Aarrekartan kertomaa
Kun maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen havaitsemisesta myönnettiin vuonna 2011 Nobelin palkinto, Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia totesi taustamateriaalissa, että siitä (kenties) vastuussa oleva pimeä energia on fysiikan ehkä suurin arvoitus.
Iso kysymys on se, onko kyseessä tyhjään tilaan liittyvä energia. Se olisi outoa, mutta ainakin kyse olisi jostain mikä tunnetaan. Jos havainnot osoittaisivat, että pimeän energian energiatiheys (energian määrä kuutiometrissä) ei ole aina sama, se ei voi olla tyhjän tilan energiaa. Tämä olisi ainakin yhtä suuri löytö kuin avaruuden laajenemisen kiihtyminen.
Huhtikuussa DESI-tutkimusryhmä julkisti DESI-teleskoopin ensimmäiset havainnot, jotka vihjasivat siitä, että energiatiheys muuttuu ajassa. Viime keskiviikkona DESI-ryhmän jäsen Sesh Nadathur Portsmouthin yliopistosta Iso-Britanniasta puhui Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarien sarjassa uusista tuloksista, jotka julkistettiin juuri puhepäivänä. (Sesh oli yhdeksän vuotta sitten postdoc-tutkijana Helsingissä.) Nyt ryhmä on analysoinut teleskoopin ensimmäisenä vuonna tekemät havainnot.
DESI mittaa galaksien paikkoja ennennäkemättömän tehokkaasti ja tarkasti. Teleskooppi näkee galakseja noin 11 miljardin vuoden päähän – koska valo kulkee äärellisellä nopeudella, kun katsoo kauas, näkee menneisyyteen.
DESIn kolmiulotteinen galaksikartta kertoo sen, miten maailmankaikkeus on laajentunut. Yksi tapa on katsoa miltä varhaisessa maailmankaikkeudessa kulkeneiden ääniaaltojen jalanjäljet näyttävät. Osaamme laskea, että galaksien jakaumassa taivaalla pitäisi näkyä kehiä, joiden säde on nykyään noin 500 miljoonaa valovuotta: sekä kehän keskellä että reunalla on keskivertoa enemmän galakseja.
Nämä kehät venyvät ja pullistuvat sen mukaan, miten maailmankaikkeus laajenee, joten havainnoista voi päätellä, miten maailmankaikkeus on laajentunut.
DESI on nopeasti kerännyt maailman isoimman kokoelman näitä kehiä, ja se käyttää myös muita mittareita laajenemisnopeuden selvittämiseen. DESI-ryhmä on petrannut myös teoreettista mallintamista. Uudet tulokset vievät samaan suuntaan kuin huhtikuun osittaiset havainnot: pimeä energian energian tiheys ehkä muuttuu ajan myötä. (Tai sitten vastuussa ei ole pimeä energia.)
Aiemmin DESIn tuloksia arvosteltiin siitä, että suuri osa poikkeamasta näyttää tulevan galakseista, jotka ovat tietyllä etäisyydellä meistä – niistä saapuva valo lähti liikkeelle noin kuusi miljardia vuotta sitten. Jotkut esittivät, että tämä kenties viittaa siihen, että noiden galaksien analyysissä on ongelma. DESI on kuitenkin toistanut analyysin vaihtamalla niitä koskevat havainnot aiemman riippumattoman projektin havaintoihin, eikä tulos muutu merkittävästi.
Muutenkin analyysi vaikuttaa huolelliselta. Sen sijaan tilastollisesti tulos ei vielä ole vahva. Yksi ongelma on se, että toistaiseksi DESIn havainnot pitää yhdistää havaintoihin kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksista ja supernovien kirkkaudesta, ja eri tutkijaryhmät saavat supernoville erilaisia tuloksia analyysitavasta riippuen.
DESIn kolmen vuoden havaintoihin perustuvat tulokset julkistetaan maaliskuussa 2025. Havaintoja oli alun perin tarkoitus tehdä viisi vuotta, mutta nyt näyttää siltä, että projektia ehkä jatketaan seitsenvuotiseksi. Kun koko data on kerätty, sitä on niin paljon, että supernovia ei enää tarvita. Nykyiset tulokset voivat olla sattumaa tai systemaattinen virhe, tai ensimmäinen pilke mullistavasta löydöstä.
Euroopan avaruusjärjestö ESAn kosmologiasatelliitti Euclidin ensimmäiset tulokset julkaistaan nekin maaliskuussa 2025, mutta kosmologisesti merkittäviä havaintoja jouduttaneen odottamaan vuoteen 2026. Seshin mukaan Euclid ei saa DESIä kiinni kuin vasta vuosien päästä, jos koskaan, mitä tulee galaksien paikkojen mittaamiseen: DESI ehtii ensin.
Mutta toisin kuin DESI, Euclid mittaa galaksien paikkojen lisäksi myös niiden muotoja, ja nämä havainnot yhdistämällä se voi saada tarkempia tuloksia. Ainakin DESIn uudet tulokset antavat Euclidille maalin mihin tähdätä.
DESI tuli myös tuli lähelle tunnetun aarteen sijaintia: se melkein mittasi neutriinoiden massat. Maan päällä tehdyistä havainnoista on määritetty neutriinoiden massojen väliset erot, mutta ei massojen itsensä arvoja. Massojen erot yhteen laskemalla saadaan alaraja massojen summalle. Kun DESIn galaksihavainnot yhdistää Planck-satelliitin kosmisen mikroaaltotaustan havaintoihin, saadaan yläraja massoille, joka on vain 20% alarajaa isompi. Tämän raon umpeen kurominen ei kestäne kauan: jokin koe, kenties DESI tai Euclid, saa pian selville neutriinoiden massojen summan. Näin niistä tulee ensimmäiset hiukkaset, joiden massat on mitattu taivaalla eikä laboratoriossa.
Absoluuttinen aika-avaruus ja Lorentz-symmetria tarkoittanee, että ajassa muuttuva tyhjöenergian tiheys (tai muu suure) muuttuu myös tilan suhteen, eikö vain?
Kyllä, jos pimeän energian tiheys on erilainen eri aikoina, se on erilainen myös eri paikoissa. Aikariippuvuus on havaintojen mukaan hyvin pientä (tiheys muuttuu miljardissa vuodessa hieman), jos sitä on ollenkaan, ja myös paikkariippuvuus on pieni.