Näkymätön käsi
Pimeä energia on yksi kosmologian keskeisiä tutkimuskohteita, ja olen täällä blogissa kirjoittanut siitä, miten Euclid–satelliitti ja DESI–teleskooppi sitä luotaavat. Kerron nyt hieman pimeän energiasta taustoista ja mitä siitä tiedetään – ja ei tiedetä.
Termin pimeä energia taisi keksiä kosmologi Michael Turner 1990-luvun lopulla kuvaamaan salaperäistä aineen muotoa, jonka gravitaatio olisi hylkivä ja siksi selittäisi juuri havaitun maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisen. Idean juuret juontuvat 1900-luvun alkupuolelle.
Vuonna 1915 fyysikko Albert Einstein ja matemaatikko David Hilbert löysivät yleisen suhteellisuusteorian, joka on yhä perustavanlaatuisin tuntemamme teoria aika-avaruudesta ja gravitaatiosta. Aluksi yleisen suhteellisuusteorian avulla laskettiin planeettojen ja valon liikkeitä Aurinkokunnassa. Teoria selitti onnistuneesti Merkuriuksen radan poikkeaman Newtonin gravitaatioteorian ennusteesta ja ennusti valon taipumisen Auringon lähellä.
Vuonna 1917 Einstein sovelsi yleistä suhteellisuusteoriaa isoimpaan mahdolliseen järjestelmään, koko maailmankaikkeuteen. Einstein ajatteli, että maailmankaikkeuden pitää olla ikuinen ja muuttumaton. Yleisen suhteellisuusteorian ydin on kuitenkin se, että avaruus muuttuu ajassa (ja aika kulkee eri tavalla eri paikoissa).
Einstein ei ollut valmis hyväksymään yleisen suhteellisuusteorian paljastamaa kuvaa kehittyvästä avaruudesta, koska hän oli liian kiinni aiemmassa maailmankuvassa. Hän ratkaisi teorian epätoivotun ennusteen muuttamalla teoriaa. Hän lisäsi mukaan termin, joka on sittemmin tullut kuuluisaksi nimellä kosmologinen vakio. Se saa avaruuden osat tasaisesti hylkimään toisiaan.
Koska tavallinen aine vetää puoleensa ja kosmologinen vakio hylkii, Einstein tasapainotteli niiden vaikutuksen siten että aine ja siten myös avaruus pysyy paikallaan. Tämä ratkaisu, joka nykyään tunnetaan Einsteinin staattisena maailmankaikkeutena, on kuitenkin epävakaa kuin kärjellään seisova kynä.
Jos jossain alueessa on keskivertoa enemmän ainetta, aineen puoleensavetävä gravitaatio voittaa kosmologisen vakion vaikutuksen, ja aine romahtaa. Koska aineen tiheys kasvaa sen romahtaessa kasaan, sen gravitaatiovuorovaikutus on vieläkin isompi, ja alue romahdusnopeus vain kasvaa. Vastaavasti keskivertoa tyhjemmässä alueessa kosmologisen vakion hylkivä vaikutus voittaa, joten se työntää ainetta harvemmaksi. Koska aineen tiheys laskee, kosmologinen vakio on vielä enemmän voitolla, ja laajeneminen alkaa kiihtymään.
Fyysikko Aleksander Friedmann esitti vuonna 1922 yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisun, joka kuvaa laajenevaa maailmankaikkeutta. Siinä tavallisen aineen puoleensavetävä gravitaatio johtaa siihen, että laajeneminen hidastuu. Tämä ratkaisu on vieläkin tärkeä maailmankaikkeuden käytöksen kuvaamisessa. Einstein ei hyväksynyt ajatusta maailmankaikkeuden laajenemisesta, kunnes havainnot 1920-luvun lopulla osoittivat että näin tosiaan tapahtuu.
Einsteinin kerrotaan sen jälkeen kutsuneen kosmologista vakiota suurimmaksi virheekseen. (Tosin Einsteinin myös sanotaan kuolinvuoteellaan todenneen suurimman virheensä olleen se, että hän kehotti Yhdysvaltojen hallitusta rakentamaan ydinaseita.)
Mutta kun kosmologinen vakio oli kerran otettu mukaan, sitä ei ollut mitään syytä heittää pois. Vuosikymmenten ajan kosmologisen vakion avulla välillä selitettiin havaintoja, jotka osoittautuivat virheelliseksi, ja välillä pohdittiin sitä, miksei siitä ole mitään havaintoja.
Teoreettisesti kosmologinen vakio liitettiin tyhjän tilan energiatiheyteen. Kvanttikenttäteoria, mikä on perustavanlaatuisin teoriamme aineesta, ennustaa että tyhjään tilaan liittyy energiaa. Tyhjän tilan energiatiheys on vakio: se on sama aina ja kaikkialla. Niinpä se käyttäytyy tismalleen kuin kosmologinen vakio, ja saa avaruuden kaikki osat hylkimään toisiaan. (Tästä tosin ei ole varmuutta, koska emme täysin tiedä miten kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria liitetään yhteen.) Matemaattisesti kosmologinen vakio ja tyhjön energia ovat aivan samanlaisia, eikä niitä voi erottaa.
