Kosmokseen kirjoitettua

Fantasiakirjallisuuden arvioimista

30.10.2018 klo 13.21, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Syyskuun lopussa jätin apurahahakemuksen Suomen Akatemialle, kuten noin 3 000 muutakin tutkijaa. Kaikista tieteilijän toimenkuvaan kuuluvista asioista –tutkimus, opetus, popularisointi, vertaisarviointi, hallinto, konsultointi– apurahojen hakeminen on turhauttavinta. Tutkijat usein valittavat siihen menevästä ajasta ja vaivasta. Yksi syy on se, että hakemusten laatimiseen käytetyt tunnit menevät luultavasti hukkaan, koska vain pienelle hakemuksista myönnetään rahaa. Mutta oman kokemukseni mukaan hakemusten tekeminen on raskasta myös siksi, että niiden kirjoittamisen ja muun tieteellisen työn välillä on sisällöllinen, ei vain ajallinen, jännite.

Apurahoja on erilaisia: yksittäisiä konferenssimatkoja tukevia, jatko-opiskelua vuoden kerrallaan tukevia, ja vuodesta kolmeen vuoteen väitelleen tutkijan työskentelyä tukevia. Keskityn tässä monivuotisiin hankeapurahoihin, joista Akatemian hankeapurahat ovat tyypillinen esimerkki. Niitä haetaan vuotta etukäteen neljäksi vuodeksi, ja apuraha kattaa suunnilleen hakijan jatko-opiskelijan palkan sekä matka- ja muita sekalaisia kuluja väitöskirjatyön ajaksi (tai väitelleen tutkijan palkan lyhyemmälle ajalle). Hiukkaskosmologian alalla tämä tarkoittaa sitä, että hanke rahoittaa tutkimusta kolmen artikkelin verran – oikeastaan rahoitus on vain osittaista, koska jatko-opiskelija ei tee tutkimusta yksin vaan yhteistyössä muiden kanssa.

Tästä huolimatta hakemukset pitää laatia kuin hankkeessa olisi kyse merkittävästä harppauksesta, ei vain tavallisesta tutkimuksesta, joka etenee pienin askelin ja odottamattomiin suuntiin. Ristiriitaisesti samalla hakemuksiin kuitenkin pitää laatia tarkat askelmerkit etenemisestä vuosi vuodelta ja aikataulu tulevista tuloksista. Ei siis riitä, että pitää suurennella tutkimuksen merkitystä, vaan pitää myös sepittää sen yksityiskohtainen kulku. Todellisuudessa ei voi tietää viittä vuotta etukäteen miten kaikki tulee sujumaan, ellei mistään muusta syystä, niin siksi, että maailmassa on tuhansia muitakin tutkijoita, joiden löytöjä ja oivalluksia ei kukaan pysty etukäteen arvaamaan.

Kyse on eräänlaisesta fantasiakirjallisuudesta, jossa sekä kirjoittaja että lukija tietävät, että teksti ei ole totta, mutta ihanteena on saavuttaa suspension of disbelief, tila, jossa pystyy laittamaan syrjään sen, että kyseessä on kuvitelma.

Kun tehdystä tutkimuksesta raportoidaan tieteellisissä artikkeleissa, ihanteena on asioiden esittäminen mahdollisimman totuudenmukaisesti, mihin kuuluu työn laittaminen oikeisiin raameihin ja sen puutteiden ja rajoitusten läpikäyminen. Apurahahakemukset ovat tyystin toisenlainen ilmaisun muoto, joka muistuttaa sijoittajien houkuttelemista: niissä myydään tavallista tutkimusta mahdollisena läpimurtona jo ennen kuin sitä on tehty. Luultavasti usein hakemuksissa markkinoitua tutkimusta ei lopulta edes tehdä, koska vain tutkimus voi osoittaa, mitkä tutkimuskysymykset ovat kiinnostavia ja mihin suuntaan kannattaa edetä. (En tiedä millaista riippumatonta seurantaa tästä on tehty, olisi mielenkiintoista lukea tutkimus siitä, miten hakemukset ja toteutunut tutkimus suhtautuvat toisiinsa.)

Apurahat eivät ole erityistä panostusta yliopiston perustehtävien päälle, vaan niillä rahoitetaan myös yliopiston perustoimintaa. Esimerkiksi yliopiston tutkijoiden velvollisuuksiin kuuluu jatko-opiskelijoiden ohjaaminen, ja heitä rahoitetaan usein ohjaajien apurahoilla.

Tilanteen tekee entistä ongelmallisemmaksi se, että hakemusten arvioimisessa on paljon sattumanvaraisuutta. Tämän näkee siitä, miten peräkkäisinä vuosina sama hakemus voi saada aivan erilaisia arvioita: yhtenä vuotena heikkoutena pidetyt piirteet voidaan seuraavana vuonna lukea vahvuudeksi (ja hakemus saada rahoituksen), tai päin vastoin.

Eräs kollegani kertoi, että kun hän haki arvostettua European Research Councilin (ERC) apurahaa, kielteisen arvion perusteluna käytettiin mm. sitä, että suuri osa hänen tutkimuksestaan on julkaistu osana kansainvälistä IceCube-tutkimusryhmää, eikä siis kerro hänen omasta osaamisestaan. Mielenkiintoinen peruste ottaen huomioon, että hakijalla ei itse asiassa ollut ainuttakaan paperia IceCuben kanssa. (Henkilö lähti sittemmin Euroopasta australialaisen yliopiston fysiikan laitoksen johtajaksi.) Mainittakoon, että ERC-hakemusten tekemiseen suositellaan käyttämään vähintään kaksi viikkoa täysipäiväistä työaikaa. Myös akatemiahakemuksen tekemiseen kuluu helposti työviikko, ja hakemuksista on tullut entistä raskaampia vuosien varrella. Tuo ERC-tapaus oli poikkeuksellisen räikeä, mutta selvät faktavirheet arvioissa eivät ole harvinaisia.

Arvioijat ovat tiedeyhteisön jäseniä, joilla ei yleensä ole mitään koulutusta hakemusten arviointiin. Helsingin yliopiston kolmevuotisten apurahojen arviointilautakunnassa istuneena voin todeta, että siinä ei myöskään tarjottu mitään opastusta esimerkiksi omien ennakkoluulojen huomioimiseen arvioinnissa, eikä Akatemiankaan ohjeissa näytä sellaista olevan. Tämä on tavallista: ainoa omalle kohdalleni sattunut poikkeus on Iso-Britannian Royal Society, jonka arvioijille lähetettävään materiaaliin kuuluu teksti- ja videoperehdytys tiedostamattomien ennakkoluulojen huomioimiseen. Tällaisen puute haittaa erityisesti naisia, koska heihin kohdistuu haitallisia ennakkoluuloja.

Apurahaprosessin satunnaisuus ja ongelmat kasautuvat, koska myönnettyjä apurahoja voidaan käyttää kriteerinä seuraavien apurahojen myöntämisessä. Lisäksi ongelmat leviävät muualle tieteelliseen toimintaan, koska apurahojen saamista käytetään tutkijoiden laadun mittarina. Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaani Kai Nordlund onkin todennut, että rahoituksen saaminen on eräs tärkeimpiä meriittejä tieteellisellä uralla etenemiseen, ja se on usein ratkaiseva tekijä professuureja ja muita pysyviä työpaikkoja täytettäessä silloin kun hakijat ovat muuten saman tasoisia. Erityisesti isojen ulkomaisten apurahojen, kuten ERC:n apurahojen, saaminen on noussut yhä tärkeämmäksi. (Sanottakoon, että Helsingin yliopiston fysiikan osasto on menestynyt hyvin apurahojen hakemisessa niin Suomen Akatemialta, ERC:ltä kuin muualtakin.)

Apurahahakemusten laatimisessa on hyvätkin puolensa: siinä pysähtyy miettimään tutkimustaan laajemmasta näkökulmasta ja miettineeksi suuntaa tavallista pidemmälle. Tämä ei kuitenkaan kumoa niitä ongelmia, mitä aiheutuu siitä, että yliopistojen toimintaa, mukaan lukien perustoimintaa, rahoitetaan yhä enemmän kilpaillulla rahoituksella.

