8.14 Pimeän aineen hiukkasparadigma

Etusivu ／ Luku 8: Paradigmateoriat, joita Energiasäieteoria haastaa

Kolmiportainen tavoite

• Auttaa lukijaa ymmärtämään, miksi ”pimeän aineen hiukkasia” on pitkään käytetty selittämään ylimääräistä vetovoimaa ja rakenteiden kasvua.
• Tuoda esiin haasteet pienillä skaaloilla, eri havaintomenetelmien välillä ja suorissa etsinnöissä.
• Esittää yhtenäinen uudelleenmuotoilu: asettaa keskiöön Tilastollinen tensorigravitaatio (STG) (ks. 1.11) ja käyttää yhtenäistä tensori-ydintä selittämään sekä dynamiikan että linssauksen ilman pimeitä hiukkasia; mikrotason syöttö syntyy Yleistetyistä epävakaista hiukkasista (GUP) kertyvän ”vedä–sirota”-tilastollisen vaikutuksen kautta; säteilypuolella tätä täydentää Tensoriaalinen taustakohina (TBN) (ks. 1.12). Jäljempänä käytämme kauttaaltaan täysmuotoisia nimityksiä: yleistetyt epävakaat hiukkaset, tilastollinen tensorigravitaatio ja tensoriaalinen taustakohina.

I. Miten nykyinen paradigma kuvaa ilmiötä

1. Perusväite
   Universumissa on ainekomponentti, joka ei säteile valoa, vuorovaikuttaa heikosti sähkömagneettisesti, on lähes kylmä, matalapaineinen ja jota voidaan kuvata törmäämättöminä hiukkasina.

• Tämä komponentti muodostaa varhain halo-tyyppisen ”telineen”, johon tavallinen aine vajoaa muodostaen galakseja ja galaksijoukkoja.
• Galaksien kiertokäyrät, gravitaatiolinssaus, joukkojen dynamiikka, kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) akustiset huiput ja barioniset akustiset värähtelyt (BAO) voidaan yhteensovittaa kehyksessä ”näkyvä + pimeä halo”.

2. Miksi lähestymistapa on suosittu

• Parametri­taloudellisuus: pieni joukko makroparametreja riittää sitomaan monenlaiset havainnot ensimmäisen kertaluvun yhtenäisyydeksi.
• Kypsät työkalut: N-kappalesimulaatiot, puoli-analyyttiset mallit ja hydrodynaamisten takaisinkytkentöjen ketjut ovat käyttökelpoisia.
• Intuitiivinen kertomus: ”Lisävetovoima = enemmän (näkymätöntä) massaa.”

3. Miten sitä tulisi tulkita
   Taustaltaan kyse on ilmiöpohjaisesta täsmäytyksestä: ylimääräinen vetovoima kirjataan ylimääräiseksi massaksi. Kysymykset ”mitä hiukkaset ovat” ja ”miten ne vuorovaikuttavat” siirretään kokeellisille etsinnöille; yksityiskohtia pehmennetään usein takaisinkytkennöillä ja parametrien hienosäädöllä.

II. Havaintojen haasteet ja kiistat

1. Pien-skaalainen kriisi ja ”liian siistit” skaalauslait

• Toistuvat ongelmat, kuten kääpiögalaksien puute, ”liian suuri epäonnistumaan” -ilmiö sekä ydin–reuna-muodot, vaativat usein voimakasta takaisinkytkentää ja moniparametrista säätöä.
• Dynamiikassa esiintyy poikkeuksellisen tiukkoja empiirisiä suhteita (esimerkiksi barioninen Tully–Fisher ja radiaalisen kiihtyvyyden relaatio): näkyvän massan ja ulkolevyn vetovoiman välinen skaalaus asettuu lähes ”yhdelle viivalle”, mikä törmää sattumanvaraiselta ”törmäämättömät hiukkaset + takaisinkytkentä” -kehikossa.

