Galaksit maailmankaikkeudessamme näyttävät saavuttavan mahdottoman suorituksen. Ne pyörivät sellaisella nopeudella, että niiden havaittavan aineen tuottama painovoima ei mitenkään voisi pitää niitä kasassa; niiden olisi pitänyt repiä itsensä hajalle jo aikoja sitten. Sama pätee myös galaksijoukkoihin, mikä saa tutkijat uskomaan, että taustalla on jotain, mitä emme näe. He uskovat, että jokin, jota emme vielä pysty suoraan havaitsemaan, antaa näille galakseille ylimääräistä massaa, joka synnyttää ylimääräisen painovoiman, jota ne tarvitsevat pysyäkseen ehjinä. Tätä outoa ja tuntematonta ainetta kutsuttiin ”pimeäksi aineeksi”, koska se ei ole näkyvissä.
Pimeä aine
Toisin kuin tavallinen aine, pimeä aine ei vuorovaikuta sähkömagneettisen voiman kanssa. Tämä tarkoittaa, että se ei absorboi, heijasta tai emittoi valoa, mikä tekee siitä äärimmäisen vaikeasti havaittavan. Itse asiassa tutkijat ovat pystyneet päättelemään pimeän aineen olemassaolon vain siitä gravitaatiovaikutuksesta, joka sillä näyttää olevan näkyvään aineeseen. Pimeä aine näyttää olevan noin kuusi kertaa suurempi kuin näkyvä aine, ja sen osuus maailmankaikkeudesta on noin 27 prosenttia. Tässä on raitistuttava tosiasia: tuntemamme aine, josta kaikki tähdet ja galaksit koostuvat, muodostaa vain 5 prosenttia maailmankaikkeuden sisällöstä! Mutta mitä on pimeä aine? Yksi ajatus on, että se voisi sisältää ”supersymmetrisiä hiukkasia” – oletettuja hiukkasia, jotka ovat Standardimallissa jo tunnettujen hiukkasten kumppaneita. Suurella hadronitörmäyttimellä (LHC) tehtävät kokeet saattavat antaa suorempia vihjeitä pimeästä aineesta.
Monien teorioiden mukaan pimeän aineen hiukkaset olisivat tarpeeksi kevyitä, jotta niitä voitaisiin tuottaa LHC:ssä. Jos ne syntyisivät LHC:ssä, ne karkaisivat havaitsijoiden läpi huomaamatta. Ne kuitenkin veisivät mukanaan energiaa ja vauhtia, joten fyysikot voisivat päätellä niiden olemassaolon törmäyksen jälkeen ”puuttuvan” energian ja vauhdin määrästä. Pimeän aineen ehdokkaita esiintyy usein teorioissa, jotka viittaavat Standardimallin ulkopuoliseen fysiikkaan, kuten supersymmetriaan ja ylimääräisiin ulottuvuuksiin. Eräässä teoriassa ehdotetaan, että on olemassa ”piilotettu laakso”, rinnakkainen maailma, joka koostuu pimeästä aineesta, jolla on hyvin vähän yhteistä tuntemamme aineen kanssa. Jos jokin näistä teorioista osoittautuisi todeksi, se voisi auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin maailmankaikkeutemme koostumusta ja erityisesti sitä, miten galaksit pysyvät koossa.
Pimeä energia
Pimeän energian osuus maailmankaikkeudesta on noin 68 prosenttia, ja se näyttää liittyvän avaruuden tyhjiöön. Se on jakautunut tasaisesti koko maailmankaikkeuteen, ei vain avaruudessa vaan myös ajassa – toisin sanoen sen vaikutus ei laimene maailmankaikkeuden laajentuessa. Tasainen jakautuminen tarkoittaa, että pimeällä energialla ei ole paikallisia gravitaatiovaikutuksia, vaan se vaikuttaa globaalisti koko maailmankaikkeuteen. Tämä johtaa hylkivään voimaan, joka pyrkii kiihdyttämään maailmankaikkeuden laajenemista. Laajenemisnopeutta ja sen kiihtyvyyttä voidaan mitata Hubblen lakiin perustuvilla havainnoilla. Nämä mittaukset yhdessä muiden tieteellisten tietojen kanssa ovat vahvistaneet pimeän energian olemassaolon ja antavat arvion siitä, kuinka paljon tätä salaperäistä ainetta on olemassa.