Sen lisäksi, että hakemusten tekemiseen haaskaantuu vuosittain kymmeniä tuhansia työpäiviä, sopii kysyä, mikä vaikutus tutkimuksen kenttään on sillä, että tutkijoita koulitaan ajattelemaan tiedettä tavalla, joka näyttää hyvältä hakemuksissa, joiden kriteerit eivät vastaa tutkimuksen todellisuutta ja lupaamaan läpimurtoja hitaamman, perusteellisemman ja arvaamattomamman tutkailun sijaan.

On myös kyseenalaista, onko empiiristä näyttöä siitä, että kilpailutus parantaa tutkimuksen tasoa. Suomi muuten sattuu erään tutkimuksen olemaan malliesimerkki kilpaillun rahoituksen osuuden ja tutkimuksen tehokkuuden välisestä negatiivisesta korrelaatiosta. Tosin, kuten kirjoittajat itsekin toteavat, tarvittaisiin enemmän dataa luotettavien johtopäätösten vetämiseen, mutta heidän arvioonsa ”most of science policy is hardly evidence based” (suurin osa tiedepolitiikasta tuskin perustuu todistusaineistoon) on helppo yhtyä.

Kasvavan kilpailun vaihtoehto on yksinkertainen: kilpaillun rahoituksen osuuden pienentäminen. On erilaisia ideoita siitä, miltä täysin erilainen rahoitustapa näyttäisi, ja niiden hyötyjä ja haittoja olisi syytä pohtia vakavasti. Vaatimaton askel oikeaan suuntaan olisi jatko-opiskelijoiden rahoituksen siirtäminen enimmäkseen kilpaillusta rahoituksesta enimmäkseen yliopistojen tohtoriohjelmien rahoitukseksi ja muun perustoiminnan rahoittaminen vakaalla rahoituksella.

Kilpaillun osan rahoitusta arviointia tulisi lisäksi parantaa: jos arvioita on tarkoitus käyttää tieteellisen laadun arvioimiseen, niiden pitäisi olla toistettavia, arvioijat pitäisi perehdyttää työhönsä asianmukaisesti ja kannustimia pitäisi muuttaa siten, että hakemusten sisältö vastaa tutkimuksen todellisuutta, sen sijaan että olisi irrallinen fantasiamaailma.

Päivitys (01/11/18): Kirjoitus on julkaistu uudelleen Yliopistokäänteen sivuilla, ja Suomen Akatemian tiedeasiantuntija Vera Mikkilä on kommentoinut sitä Twitterissä.

Ikiliikkujan pysäyttäminen

19.10.2018 klo 23.17, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Ensi viikko on tieteen Open Access Week, ja keskiviikkona 24.10. on kello 12-14 Tiedekulmassa tutkimuksen avoimuuteen keskittyvä tilaisuus Kuka omistaa julkaisusi. Tilaisuuden Twitter-tunniste on #kukaomistaajulkaisusi. Minua pyydettiin mukaan, mutta koska olen Palestiinassa, osallistun vain lyhyellä etukäteen nauhoitetulla puheenvuorolla, joka esitetään paneelikeskustelun virikkeeksi. Olen aiemmin kirjoittanut aiheesta täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä, ja muutaman vuoden takainen puheeni asian tiimoilta löytyy täältä.

Aihe on ajankohtainen, koska 4. syyskuuta julkistettiin kymmenen kohdan ohjelma Plan S open accessin toteuttamisesta Euroopassa. Open access tarkoittaa sitä, että tutkimus on kenen tahansa ilmaiseksi luettavissa. Suunnitelman takana on joukko Euroopan kansallisia tiedettä rahoittavia instituutioita, Euroopan komissio ja Euroopan tiedeneuvosto ERC. Suomen Akatemia, joka on (opetusministeriön jälkeen) Suomen tärkein tutkimuksen rahoittaja ilmoitti syyskuun 24. päivä tukevansa Plan S:n tavoitteita ja olevansa mukana edistämässä niitä. Myös nuoria tutkijoita edustavat Euroopan väitöskirjatutkijoiden neuvosto, Marie Curie -alumnien järjestö ja Young Academy of Europe ovat ilmaisseet tukensa.

Plan S:n ydin on se, että vuoden 2020 alkuun mennessä –alle kahden vuoden kuluttua– kaikki tutkimus, jota siihen osallistuvat tahot ovat rahoittaneet, pitää julkaista open accessina.

Nykyään tiedeyhteisö maksaa tieteellisille kustantajille ensin siitä, että tutkimus julkaistaan ja sitten siitä, että sen saa lukea. Open accessin tavoitteena on poistaa jälkimmäinen kustannuserä, ja Plan S on merkittävä askel kohti tätä. Suunnitelmassa on monia hyviä puolia, kuten se, että osallistuvat tahot luovat tarvittaessa kannustimia open access -julkaisujen perustamiselle ja rahoittavat niitä. Tärkeää on myös se, että rahoittajat seuraavat vaatimuksien noudattamista ja rankaisevat niiden rikkomisesta: ilman seurauksia Plan S uhkaisi jäädä vain yhdeksi julkilausumaksi muiden joukossa.

Harvardin yliopiston Open Access Project -hankkeen  johtaja Peter Suberilla on Plan S:stä tarkkanäköisiä kommentteja. Joukko eurooppalaisia tutkijoita on julkaissut suunnitelman vastaisen vetoomuksen, joka on sekin lukemisen arvoinen, vaikka en arvostelua täysin allekirjoitakaan.

Plan S:n vahvuus on se, että se on tieteentekijöiden ja heidän rahoittajiensa välinen sopimus. Open access -toiminnan yksi kompastuskivi on ollut kustantajakeskeisyys. Neuvotteluissa on yritetty vaikuttaa tieteellisiin kustantajiin, jotta nämä muuttaisivat lehtensä avoimesti luettaviksi ja laskisivat hintojaan. Tässä on kaksi ongelmaa.

Ensinnäkin kaupallisten kustantajien tavoitteena on voittojen maksimointi, joten niillä ei ole syytä laskea hintoja kuin pakon edessä. Niin kauan kuin tieteilijät antavat niille tutkimuksensa ilmaiseksi ja ostavat sen sitten takaisin, miksi muuttaa mitään? Tässä on hyvä historiikki tieteellisen kustantamisen kehittymisestä bisnekseksi, jota yksi sen perustajista kuvaili termillä ”perpetual financing machine”, jonka voi vapaasti suomentaa ”kassavirtojen ikiliikkujaksi”.

Toisekseen, tieteellisten kustantajien tarjoamat palvelut ovat vertaisarviointia lukuun ottamatta tarpeettomia, joten niiden hinnasta kiisteleminen on toissijaista. Mitä tulee julkaisujen avoimeen saatavuuteen, se on fysiikassa ja matematiikassa toteutettu jo yli 25 vuotta sitten: julkaisut laitetaan ilmaiseen nettiarkistoon arXiv, josta ne ovat kaikkien luettavissa.

Todellinen ongelma on vertaisarvioinnin järjestäminen kustannustehokkaalla tavalla. Tämäkin on ratkaistu: nk. overlay-lehdessä artikkelit julkaistaan vain ilmaisessa arkistossa kuten arXivissa, ja lehti hoitaa ainoastaan sen mihin sitä tarvitaan, eli vertaisarvioinnin. Tämä ei ole utopiaa, vaan toimiva julkaisumalli, jonka tunnetuin esimerkki on matematiikan lehti Discrete Analysis, jonka toimituskuntaan kuuluvat mm. Fields-mitalistit Tim Gowers ja Terence Tao. Omalla alallani on juuri aloittanut Open Journal of Astrophysics, ja muita esimerkkejä löytyy täältä.

Overlay-lehdet säästävät tieteellisen julkaisemisen kuluja tekijällä 400-500 verrattuna nykytilanteeseen ja tekijällä 100-200 kertaa verrattuna tilanteeseen, missä open access olisi kokonaan toteutunut. Mutta siinä missä arXiv kasvoi fysiikassa ja matematiikassa nopeasti tutkimuksen pääasialliseksi viestintäkanavaksi, overlay-lehdet ovat jääneet poikkeukseksi julkaisemisen kentällä.