Kosmologisen vakion ymmärtäminen tyhjön energiana liittää sen hiukkasfysiikkaan. Monet hiukkasfyysikot ajattelevat, että jos ymmärtäisimme hiukkasfysiikkaa tarpeeksi hyvin, niin osaisimme laskea paljonko energiaa kuhunkin kenttään tyhjässä tilassa liittyy. Toistaiseksi näin osataan kuitenkin tehdä vain yksinkertaisissa teorioissa, jotka eivät kuvaa todellisuutta. Realistisissa hiukkasfysiikan teorioissa, kuten Standardimallissa, tyhjön energian arvoa ei osata laskea.
Pitkään ajateltiin, että koska tyhjön energiaa ei oltu havaittu, sen arvo oli varmaan nolla. Sitten etsittiin periaatetta, joka asettaisi tyhjön energian nollaksi, mutta vakuuttavaa vastausta ei löydetty.
Havainnot 1990-luvulla muuttivat kaiken. Kun kaksi tutkijaryhmää vuonna 1998 ilmoitti havainneensa, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy ja selityksenä on kosmologinen vakio, tämä oli suurin mullistus kosmologiassa sitten 1920-luvun jolloin maailmankaikkeuden laajeneminen oli havaittu. Havainnoista myönnettiinkin Nobelin palkinto vuonna 2011.
Vaikka monet epäilivät näitä havaintoja, kiihtyvä laajeneminen hyväksyttiin varsin pian, etenkin kun muut havainnot tukivat johtopäätöksiä. Havainnoista on kuitenkin vaikea arvioida, onko laajenemisen kiihtyminen tismalleen sellaista kuin mitä tyhjön energia ennustaa, vaiko hieman hitaampaa tai nopeampaa.
Teoreetikoiden työtä on teorioiden esittäminen, joten nopeasti julkaistiin kymmeniä malleja sellaisista aineen muodoista, jotka voisivat saada aikaan kiihtyvän laajenemisen. Tällaisille aineen muodoille, joiden gravitaatio on hylkivä, Turner sitten antoi yhteisen nimen pimeä energia.
Sana pimeä viittaa siihen, että tällaista ainetta ei ole havaittu mitenkään muuten kuin sen gravitaation kautta: se on näkymätön käsi, joka repii avaruuden osia pois toisistaan. Pimeästä energiasta ei ole vieläkään mitään muita todisteita kuin sen vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen.
Pimeän energian vaihtoehtoina ovat se, että isoilla etäisyyksillä tavallisen aineen gravitaatio on hylkivä eikä puoleensavetävä ja se, että kiihtyminen johtuu galaksien ja muiden rakenteiden muodostumisesta maailmankaikkeudessa. Viimeksi mainittu oli pitkään oma keskeinen tutkimuskohteeni, ja tällä hetkellä se vaikuttaa paljon aiempaa epätodennäköisemmältä, ei vähiten siksi, että yhä tarkemmat havainnot ovat lähes 30 vuotta vahvistaneet kosmologisen vakion ennusteita. Vasta viime aikoina on tullut huomattavia säröjä.
Kosmologiselle vakiolle on siis hyviä teoreettisia perusteita ja se on sopinut hyvin havaintoihin. Siihen ei kuitenkaan olla tyytyväisiä. Syynä on se, että havaintojen mukaan maailmankaikkeuden energiatiheydestä on tänään pimeää energiaa noin 70% ja tavallista ainetta 30% (pimeää ainetta 25% ja näkyvää ainetta 5%).
Tämä on outoa. Kun maailmankaikkeus laajenee, tyhjän tilan energiatiheys (eli energia per tilavuus) säilyy samana: kun tilaa tulee lisää, myös siihen liittyvää energiaa tulee lisää. Sen sijaan pimeän aineen ja tavallisen aineen energiatiheys laskee: ainetta ei synny lisää, joten tilavuuden kasvaessa ainetta ja siihen liittyvää energiaa on yhä harvemmassa.
Niinpä varhaisina aikoina tavallisen aineen energiatiheys oli paljon nykyistä isompi, ja tulevaisuudessa laajenemisen kiihtyessä se laskee nopeasti. Se, että satumme elämään aikakautena, jolloin tyhjön ja aineen energiatiheydet ovat suunnilleen samat tunnetaan nimellä yhteensattumaongelma. Kyseessä ei ole ristiriita teorian ja havaintojen välillä, vaan oudolta tuntuva sattumus. Usein tiedettä vie eteenpäin se, että etsitään vastauksia oudolta tuntuviin asioihin, ei vain ristiriitoihin.
Jos pimeä energia ei ole tyhjön energiaa, sen tiheys muuttuu hitaasti ajan myötä, mikä voisi tarjota mahdollisuuden ongelman ratkaisemiseen. Valitettavasti mikään kymmenistä pimeän energian malleista ei kuitenkaan ole pystynyt selittämään yhteensattumaongelmaa tavalla, joka olisi vakuuttanut kosmologien yhteisön.
DESI-kokeen uudet havainnot viittaavat siihen, että pimeän energian tiheys muuttuu ajassa, vaikka vielä toistaiseksi luultavin selitys lienee sattuma tai systemaattiset virheet. Jos havainnot varmistetaan, se on ensimmäinen osoitus siitä, että pimeä energia on muutakin kuin tyhjön energiaa (tai että kyse ei ole pimeästä energiasta), mikä olisi mullistava löytö, ja viitoittaisi kenties tien kohti yhteensattumaongelman ratkaisua.