Kosmokseen kirjoitettua

Äänen jalanjäljet

31.5.2022 klo 15.55, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kosminen mikroaaltotausta on yksi tärkeimpiä kosmologisia havaintoja. Se näyttää millainen maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden ikäisenä, 14 miljardia vuotta sitten.

Varhaisina aikoina lämpötila oli niin korkea, että atomit eivät pysyneet kasassa: kun negatiivisesti varattu elektroni ja positiivisesti varattu ydin yhtyivät, fotoni heti rikkoi niiden siteen. Fotoneista, elektroneista ja ytimistä koostuvassa keitossa kulki värähtelyjä –eli ääniaaltoja– noin kolmanneksella valonnopeudesta. Kun maailmankaikkeus laajenee, lämpötila laskee, ja 380 000 vuoden iässä lämpötila oli niin matala, että fotonit eivät enää pystyneet estämään atomien muodostumista. Kun aineesta tuli sähköisesti neutraalia, se ei enää ollut kytköksissä valoon, joka on siitä pitäen matkannut lähes esteettä halki maailmankaikkeuden.

Valo ja aine olivat tiukasti kytköksissä toisiinsa, ja niiden ero oli nopea. Niinpä siellä mistä näemme tulevan enemmän mikroaaltoja oli fotonien lisäksi myös enemmän elektroneja ja ytimiä. Aineen vapauduttua valon ikeestä nämä tihentymät kasvoivat gravitaation takia, ja niihin muodostui galakseja ja muita rakenteita. Tämän takia kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyvistä aalloista pitäisi jäädä jälki myös galaksien jakaumaan.

Yksi hankaluus on se, että suurin osa aineesta ei koostu elektroneista ja ytimistä, vaan on pimeää ainetta. Pimeä aine vuorovaikuttaa hyvin heikosti valon kanssa. Siksi sen jakauma varhaisina aikoina on erilainen kuin näkyvän aineen: näkyvä aine liikkuu yhdessä valon kanssa, pimeä aine tiivistyy yksinään. Näkyvän aineen erottua valosta pimeä aine vetää näkyvää ainetta puoleensa, ja galaksit muodostuvat pimeän aineen tihentymiin. Niinpä aaltokuvio ei näy galaksien jakaumassa yhtä selkeänä kuin kosmisessa mikroaaltotaustassa.

Toisin kuin valo, joka kulkee lähes suoraan avaruudessa, ainehiukkaset klimppiytyvät, mikä sumentaa kuvaa niiden alkuperäisistä paikoista. Galaksien sisällä aine on myllertynyt niin perinpohjaisesti, että on mahdotonta selvittää, mistä kukin hiukkanen on tullut.

Mutta koska maailmankaikkeuden ikä on äärellinen ja aine liikkuu äärellisellä nopeudella, ainehiukkaset ovat ehtineet kulkea vain äärellisen matkan. Ainehiukkasten ja galaksien tyypillinen nopeus on noin tuhannesosa valonnopeudesta, joten ne ovat ehtineet siirtyä alkuperäisiltä paikoiltaan muutama miljoonaa valovuotta. Isommilla etäisyyksillä galaksien jakauma on säilyttänyt alkuperäisen muotonsa.

Tätä voi verrata valokuvaan, jonka kaikkia pikseleitä siirretään sattumanvaraisesti muutaman millimetrin. Pienet yksityiskohdat sumentuvat, mutta isossa mittakaavassa kuvasta saa selvää.

Ennen kuin aineen aaltoilu lakkasi valon ja aineen irrotessa, aallot ehtivät matkata noin 400 000 valovuotta. Sittemmin galaksien etäisyydet ovat maailmankaikkeuden laajenemisen takia venyneet vähän yli tuhatkertaisiksi. Galaksien jakaumassa pitäisi siis näkyä renkaita, joiden halkaisija on noin viisisataa miljoonaa valovuotta, sekä lyhyempiä renkaita, jäänteinä aalloista jotka ovat matkanneet isoimman etäisyyden tai vain osan siitä.

Nämä aallot tunnetaan nimellä baryoniset akustiset oskillaatiot (baryon acoustic oscillations). Sana baryoninen viittaa atomiytimistä ja elektroneista koostuvaan aineeseen, ja akustinen oskillaatio on hieno tapa sanoa ääniaalto. Ne havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 2005, ja niiden ominaisuudet sopivat yhteen kosmisen mikroaaltotausten kanssa.

Näistä ääniaaltojen jalanjäljistä galaksien jakaumassa tuli pian tärkeä kosmologian työkalu. Niillä voi tehdä enemmän kuin vain tarkistaa, saako saman tuloksen kuin kosmisesta mikroaaltotaustasta. Vaikka signaali on sumeampi kuin kosmisessa mikroaaltotaustassa, galaksien jakaumassa on se etu, että sitä voi mitata kolmessa ulottuvuudessa.

Valo ja aine irtosivat 380 000 vuoden aikaan niin nopeasti ja kosminen mikroaaltotausta muuttuu niin hitaasti, että se on meille oleellisesti kaksiulotteinen taivaankartta. Galakseja voimme sen sijaan havaita eri etäisyyksillä.

Kun maailmankaikkeus laajenee, galaksien jakaumaan painautuneet aallot venyvät. Vertaamalla sitä, miltä aallot näyttävät lähellä ja kaukana meistä voi siksi mitata, miten maailmankaikkeuden laajenemisnopeus on muuttunut.

Galaksien jakauman ääniaaltojen jäljet kantavat tietoa sekä varhaisesta maailmankaikkeudesta että myöhemmistä vaiheista. Tämän takia niillä on tärkeä rooli yrityksissä selvittää, mistä johtuu se, että eri havainnot vaikuttavat antavan ristiriitaisia tuloksia siitä, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee nyt. Tämä on tällä hetkellä merkittävin ennusteiden ja havaintojen ero kosmologiassa. Joko havaintojen tulkinnassa on jokin systemaattinen virhe tai sitten on olemassa jotain tuntematonta fysiikkaa, jota ei ole osattu ottaa huomioon.

Havainnot kosmisesta mikroaaltotaustasta ja galaksien jakaumasta ovat sopusoinnussa keskenään, mutta ristiriidassa joidenkin muiden havaintojen kanssa. Jotkut ovat pitäneet tätä vihjeenä siitä, että ristiriidan voi ratkaista peukaloimalla sitä, miten aallot kulkevat varhaisessa maailmankaikkeudessa. Mikroaaltotausta ja galaksien jakauma eivät nimittäin mittaa laajenemisnopeutta suoraan, vaan suhteessa varhaisten aikojen aaltojen pituuteen. Jos aallot silloin kulkivat lyhyemmän matkan, niin nykyisen laajenemisnopeuden pitää olla isompi, jotta taivas näyttäisi samalta.

Toistaiseksi mikään selitys ei ole vakuuttanut kosmologien enemmistöä, ja apua odotetaan ennemmin tarkemmista havainnoista kuin teoreetikkojen pohdinnoista. Avainasemassa on Euroopan avaruusjärjestö ESAn Euclid–satelliitti, jonka on määrä nousta taivaalle ensi vuonna. Sen ohjelmaan kuuluu gravitaatiolinssien lisäksi galaksien jakauman ja erityisesti ääniaaltojen jäljen mittaaminen.