Syynä on se, että koska tutkijat eivät maksa julkaisemisesta omasta budjetistaan, heillä ei ole syytä kiinnittää huomiota sen hintaan. Niinpä tieteilijät lähettävät artikkelinsa julkaistavaksi tuttuihin vanhoihin lehtiin, joilla on hyvä maine. Samasta syytä heitä ei kiinnosta käyttää aikaa overlay-lehtien perustamiseen.

Onkin valitettavaa, että Plan S:ssä mainitaan ilmaisten arkistojen merkitys ainoastaan arkistoimisen kannalta, ei julkaisemista ajatellen. Kun Plan S:ssä jo sitoudutaan uusien lehtien perustamiseen ja rahoittamiseen, seuraava askel olisi sen tekeminen tavalla, joka on nykyaikainen, kustannustehokas ja lähtee tiedeyhteisön, ei kaupallisten kustantajien, tarpeista.

Päivitys (05/11/18): Avoimen tieteen iltapäivän keskustelusta voi lukea täältä. Mukana on myös video keskustelusta, mukaan lukien lyhyt puheenvuoroni.

Oppitunteja näkymättömästä maailmasta

6.10.2018 klo 13.57, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehden Rihveli numeroon 2/2018 artikkelin otsikolla Oppitunteja näkymättömästä maailmasta. Aiheena on pimeä aine esimerkkinä ymmärryksen hitaasta kasautumisesta fysiikassa. Viimeinen kappale on tämä:

Jos pimeän aineen tarinasta kirjoittaisi puhtaaksi vain lopulta oikeaksi osoittautuvan suunnan, tämä antaisi harhaanjohtavan kuvan siitä, miten tiede toimii. Ei ole viitoitettua polkua totuuteen, eikä yhtä tieteellistä metodia, joka kertoo miten edetä. Monet vihjeet osoittautuvat vesiperäksi, jotkut havainnot virheellisiksi ja useimmat teoreettiset ideat vääriksi. Tuntematonta kartoittaessa ei voi välttyä harharetkiltä.

---

Kissan kanssa laatikossa

29.9.2018 klo 21.06, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin viime viikolla Pariisissa APC-instituutissa konferenssissa The Universe as a Quantum Lab. Nimensä mukaisesti tapaaminen liikkui kvanttifysiikan ja kosmologian yhteisellä, enimmäkseen tuntemattomalla maaperällä.

Tällä hetkellä on kaksi perustavanlaatuista fysiikan teoriaa: yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttikenttäteoria. Suhteellisuusteoria ymmärretään täysin, mutta kvanttifysiikasta on vielä käsittämättä yksi pieni seikka, nimittäin se, miksi maailma arkiskaalalla ei näytä sellaiselta kuin kvanttifysiikka kertoo.

Ei myöskään tiedetä sitä, miten nämä kaksi teoriaa sopivat yhteen, eli mikä on se perustavanlaatuisempi teoria, josta ne ovat approksimaatioita. Asian selvittämistä vaikeuttaa se, että kvanttifysiikalle ominaiset ilmiöt ovat yleensä merkittäviä vain pienessä mittakaavassa, kun taas yleinen suhteellisuusteoria tyypillisesti näyttäytyy vain isoilla etäisyyksillä.

Kosmologia on kuitenkin poikkeus. Varhaisessa maailmankaikkeudessa aineen tiheys on iso ja mittakaavat ovat pieniä, ja tilanteen kuvaamiseen tarvitaan sekä kvanttifysiikkaa että yleistä suhteellisuusteoriaa. On esitetty moneen suuntaan versovia ajatuksia siitä, miten nämä kaksi kohtaavat maailmankaikkeuden alkuhetkinä, esimerkiksi James Hartlen ja Stephen Hawkingin ehdotus, jossa maailmankaikkeus syntyy tyhjästä kvanttivärähtelynä. Toistaiseksi kuitenkin vain yksi idea on tuottanut ennustuksia, joita on onnistuneesti verrattu havaintoihin: kosminen inflaatio.

Inflaation aikana varhainen maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä tahdilla ja sen koko kasvaa ainakin tuhatmiljardismiljardiskertaiseksi. Tämän takia pienet kvanttivärähtelyt venyvät kosmisiin mittoihin ja jäätyvät. Nämä tyhjästä syntyneet epätasaisuudet ovat galaksien siemeniä, ja nykyään taivaalta voi lukea galaksien jakaumasta (sekä kosmisesta mikroaaltotaustasta), millaisia ensimmäisen sekunnin murto-osan kvanttivärähtelyt olivat.

Yksi APC:n konferenssissa käsitelty kysymys on se, kuinka tarkkoja jälkiä inflaation ajan tapahtumista on meille jäänyt. Inflaation aikainen valtava laajeneminen nimittäin pyyhkii epätasaisuuksien jakaumasta pois kvanttifysiikalle leimalliset ominaisuudet. Osaamme laskea, millaisia epätasaisuuksia kvanttivärähtelyt synnyttävät, ja havainnot vastaavat tuloksia. Mutta jokin klassisen fysiikan prosessi voisi periaatteessa synnyttää samanlaisen jakauman – sen kvanttikummallisuutta on vaikea nähdä. (Teknisesti sanottuna vaihtoehtojen välinen interferenssi on pieni.)

Viime aikoina on esitetty kiinnostavia ideoita, siitä miten inflaation kvanttiluonteeseen päästäisiin käsiksi, mutta toistaiseksi ei ole keksitty signaalia, joka olisi tarpeeksi iso, että sen erottaisi. Yritykset ovat kuitenkin osoittaneet sen, että inflaatiossa lähestytään sekä kysymystä kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämisestä että sitä miksi arki ei näytä kvanttifysikaaliselta. Useimmiten nämä kysymykset pidetään erillään.

Kvanttifysiikan teoria kertoo todennäköisyydet eri havainnoille, mutta ei sitä, mikä niistä todella toteutuu. Yleensä ajatellaan, että tila määräytyy kun sitä havaitaan, eikä tarvita tätä yksinkertaista reseptiä enempää. Mutta jos haluaa tarkastella huolella, mitä havaitseminen tarkoittaa, joutuu pian ongelmiin.

Kosmologiassa ongelma tulee vastaan, koska havaitsija ja tutkittava systeemi eivät ole erillisiä, vaan me havaitsijat olemme osa havaitsemaamme systeemiä. Galaksien olemassaolo -ja siis meidän olemassaolomme- perustuu siihen, että nyt havaitsemillamme varhaisen maailmankaikkeuden kvanttivärähtelyillä on tietty arvo, joten tuntuu ylivoimaisen vaikealta ajatella että tämä arvo määräytyisi vasta sitä havaitessa. Kosmologiassa Schrödinger ja kissa ovat samassa laatikossa.

Kun aloin lukea kosmologien tutkimuksia aiheesta, minusta tuntui alkuun, että en oikein ymmärrä, miten kirjoittajat käsittävät tämän havaitsijan ja maailmankaikkeuden suhteen. Pariisin tapaamisessa hahmotin, että aiheen tutkijat eivät itsekään ole asiasta aivan perillä. Hämärä seutu perimmäisten kysymysten liepeillä kiehtoo, ja asiassa on päästy jonkin verran eteenpäinkin, dekoherenssin saralla.

Aina näiden ongelmien pohtimiseen ei ole suhtauduttu yhtä suopeasti kuin nykyään. 70-luvulla kvanttimekaniikan perusteiden tutkimuksella oli niin huono maine, että arvostettu julkaisu Physical Review antoi editoreilleen kirjallisen ohjeen, että jos aihetta koskevassa artikkelissa ei ole analyysiä uusista havainnoista, ainoastaan teoreettista tarkastelua, niin se hylätään suoralta kädeltä ilman vertaisarviointia. Niinpä alan pioneerin John Bellin tutkimusta julkaistiin kirjoituskoneella naputelluissa pienen levityksen lehtisissä.

Kvanttimekaniikan yhdistämisessä arkeen on kutkuttavaa se, että teorian matemaattinen rakenne on yksinkertainen ja selkeä, mutta havaintojen kuvaaminen siinä vaikuttaa tavattoman monimutkaiselta. Kvanttigravitaation tapauksessa itse teoriakin on oletettavasti vaikeaselkoinen.