2. Linssaus–dynamiikka-ero ja ympäristötermit
   Joissakin kohteissa linssauksesta johdettu massa ja dynaaminen massa poikkeavat hieman mutta systemaattisesti; samantyyppiset kohteet erilaisissa suur-skaalan ympäristöissä tai suunnissa näyttävät heikkoja, samaan suuntaan asettuvia jäännöksiä. Jos kaikki kuitataan ”järjestelmävirheiksi/takaisinkytkennäksi”, diagnostinen voima heikkenee.
3. Galaksijoukkojen törmäysten monimuotoisuus
   Yksittäisiä tapauksia löytyy, jotka tukevat intuitiota ”pimeä aine erottuu”, mutta on myös kohteita, joissa massa–kaasu–galaksi-sijoittuminen ei sovi tähän kuvaan. Eri järjestelmät vaativat usein erilaisia mikrofysikaalisia muunnelmia (itsevuorovaikutus, lämmin/sumea jne.), jolloin selitys pirstoutuu tilkkutäkiksi.
4. Pitkä tyhjiö suorissa etsinnöissä
   Suora detektio, kiihdytinkokeet ja epäsuorat signaalit ovat toistuneet kierros kierrokselta ilman kiistatonta positiivista tulosta; mikrotason identiteetti on muuttunut yhä epävarmemmaksi.

Lyhyt johtopäätös
”Haloon lisätty massa” toimii ensimmäisen kertaluvun tasolla, mutta pienten skaaloiden siisteyden, menetelmärajapintojen pienten erojen, tapauskohtaisen kirjavuuden ja mikrotason tyhjiön yhdistelmässä yhtenäisyys nojaa yhä enemmän paikkaamiseen ja parametrien virittämiseen.

III. Uudelleenmuotoilu energiasäieteorian (EFT) näkökulmasta

Yhden lauseen tiivistys
Kirjoitetaan ”ylimääräinen vetovoima” ”näkymättömistä hiukkasista” tilastolliseksi tensorigravitaatioksi: annetusta näkyvän aineen jakaumasta yhtenäinen tensori-ydin tuottaa suoraan ulkolevyn vetokentän; sama tensori­potentiaalin peruskartta ohjaa sekä dynamiikkaa että linssausta ilman pimeitä hiukkasia. Mikrotason syöttö syntyy yleistettyjen epävakaiden hiukkasten elinaikaisesta vetovaikutusten summautumisesta (tilastollinen tensorigravitaatio) ja hajoamisvaiheen säteilytäydennyksestä (tensoriaalinen taustakohina).

Havainnollistava vertaus
Kyse ei ole ”näkymättömän hiekan kaatamisesta levyyn”, vaan ”jännitysmerestä”, joka kohtaa näkyvän aineen ja itsejärjestyy venytetyksi verkoksi: verkon kuvio (yhtenäisen tensori-ytimen seuraus) ohjaa liikkeen kohti tiettyä ulkoista vetovoimaa. Nopeuskentät ja valonsäteiden reitit näyttävät saman verkon kaksi projektiota.

Energiasäieteorian uudelleenmuotoilun kolme ydinkohtaa

1. Hiukkaset reagoijiksi: massan lisäämisestä vasteen lisäämiseen
   Ylimääräinen vetovoima ei enää synny ”näkymättömän massavarannon lisäämisestä”, vaan lasketaan konvoloimalla yhtenäinen tensori-ydin näkyvän tiheyskentän kanssa:

• Ytimen fysikaalinen merkitys: energiameren tilastollinen ”venyvyys/kuroutuvuus” suhteessa näkyvään rakenteeseen (susceptibiliteetti).
• Ytimen koostumus: isotrooppinen perusosa, joka hiipuu skaalan kasvaessa, sekä anisotrooppinen osa, joka kytkeytyy ulkokenttiin ja geometriaan (näköviivan integraatio ja ympäristö).
• Ytimen rajat: paikalliskokeissa palauttaa tavanomaisen gravitaation; pitkillä poluilla ja matalissa kiihtyvyyksissä tuottaa erottuvaa käyttäytymistä.

