä myös kosmiseen taustasäteilyyn. Ensimmäinen kartta kosmisesta taustasäteilystä laadittiin COBE-satelliitin mittausten perusteella vuonna 1992. Sen mukaan noin 85 % maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta. Myöhemmin WMAP- ja Planck-satelliitit ovat vahvistaneet COBEn tulokset ja tarkentaneet niitä.
Pimeä aine näkyy myös galaksijoukkojen muodostamissa gravitaatiolinsseissä. Tutkimalla galaksijoukon painovoimakentän vääristämiä kuvia joukon takana sijaitsevista galakseista, saadaan määritettyä linssinä toimivan galaksijoukon massajakauma ja kokonaismassa. Vertaamalla tulosta galaksin tähtien ja kaasun emittoimasta valosta laskettavissa olevaan massaan ja erityisesti näkyvän aineen jakaumaan, osoittautuu, että galaksijoukkojen massasta suurin osa on pimeää ainetta. Gravitaatiolinssi-ilmiön erityinen vahvuus on, että sillä saadaan riippumaton käsitys pimeän aineen jakaumasta. Tällä menetelmällä onkin voitu osoittaa, ettei pimeän aineen jakauma seuraa suoraan näkyvän aineen jakaumaa.
Pimeän aineen tutkimuksen kannalta mielenkiintoisia ovat myös alhaisen pintakirkkauden galaksit. Näiden massa vastaa tavanomaisen kääpiögalaksin massaa, mutta niissä on vain hyvin pieni määrä tähtiä. Näissä galakseissa, joita tunnetaan useita tuhansia, jopa 95 % kokonaismassasta muodostuu muusta kuin valaisevasta materiaalista. Mielenkiintoinen kohde on myös Virgo HI21. Siitä radioaallonpituuksilla tehdyissä havainnoissa nähdään kokonaan neutraalista vedystä muodostuva galaksi, mutta optisesti alueelta ei havaita lainkaan tähtiä.
Pimeän aineen tarve seuraa kiinteästi myös alkuräjähdykseen liittyvistä teorioista.