APC:n konferenssissa näkyi miten paljon erilaisia ideoita kvanttigravitaatiosta ja kvanttifysiikasta vielä on. Osallistujilla oli erimielisyyksiä muun muassa siitä onko ollenkaan oikein käsitellä aika-avaruuden geometriaa kvanttifysikaalisesti ja siitä kuvaavatko kvanttimekaniikan todennäköisyydet uskomuksia, tietämättömyyttä vai todellisuuden ominaisuuksia? Toisaalta teorioiden ja kokeiden välillä on joskus yllättäviä kosketuspintoja. Esimerkiksi gravitaatioaaltojen havaitsemiseen tarvittavaa teknologiaa testannut satelliitti LISA Pathfinder teki tarkkoja mittauksia peilien vakaudesta avaruudessa, ja ne sattumoisin myös antavat tiukimman rajan tietyille malleille, joissa kappaleiden tila määräytyy koko ajan ilman mitään havaitsijaa.

Kokeiden eteneminen onkin vaikuttavaa. Nykyään laboratoriossa osataan valmistaa ja mitata interferenssi-ilmiöitä, joissa eri vaihtoehdot ovat 54 sentin päässä toisistaan. Schrödingerin kissan sijaan (joka on sekoituksessa elävää ja kuollutta) kokeessa atomi on sekoituksessa tilaa, jossa se valitsee oikealle tai vasemmalle menevän reitin. Schrödinger esitti ajatuskokeensa osoittaakseen, että kvantti-ilmiöiden ei pitäisi ulottua arkiskaaloille, mutta nyt vaihtoehtojen välinen etäisyys on jo kädenmitan verran, vaikka kappaleiden koko onkin kaukana kissoista. Saa nähdä löydetäänkö jotain kiinnostavaa ensin laboratoriossa vai taivaalta.

---

Kaivon äärellä

19.9.2018 klo 01.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vietän syyslukukauden Birzeitin yliopistossa, Länsirannalla, Miehitetyillä palestiinalaisalueilla kosmologiaa luennoiden. Vierailin Birzeitissä ensimmäisen kerran neljä vuotta sitten.

Birzeit oli ensimmäinen palestiinalainen yliopisto ja se on vieläkin arvostetuin. Vuonna 1924 Birzeitin (nimi tarkoittaa oliiviöljykaivoa) kylään perustetusta koulusta se kasvoi vuonna 1975 yliopistoksi. Instituutio on kokenut kovia miehityksen alla. Miehityshallinto on useita kertoja pakolla sulkenut yliopiston – pisin sulku kesti 1980-luvulla 4 vuotta ja 3 kuukautta. Henkilökunta järjesti tällöin luentoja salaa, minkä Israel tuomitsi ”laittomina opetussoluina”, joista määrättiin 10 vuoden vankeusrangaistus.

Nykyään armeija ei puutu yhtä jyrkästi yliopiston toimintaan, mutta Länsirannalle rakennettu erottelumuuri, tarkastuspisteet, suljetut tiet ja muut fyysiset ja byrokraattiset kulun esteet rampauttavat yliopistoja kuten muutakin yhteiskuntaa. Lisäksi miehitysjoukot hyökkäävät kampukselle ja kaappaavat opiskelijoita, erityisesti ylioppilaskunnan hallituksen jäseniä. Tämä miehityksen tunkeutuminen yliopistolle oli yksi inspiraatio yliopistokampukselle sijoittuvalle palestiinalais-suomalaiselle larpille Piiritystila, joka siirsi Palestiinan tilanteen Suomeen. (Minulla oli ilo olla mukana konsulttina ja avustajana; minun ja muiden kokemuksia on kerätty dokumentaatiokirjaan.)

Israel on myös viime aikoina estänyt yhä useammalta ulkomaiselta luennoitsijalta pääsyn Länsirannalle ja alkanut evätä jatkoviisumeita niiltä, jotka jo Birzeitissä. Järjestö Scientists for Palestine yrittää osaltaan estää palestiinalaisten yliopistojen eristämistä järjestämällä konferensseja ja muita yhteyksiä Palestiinan ja muiden maiden opiskelijoiden ja tiedeyhteisön välille.

Näissä olosuhteissa Birzeitin yliopisto on kasvanut ja kehittynyt. Nykyään se on kooltaan noin kaksi viidennestä Helsingin yliopistosta: opiskelijoita on noin 14 000, joista yli puolet on naisia. Fysiikan opinnot aloittaa vuosittain noin 30-40 opiskelijaa. QS World University Rankingin mukaan (mitä tällaiset arviot sitten mittaavatkaan) Birzeitin yliopisto kuuluu maailman yliopistojen 3% kärkeen. Tarkemmin yliopiston vaiheista voi lukea sen pitkäaikaisen johtajan Gabi Baramkin omakohtaisesta kirjasta Peaceful Resistance: Building a Palestinian University Under Occupation.

Vanhemman polven tutkijoista monet ovat väitelleet Neuvostoliitossa, nuoremmista Yhdysvalloissa ja Euroopassa, tutkien esimerkiksi mustia aukkoja säieteoriassa. Birzeitissa tutkimukselle ei kuitenkaan jää juuri aikaa, melkein kaikki päivät menevät opetukseen ja hallintoon. (Kuulemma fyysikoiden katsotaan soveltuvan hallintohommiin erityisen hyvin ja heillä on niitä paljon.) Henkilökunnan jäsenillä on mahdollisuus saada välillä lyhyitä vapaita kausia tutkimusta varten, ja Birzeitin fyysikot vierailevat ulkomaisissa yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa, mutta tämä ei korvaa sitä, että tutkimustyöhön ei voi keskittyä pitkäjänteisesti ja jatkuvasti.

Ongelmana on raha. Miehityksen alla ja sen osana toimiva ja ulkoisesta avusta riippuvainen Palestiinalaishallinto ei rahoita yliopistoja (eikä etenkään tutkimusta) riittävästi. Suurin osa käyttöbudjetista haalitaan lukukausimaksuista; lisäksi on lahjoituksia, joita annetaan erityisesti rakennuksia varten. Koska yliopistolla on talousvaikeuksia, järjestelmä johtaa siihen, että opiskelijoita otetaan sisään löyhin kriteerein budjetin kartuttamiseksi.

Se, että opiskelijoiden valintaperusteisiin vaikuttaa yliopiston rahantarve opiskelijoiden tason kustannuksella ei palvele sen enempää opiskelijoita kuin yhteiskuntaa, vaikka Suomeenkin lukukausimaksuja jotkut ajavat. Järjestelyssä on toki se hyvä puoli, että yliopisto on hallinnosta riippumaton, toisin kuin Suomessa, missä nimellisesti autonomisen Helsingin yliopiston johto seuraa uskollisesti opetusministeriön ohjeita.

Talousvaikeudet näkyvät myös kosmologiakurssin arjessa. Monet opiskelijat ovat töissä rahoittaakseen opintonsa, eivätkä pääse kampukselle joka päivä. Kurssin luennot ovat siksi kaikki samana päivänä, kolme tuntia peräjälkeen, vaikka keskittymisen ja hahmottamisen kannalta ne kannattaisi jakaa eri päiville. Kaikille sopivan laskuharjoitusajan löytäminen on samasta syystä vaikeaa. Onneksi kurssilaisten motivaatio on korkea, ja luennoilla on enemmän kysymyksiä ja vuorovaikutusta kuin Suomessa.

Maisteriopiskelijat saavat stipendejä, mutta kaikki eivät ota niitä vastaan, tai ottavat vain puoliksi ja jatkavat töitä hieman pienemmällä tuntimäärällä. Länsirannan nuorisotyöttömyys on 40%, joten työpaikoista halutaan pitää kiinni. Valmistuminen yliopistosta ei valitettavasti sekään takaa työllistymistä, ja monet päätyvät töihin, joilla ei ole mitään tekemistä opintojen kanssa.