2. ”Siisteys” nousee rakenteelliseksi projektioksi
   Barioninen Tully–Fisher-suhde ja radiaalisen kiihtyvyyden relaatio syntyvät luonnostaan yhtenäisen tensori-ytimen projektiona:

• Näkyvä pintatiheys ja ytimen vaste asettavat yhdessä nopeusasteikon.
• Matalan kiihtyvyyden rajalla ulkoinen vetovoima skaalaa lähes potenssilain tavoin barionien kanssa.
• Ytimen kyllästymis- ja siirtymämuoto rajaa hajonnan pieneksi ilman, että galaksikohtaiset palautemekanismit ”asettuvat sattumalta” kohdalleen.

3. Dynamiikka ja linssaus ”yhdellä kartalla”
   Sama tensori­potentiaalin peruskartta ja sama ydin tulee yhtä aikaa pienentää:

• kiertokäyrien jäännöksiä,
• heikon linssauksen konvergenssin (κ) jäännöksiä,
• vahvan linssauksen aikaviiveen hienoja ajautumia.
  Jos kukin näistä vaatii eri ”paikkakartan”, yhtenäinen uudelleenmuotoilu ei saa tukea.

Testattavia vihjeitä (esimerkkejä)

• Yksi ydin moneen käyttöön (kova testi): sovita samassa galaksissa tai joukossa kiertokäyrät ja heikon linssauksen κ samalla ytimen parametrisaatiolla ja ennusta siitä vahvan linssauksen aikaviive; kolmen jäännöskentän tulisi konvergoida samaan suuntaan.
• Ulkokenttävaikutus (ympäristötermi): satelliitti- ja kääpiögalaksien sisäiset nopeusjakaumat vaimenevat tai voimistuvat isäntä-ulkokentän voimakkuuden mukaan ja jakavat saman suosittusuunnan.
• Jäännösten ”kompassi”: nopeuskenttien ja linssauskarttojen jäännökset suuntautuvat samansuuntaisesti ja osoittavat kohti samaa ulkokenttää; kun nämä yhdistetään tensori­topografian pikseleiksi, voidaan selittää hienovaraisia etäisyys–punasiirtymä-anisotropioita.
• Joukkojen törmäysten yhtenäinen tulkinta: näkyvä jakauma + ulkokentät tuottavat tilastollisen tensorigravitaation alla konvergenssihuiput, joiden suunta ja muoto vastaavat havaintoja ilman tapauskohtaisia ”pimeä hiukkanen” -paikkauksia.
• Paikallinen palautuvuus: laboratoriossa ja aurinkokunnan mitoissa ytimen lyhyen kantaman raja supistuu tavanomaiseksi gravitaatioksi, eikä lähikenttäristiriitaa synny.

Tämän osion yhteenveto

1. Pimeän aineen hiukkasparadigma selittää ylimääräisen vetovoiman ylimääräisenä massana ja onnistuu ensimmäisellä tasolla; kuitenkin pienten skaaloiden siisteyden, menetelmärajapintojen erojen, tapauskohtaisen kirjavuuden ja mikrotason tyhjiön paineessa se tukeutuu yhä enemmän paikkauksiin ja säätöihin.
2. Tilastollinen tensorigravitaatio + yhtenäinen tensori-ydin uudelleentulkitsee samat aineistot:

• tuottaa ulkolevyn vetovoiman suoraan näkyvästä tiheydestä ilman hiukkasten lisäämistä,
• yhdistää dynamiikan ja linssauksen käyttäen samaa tensori­potentiaalin peruskarttaa,
• muuntaa samansuuntaiset ja ympäristöstä riippuvat jäännökset tensori­topografian pikseleiksi.

3. Jos ”yksi ydin moneen käyttöön” pätee yhä useammassa järjestelmässä, tarve pimeän aineen hiukkasille väistyy; silloin ”ylimääräinen vetovoima” näyttäytyy pikemminkin energiameren tilastollisena vastauksena kuin toistaiseksi havaitsemattomana hiukkasperheenä.