Koulutuksella on kuitenkin kova kysyntä, koska sitä arvostetaan yhteiskunnassa. Palestiinalaisten koulutusaste on korkea, ja pitkään monet Persianlahden maiden lääkärit ja insinöörit olivat kotoisin Miehitetyiltä palestiinalaisalueilta. Vieläkin on se ongelma, että monet parhaista valmistuneista lähtevät ulkomaille, kun apartheid-järjestelmä estää talouden kehittymisen ja polkee poliittisia ja henkilökohtaisia vapauksia. Toisaalta yliopistojen kehittämä laajempi näkökulma, kriittinen tarkastelu ja ajattelun varmuus on omiaan auttamaan vapauden tavoittelussa, ja kuten Suomessa, myös Palestiinassa yliopistoilla on tärkeä rooli kansakunnan kehityksessä.

---

Pimeä sydän

30.8.2018 klo 12.58, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vaikka pimeä aine on paras selitys monille tähtitieteen ja kosmologian havainnoille, varmuuden saisi vain löytämällä pimeän aineen hiukkasen. Tähän on perinteisesti ajateltu olevan kolme tapaa: suora havainto, epäsuora havainto ja kiihdytinhavainto. Suora havainto tarkoittaa sitä, että hiukkanen havaitaan laboratoriossa, epäsuora sitä, että hiukkasen hajoamis- tai annihilaatiotuotteet nähdään taivaalla ja kiihdytinhavainto sitä, että hiukkanen tuotetaan hiukkaskiihdyttimissä.

Neljänneksi mahdollisuudeksi on viime vuosina noussut astrofysikaalinen havainto (astrofysiikka on hienompi tapa sanoa tähtitiede), eli sen havaitseminen, miten pimeä aine vaikuttaa tähtitieteen ilmiöihin. Eräs kiinnostava spekulatiivinen idea tältä saralta on pimeät tähdet. Heti alkuun on syytä kiiruhtaa sanomaan, että tämä nimi (jolla on historiaa elokuvan saralla) on harhaanjohtava. Mustat aukot todella ovat mustia, mutta pimeät tähdet ovat kirkkaita: itse asiassa niille on leimallistase, että ne ovat paljon kirkkaampia kuin tavalliset tähdet. Nimi tarkoittaa vain sitä, että tähden tärkein energianlähde on pimeän aineen annihilaatio.

Useissa pimeän aineen malleissa (kuten nynnyjen tapauksessa) pimeä aine koostuu sekä hiukkasista että antihiukkasista. Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat kevyemmiksi hiukkasiksi, tyypillisesti enimmäkseen fotoneiksi ja neutriinoiksi. Koska maailmankaikkeus laajenee, aineen tiheys laskee ajan kuluessa – eli aine on ennen ollut tiheämpään pakattua. Niinpä varhaisessa maailmankaikkeudessa pimeä aine ja antiaine annihiloituivat esteettä keskenään, mutta tiheyden laskiessa hiukkaset eivät enää löydä toisiaan ja ainetta ja antiainetta jää jäljelle.

Mutta samalla kun maailmankaikkeuden keskitiheys laskee, syntyy tihentymiä kuten galakseja gravitaation kasatessa ainetta. Kun maailmankaikkeus on noin 200 miljoonaa vuoden ikäinen, joissakin harvoissa paikoissa aineen tiheys kasvaa niin isoksi, että ydinreaktiot käynnistyvät: toisin sanoen, tähdet syttyvät. Tavallisten tähtien energianlähde on keskustan fuusioreaktiot. Kun ydinpolttoaine loppuu, tähti romahtaa, räjähtää ja syytää reaktioissa syntyneet alkuaineet pölyksi, josta uudet tähdet ja planeetat rakentuvat.

Koska pimeä aine ei pysty jäähtymään, se ei rusahda kasaan yhtä tehokkaasti kuin tavallinen aine. Tämän takia pienistä klimpeistä, kuten tähdistä ja planeetoista, suurin osa on näkyvää ainetta. Mutta vaikka tähden massasta alle tuhannesosa olisi pimeää ainetta, se voi olla vastuussa suurimmasta osasta tähden energiantuotannosta, koska annihilaatio on erittäin tehokasta. Hiukkasen ja antihiukkasen hävittäessä toisensa kaikki niiden massaa vastaava energia muuttuu hiukkasiksi ja tähden sisällä lämmöksi. Ydinreaktioissa vapautuu vain noin prosentti ydinten energiasta.

Nykyisissä tähdissä pimeällä aineella ei ole havaittavaa roolia, mutta varhaisina aikoina pimeän aineen tiheys oli isompi, joten annihilaatiota oli enemmän. Pimeät tähdet ovat voineet olla tähtien kehityksen ensimmäinen vaihe.

Pimeät tähdet ovat isoja, niiden säde on yli tuhat kertaa Aurinkoa isompi, mutta annihilaatio on tiukasti rajoittunut keskustaan, ja tähtien pinta on melko kylmä, 10 000 astetta. Tavallisten tähtien kasvua rajoittaa se, että niiden kuumasta pinnasta nouseva aurinkotuuli piiskaa ainetta poispäin. Pimeillä tähdillä ei ole tätä ongelmaa, joten ne voivat ahmia kaasua ja pimeää ainetta ja lihoa yhdestä Auringon massasta kymmenen miljoonaa kertaa Aurinkoa raskaammiksi jäteiksi.

Lopulta, miljoonien tai miljardien vuosien jälkeen, tähden pimeä aine loppuu ja tähti romahtaa. Siitä voi syntyä musta aukko. Pimeitä tähtiä onkin ehdotettu ratkaisuksi siihen, että varhaisessa maailmankaikkeudessa näkyy miljardien Auringon massaisia mustia aukkoja. On vaikeaa ymmärtää, miten tavallisista tähdistä ehtii muutamassa sadassa miljoonassa nopeasti niin valtavia mustia aukkoja, mutta pimeiltä tähdiltä se voisi onnistua.

Tämä on kiinnostava selitys, mutta pimeiden tähtien idea tekee myös ennusteita. Ne ovat hyvin kirkkaita, jopa kymmenen miljardia kertaa Aurinkoa kirkkaampia. Vuonna 2021 kiertoradalle nouseva James Webb Space Telescope voisi havaita yksittäisiä pimeitä tähtiä varhaisessa maailmankaikkeudessa.

Muillakin kappaleilla saattaa olla pimeän aineen sydän. Maa kaappaa gravitaatiollaan pimeän aineen hiukkasia Aurinkokunnan kiertäessa ympäri Linnunrataa, ja jos hiukkaset vähän törmäilevät toisiinsa ja Maan atomeihin (kuten nynnyt ja vastaavat hiukkaset tekevät), ne menettävät hiljalleen energiaa ja päätyvät lopulta gravitaatiokuopan pohjalle, Maan ytimeen. Maan gravitaatio on kuitenkin niin heikko, että annihilaatio ei ole kovin voimakasta, ja sen havaitseminen on vaikeaa, etenkin kun vain neutriinot pääsevät maan alta pakoon. Näitä jalkojemme alla tapahtuvan annihilaation tuotteita on etsitty, mutta mitään ei ole löytynyt.

Eräs ajankohtainen idea on pimeän aineen löytäminen gravitaatioaaltojen avulla. Suoraviivaisinta olisi havaita pimeiden tähtien yhtymisestä syntyviä gravitaatioaaltoja. Siitä syntyy erilaisia gravitaatioaaltoja kuin tähtien tai mustien aukkojen törmäyksistä, koska pimeät tähdet ovat isokokoisempia. On myös ehdotettu, että neutronitähdillä on pimeän aineen ydin, joka vaikuttaa siihen, millaisia gravitaatioaaltoja niiden törmäyksissä syntyy. Toistaiseksi on havaittu vain yksi törmäys, jossa ainakin toinen osapuoli on neutronitähti, mutta ensi vuoden alkupuolella toimintaan palaavan LIGO-havaintolaitteen ja sen seuralaisten odotetaan näkevän niitä tulevien vuosien kuluessa roppakaupalla. Suuri havaintomäärä auttaa pienten poikkeamien vaskaamisessa.

Ei tiedetä, koostuuko pimeä aine sekä hiukkasista että antihiukkasista, eikä sitä, ovatko niiden massat ja vuorovaikutukset sopivia pimeiden tähtien muodostamiseksi: voi olla, että niitä ei ole olemassa. Mutta idean tutkiminen osoittaa, miten fysiikan eri haaroilla –hiukkasfysiikalla, tähtien rakenteen tutkimisella ja yleisen suhteellisuusteorian gravitaatioaalloilla– voi olla yllättäviä yhtymäkohtia, ja että ongelmia kannattaa lähestyä monesta suunnasta.

---

Luodin jäljet

20.8.2018 klo 23.18, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Edellisen merkinnän kommenteissa (ja aiemminkin) on kyselty, ennustaako pimeä aine mitään, vai selittääkö se vain jo tehtyjä havaintoja. Kaikissa pimeään aineeseen viittaavissa havainnoissa on kyse siitä, että kappaleet tai valo liikkuvat eri tavalla kuin mitä pelkästään näkyvän aineen perusteella odottaisi. Kun mukaan ottaa näkymätöntä ainetta yhteensä noin neljä-viisi kertaa niin paljon kuin näkyvää, niin havainnot ja teoria loksahtavat kohdalleen.

Mutta kun pimeän aineen hiukkasta ei kovista yrityksistä huolimatta ole löytynyt, nakertaa kysymys siitä, eikö voisikin olla kyse siitä, että emme kunnolla ymmärrä gravitaatiota? Havainnot selittävän uuden gravitaatiolain kehittäminen on kuitenkin osoittautunut vaikeaksi. Tämä johtuu siitä, että kappaleiden ja valon liikkeet poikkeavat odotuksista eri tavalla eri tilanteissa.

On esimerkiksi selvää, että gravitaatio ei voi olla yksinkertaisesti luultua voimakkaampaa, koska näkyvä aine selittää planeettojen ja muiden kappaleiden sekä valon liikkeet Aurinkokunnassa erinomaisesti. Samoin Linnunradan keskustan tienoilla näkyvä aine riittää selittämään tähtien ja kaasun liikkeet. Pimeän aineen pitää siis olla jakautunut eri tavoin kuin tavallisen aineen. Näkyvä aine rutistuu kasaan, koska se voi jäähtyä säteilemällä energiaa pois. Pimeä aine ei pysty samaan (ainakaan yhtä tehokkaasti), ja siksi sen klimpit jäävät isommiksi ja harvemmiksi – ei ole pimeitä aurinkokuntia eikä pimeitä planeettoja. Tietokonesimulaatiot galaksien muodostumisesta varmistavat pimeän aineen erilaisen käytöksen ja selittävät sen jakautumisen galakseissa.

Erään näyttävimmistä esimerkkeistä pimeän aineen oikeaan osuneista ennustuksista tarjoaa 2000-luvun alkupuolella havaittu galaksirypäs 1E 0657-558, tuttavallisemmin luotirypäs. Kyseinen vajaan neljän miljardin valovuoden päässä oleva kokoelma galakseja ja kaasua iskeytyi isomman galaksiryppään läpi hieman yli kolme miljardia vuotta sitten. Senkin tapauksessa on kyse siitä, että näkyvä aine vuorovaikuttaa itsensä kanssa voimakkaammin kuin pimeä aine.

Galaksiryppäissä on paljon enemmän galaksienvälistä kaasua kuin galakseja: galaksit uivat kymmeniä miljoonia asteita kuumassa kaasussa. Galakseja on sen verta harvassa, että kun ryppäät törmäävät, niiden galaksit menevät toistensa ohi ja jatkavat matkaansa suoraan eteenpäin. Ryppäiden kaasukehät sen sijaan iskeytyvät kovasti, hidastuvat ja kuumenevat entisestään.

Galaksit hohtavat näkyvää valoa ja infrapunavaloa, mutta kaasu on niin kuumaa, että se hehkuu röntgensäteitä. Niinpä galaksit ja kaasu on helppo erottaa toisistaan. Alla olevassa kuvassa galaksit ovat valokiekkoja (mukana on myös meidän ja ryppään välissä olevia tähtiä ja muuta roskaa) ja kaasu on väritetty punaisella.

(Kuvan lähde: NASA.)

Luotirypäs ja sen kumppani näyttävät siltä kuin odottaisi: kaasu on jäljessä galakseja, ja sen törmäysrintaman muoto näkyy vielä.

On myös mitattu, miten paljon ryppään kukin osa taittaa takana olevien kohteiden valoa, eli paljonko massaa niissä on. (Lisää gravitaatiolinsseistä täällä.) Massa on väritetty kuvaan sinisellä.

Pimeän aineen mallien mukaan ryppäissä on paljon enemmän pimeää ainetta kuin tavallista ainetta, ja sen hiukkaset menevät toistensa ohi. Niinpä pimeä aine, on liikkunut esteettä samaan paikkaan kuin galaksit, joten valtaosa massasta on samassa paikassa galaksien kanssa, kuten kuvassa näkyy.

Jos pimeää ainetta ei olekaan olemassa, pitää selittää, miksi ryppäissä valo taipuu eniten galaksien kohdalla, vaikka suurin osa tavallisen aineen massasta on kaasussa. Periaatteessa uudessa gravitaatioteoriassa valon taipumisen ei tarvitse olla voimakkainta siellä missä on eniten massaa. On kuitenkin vaikea ymmärtää, miksi taipuminen menisi massan edellä. Toistaiseksi kukaan ei ole onnistunut muotoilemaan gravitaatiomallia, joka olisi sopusoinnussa sekä luotiryppään että muiden havaintojen kanssa.

On tietysti mahdollista, että huomenna joku esittää tällaisen gravitaatiomallin. Mutta tämä ei muuttaisi sitä, että luotiryppään muoto on pimeän aineen ennustus. Varta varten rustatun gravitaatiomallin kohdalla se olisi vain selitys. Sama pätee kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksiin ja useisiin muihin havaintoihin. Pimeän aineen kilpailijat juoksevat nappiin osuneiden ennustusten perässä, huonolla menestyksellä.

Luotiryppään piirteiden ja muiden gravitaatioon perustuvien havaintojen kannalta ei ole väliä, millainen pimeän aineen hiukkanen tismalleen on. Kunhan se vuorovaikuttaa heikosti, liikkuu hitaasti ja vetää ainetta puoleensa, se sopii yhteen havaintojen kanssa. Mutta havainnot antavat yhä parempia rajoja sille, miten heikosti tismalleen pimeä aine voi vuorovaikuttaa. Esimerkiksi luotiryppään avulla voi rajoittaa sitä, miten voimakkaasti pimeän aineen hiukkaset voivat vuorovaikuttaa itsensä kanssa, jotta eivät olisi jääneet galakseista jälkeen. Pimeän aineen hiukkasen ominaisuuksia tiirataankin nykyään kiihdytinten ja laboratoriohavaintojen lisäksi yhä enemmän taivaalta, ja saa nähdä missä niistä saadaan ensiksi kiinni.

Päivitys (21/08/18): Korjattu yksi virhe (tavallinen aine -> pimeä aine).

---

Suunnistuksen lähtökynnys

30.6.2018 klo 11.35, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pimeän aineen hiukkasta ei ole laajoista etsinnöistä huolimatta löytynyt. Koska pimeää ainetta (jos sitä on olemassa) kulkee koko ajan Maapallon läpi, suorin tapa sen havaitsemiseen on katsoa, törmääkö sen tavalliseen aineeseen. Tarvitsee vain ottaa koekappaleeksi kide, eristää se ja odottaa potkuja.

Mitä heikommin pimeän aineen hiukkanen vuorovaikuttaa, sitä harvemmin törmäyksiä tapahtuu. Koska pimeän aineen hiukkasten massatiheys (massa kertaa lukumäärä jaettuna tilavuudella) tiedetään niiden gravitaation havaitsemisesta, hiukkasia on sitä vähemmän mitä raskaampia ne ovat, mikä myös laskee törmäysten tahtia. Tätä ongelmaa voi ratkaista yksinkertaisesti rakentamalla isomman havaintolaitteen: mitä suurempi kohde, sitä enemmän törmäyksiä. Jahdissa onkin siirrytty kiloluokan detektoreista satojen kilojen kautta yli tonnin kohteisiin.

Toisaalta mitä kevyempi hiukkanen on, sitä pienemmän potkun se antaa atomeille. Herkemmän detektorin rakentaminen vaatii enemmän kekseliäisyyttä kuin kohteen kasvattaminen. Toissaviikolla Helsingin yliopiston materiaalifyysikko Kai Nordlund kertoi uudesta menetelmästä, jossa otetaan avuksi kohteen molekyylien tuntemus. Työssä on mukana Helsingin yliopistolta myös pimeän aineen hiukkasfysiikan tuntijat Kimmo Tuominen ja Matti Heikinheimo sekä pimeän aineen tähtitieteelliseen puoleen erikoistunut Peter Johansson, ja joukko materiaalifyysikkoja Teksasin A&M-yliopistolta.

Idea on seuraava. Kun pimeän aineen hiukkanen kulkee koekappaleen läpi, se voi tönäistä kiteen atomeita. Kvanttimekaniikan mukaan on pienin energia, millä atomeille tapahtuu jotain: jos pimeän aineen hiukkasen potku on tätä pienempi, se ei voi tehdä kohteelle yhtään mitään. Tämä lähtökynnys riippuu kiteen rakenteesta. Nordlundin ja kumppaneiden oivallus on käyttää hyväksi sitä, että kynnysenergia riippuu myös hiukkasen tulosuunnasta: on helpompi häiritä kidettä, kun potkii suuntaan, missä atomit tukevat toisiaan vähemmän.

Pimeän aineen hiukkaset liikkuvat sinne tänne siten, että ne ovat keskimäärin levossa Linnunradan suhteen. Koska Aurinkokunta kiertää Linnunrataa, Maapallolla istuvaa havaitsijaa vastaan tulee enemmän hiukkasia siitä suunnasta, mihin Maa kulkee ja vähemmän vastakkaisesta suunnasta. Samalla tapaa törmää useampaan sadepisaraan jos juoksee kohti kulmassa tulevaa sadetta ja harvempaan jos juoksee poispäin.

Kun Maa kiertää Aurinkoa vuoden aikana, kiteen suunta suhteessa tähän pimeän aineen tuuleen muuttuu. Kiistelty DAMA-koeryhmä käyttää tätä pimeän aineen signaalin etsimiseen kohinasta. Nordlundin ja kumpp. hyödyntävät lisäksi sitä, että suunta muuttuu vuorokauden aikana Maapallon pyöriessä akselinsa ympäri. Kun kide kääntyy suhteessa pimeän aineen tuuleen, kynnysenergia muuttuu, joten detektorissa havaittavien potkujen määrä nousee ja laskee yön ja päivän vaihtuessa.

Menetelmä toimii vain silloin, kun pimeän aineen hiukkasten potkujen energia on lähellä kynnysenergiaa. Jos potkut ovat paljon isompia, kide saa kyytiä oli se missä suunnassa tahansa. Jos ne ovat pienempiä, pimeä aine ei pysty häiritsemään kidettä edes heikoimpaan suuntaan töniessään.

Mutta kiteiden energiakynnys on sattumoisin saman kokoinen kuin potkut sellaisilta pimeän aineen hiukkasilta, joiden massa on nykyisten havaintolaitteiden herkkyyden alarajalla, eli protonin massan kymmenyksestä kymmeneen protonin massaan. Tähän alueeseen kurottaminen olisi merkittävä laajennus nykyisiin menetelmiin.

Tällä hetkellä ryhmä kehittää Teksasissa detektorin prototyyppiä. Tähtäimessä on lopulta tonnin painoinen kohde, samaa kokoluokkaa kuin isoimmat nykyiset havaintolaitteet. Projekti on mielenkiintoinen esimerkki siitä, miten pimeän aineen etsiminen tuo yhteen tähtitieteen, kosmologian ja hiukkasfysiikan lisäksi myös kiinteän olomuodon fysiikan.

---

Silmukoiden koukkuamista

28.6.2018 klo 21.21, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Toissaviikolla Helsingissä pidettiin gravitaatioaaltodetektori LISAn kosmologiatyöryhmän kokous. LISAn on määrä nousta taivaalle vasta vuonna 2034, mutta miljardien eurojen projektia suunnitellaan hyvissä ajoin.

En ole LISA-projektissa mukana, joten työryhmien organisoimisen ja projektien hallinnoimisen sijaan seurasin lähinnä esityksiä mahdollisista gravitaatioaaltojen lähteistä, joita LISAn voisi havaita.

LISA näkee varmasti galaksien keskustoissa olevien miljoonia tai miljardeja kertaa Aurinkoa raskaampien mustien aukkojen törmäyksiä. Havainnot auttavat ymmärtämään niiden syntyä ja kasvua, joka liittyy isäntägalaksien kehitykseen tavalla, jota ei vielä täysin ymmärretä. LISA saattaa myös nähdä näihin valtaviin mustiin aukkoihin tiukoilla radoilla syöksyviä kevyempiä kappaleita. Jättiläisten lisäksi LISA pystyy myös seuraamaan sitä, miten muutaman Auringon massan kokoiset mustat aukot kiertävät toisiaan ennen yhteen suistumista. LIGO näkee parien noin viimeisen sekunnin, LISA havaitsee loppua edeltäneet rauhallisemmat hetket vuosia aiemmin. Pidempi havaintoaika auttaa testaamaan yleistä suhteellisuusteoriaa tarkemmin.

Varmojen tähtitieteellisten kohteiden lisäksi kiinnostavia ovat spekulatiiviset hiukkasfysiikkaan liittyvät havainnot, yhtenä niistä kosmiset säikeet.

Kosmiset säikeet ovat kappaleita, joiden leveys on hiukkasfysiikan luokkaa, mutta pituus on kosminen. Säikeiden halkaisija on tyypillisesti paljon protonin sädettä pienempi ja pituus miljardeja valovuosia, eli ne ovat oleellisesti yksiulotteisia kappaleita. (Säieteorian säikeiden kanssa kosmisilla säikeillä ei välttämättä ole mitään tekemistä, vaikka säieteoriassakin sellaisia voi olla.)

Kosmiset säikeet –jos niitä on olemassa– ovat muodostuneet sekunnin ensimmäisen murto-osan aikana hiukkasfysiikan kenttien olomuodon muutoksissa. Tapahtumaa voi hahmotella vertaamalla veden muutoksiin. Nestemäisessä vedessä ei ole mitään erityisiä suuntia, molekyylit poukkoilevat samalla tavalla joka puolelle. Veden jäätyessä molekyylit asettuvat aloilleen säännölliseksi kristalliksi. Kun jäätyminen alkaa eri kohdista, kasvavat kristallit osoittavat eri suuntiin. Kahden kristallin kohdatessa syntyy virhe, kohtaamispinta, joka on erilainen kuin kumpikaan niistä.

Hiukkasfysiikassa on veden sijaan kyse hiukkaskentistä, jotka muuttamat olomuotoaan kun aineen lämpötilan laskee maailmankaikkeuden laajetessa. Kaksiulotteisten pintojen lisäksi voi syntyä yksiulotteisia kosmisia säikeitä ja pistemäisiä monopoleja. Nämä ovat kaikki ovat yhtymäpisteissä syntyneitä virheitä.

Hiukkasfysiikan Standardimallin kenttien muutoksissa ei synny tällaisia jäänteitä, mutta monissa sen laajennuksissa syntyy. Kosmiset säikeet olivat suosiossa 1980-luvulla, jolloin ne kilpailivat kosmisen inflaation kanssa rakenteen synnyn selittämisestä.

Inflaation mukaan maailmankaikkeuden kaiken rakenteen siemenet ovat syntyneet kvanttivärähtelyistä. Vaihtoehtoinen selitys oli se, että aineen epätasaisuudet ovat syntyneet raskaiden säikeiden pyyhkiessä aineen halki ja sekoittaessa sitä. Vastuussa olevien säikeiden paino on huimaa mittaluokkaa: sadan metrin pala painaisi yhtä paljon kuin Kuu.

Kvanttivärähtelyt ja kosmiset säikeet saavat aikaan erilaisia siemeniä. Kosmisesta inflaatiosta vastuussa olevan kentän arvo on kvanttivärähtelyjen takia joissain paikoissa isompi ja toisissa pienempi. Kaikki ain syntyy tästä kentästä. Tämän takia sinne, missä kentän arvo on isompi, syntyy enemmän sekä tavallista ainetta että pimeää ainetta. Kosmiset säikeet sen sijaan vispaavat aineen osasia siten, että aineen tiheys säilyy samana: kun säikeet tekevät jonnekin aallonharjan tavallista ainetta, ne myös synnyttävät aallonpohjan pimeää ainetta.

Kosmisesta mikroaaltotaustasta näkyy yksityiskohtaisesti, millaisista epätasaisuuksista rakenteet ovat syntyneet. 1990-luvulla tehdyt tarkat mittaukset osoittivat, että tavallisen aineen ja pimeän aineen huiput ovat samoissa kohdissa: inflaation ennuste on oikea ja kosmisten säikeiden väärä.

Tappion myötä kosmisten säikeiden hohto hiipui, mutta viime vuosina niistä ollaan taas kiinnostuttu. Yksi syy on herkemmät havaintolaitteet. Vaikka kosmiset säikeillä ei ole pääosaa maailmankaikkeuden tarinassa, ne voivat silti näytellä pientä roolia, jonka havaitsee kun oikein tihrustaa. Mitä kevyempiä säikeet ovat, sitä vähäisempi vaikutus niillä on. Kosmisesta mikroaaltotaustasta on etsitty jälkiä säikeistä, jotka hieman häiritsisivät inflaation synnyttämiä epätasaisuuksia, mutta mitään ei ole näkynyt. LISAsta tulee paljon tarkkasilmäisempi kosmisten säikeiden syynääjä.

Maailmankaikkeuden laajetessa säikeet venyvät avaruuden mukana katkeamatta. Ne myös liikkuvat avaruudessa ja voivat kiertyä itsensä ja muiden ympäri. Jos säie kiertyy lenkille ja koukkaa itsensä kanssa, lenkki voi leikkautua irti. Orpo silmukka sitten säteilee energiansa pois hiukkasina ja gravitaatioaaltoina ja kutistuu olemattomiin. Säikeet myös värähtelevät, mikä sekin synnyttää gravitaatioaaltoja, erityisesti risteämiskohdissa, mistä lenkit ovat leikkautuneet irti ja jättäneet jälkeensä terävän kulman sileän säikeen keskelle.

Gravitaatioaaltojen kautta LISA voi havaita säikeitä, jotka ovat miljoona kertaa kevyempiä kuin ne, mitkä olisivat selittäneet rakenteiden synnyn. Nämä ovat aivan liian kevyitä kosmisen mikroaaltotaustan havaittavaksi, mutta arkisessa mittakaavassa silti valtavan raskaita – millimetri painaisi saman verran kuin Mount Everest.

Uusien hiukkasfysiikan kenttien etsiminen gravitaatioaaltojen kautta on esimerkki siitä, miten fyysikot kehittävät uudenlaisia mittalaitteita ja keksivät odottamattomia tapoja naarata tuonpuoleista, kun mitään uutta ei ole nähty.

---

Myötä- ja vastoinkäymisissä

25.5.2018 klo 13.09, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pimeä aine on selittänyt ja ennustanut onnistuneesti useita erilaisia havaintoja. Toistaiseksi kuitenkin kaikki todisteet pimeän aineen puolesta perustuvat siihen, miten sen gravitaatio vaikuttaa aineen ja valon liikkeisiin. Pimeän aineen hiukkasen löytäminen varmistaisi, että selitys on todella oikea.

Pimeää ainetta on etsitty monin konstein: on syynätty pimeän aineen hiukkasten ja antihiukkasten annihilaation tai hajoamisen merkkejä taivaalta sekä Maan ja Auringon ytimestä, tutkittu pimeän aineen syntymistä hiukkaskiihdyttimissä, luodattu sen vaikutuksia tähtien kehitykseen sekä neutronitähtien rakenteeseen ja törmäyksiin, sekä odotettu sen tönäisyjä maan alla. Toistaiseksi pimeästä aineesta ei ole löytynyt kiistattomia todisteita, kiisteltyjä kylläkin.

Koeryhmä nimeltä DAMA on jo vuosia väittänyt löytäneensä pimeän aineen, mutta muu tiedeyhteisö ei ole vakuuttunut. Yleensä havaintoihin liittyvissä erimielisyyksissä on kyse joko siitä että signaali on uusi, joten mahdollisia systemaattisia virheitä ei ole ehditty syynätä (kuten valoa nopeampien neutriinojen ja BICEP2:n gravitaatioaaltojen tapauksessa), tai siitä että ne eivät ole tilastollisesti merkittäviä, joten lukuja voi tulkita eri suuntiin. DAMAn kohdalla on toisin: koeryhmä on kerännyt dataa vuodesta 1995 asti, ja signaali on samanlainen vuodesta toiseen. Ryhmän maaliskuussa julkistamien uusimpien tulosten myötä DAMA on ilmoittanut löytäneensä pimeän aineen hiukkasen nyt jo 99.999999999999999999999999999999999996% todennäköisyydellä.

Ongelmana on se, että yksikään muu ryhmä ei ole pystynyt toistamaan havaintoja. DAMA on yksi monesta kokeesta, joka etsii merkkejä siitä, että pimeä aine tönii tavallista ainetta. Jos pimeää ainetta on olemassa, niin sitä on kaikkialla Linnunradassa, myös Maapallon kohdalla. Niinpä pimeän aineen hiukkaset toisinaan törmäävät tavallisen aineen hiukkasiin. Tätä on verraten helppo tutkia: otetaan koepala, eristetään se häiriöistä ja odotetaan, tuleeko potkuja.

Pimeä aine vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa heikosti, ja potkujen tahti ja riippuu siitä, millaisesta hiukkasesta on kyse. Tällä tavalla ei löydä aksioneja, steriilejä neutriinoja eikä heksakvarkkeja, mutta menetelmä on omiaan nynnyjen kaltaisten hiukkasten näkemiseen.

Vaikka nynnyt vuorovaikuttavat heikosti, ongelmana ei ole tönäisyjen havaitseminen, vaan niiden erottaminen taustakohinasta. Kaikki aine on radioaktiivista, ja ydinten hajoamisessa syntyvät hiukkaset tärisyttävät koepalaa koko ajan.

Useimmat kokeet erottelevat pimeän aineen ja radioaktiivisuuden signaalit mittaamalla koepalan värähtelyn lisäksi joko valosignaalin tai koepalasta irti lähtevän sähkövarauksen, tai muut kaksi signaalia näistä kolmesta. Radioaktiivisuus ja pimeä aine tuottavat erilaiset yhdistelmät värähtelyä, valoa ja sähkövarauksia. Tällaiset kokeet ovat toisinaan saaneet vihjeitä pimeästä aineesta, mutta lopulta käteen on jäänyt vain entistä vahvempia rajoja sille, miten voimakkaasti pimeän aineen hiukkaset voivat vuorovaikuttaa.

DAMA mittaa vain valonvälähdyksiä, eikä yritäkään erottaa, mitkä yksittäiset potkut ovat peräisin pimeästä aineesta. Sen sijaan koe käyttää hyväkseen liikettämme pimeän aineen tuulessa.

Pimeän aineen hiukkaset kulkevat yhtä lailla eri suuntiin, niin että keskimäärin pimeä aine on levossa Linnunradan suhteen. Kun Aurinkokunta taivaltaa Linnunradan ympäri, liikkeestä aiheutuu näennäinen pimeän aineen tuuli. Maan kiertäessä Aurinkoa kuljemme välillä tuulen suuntaan ja välillä tuulta vastaan. Pimeän aineen hiukkasia kulkee Maapallon halki enemmän tuulta vastaan käydessä ja vähemmän samaan suuntaan käydessä.

DAMA ei välitä potkujen kokonaismäärästä, vaan keskittyy niiden muutokseen ajan myötä. Se näkee maksimin kesäkuun 2. päivä ja minimin puolen vuoden kuluttua siitä, juuri Aurinkokunnan ja Maan liikkeen suuntien perusteella odottaisi, jos kyse on pimeästä aineesta. Myös vuosittaisen vaihtelun muoto ja suuruus vastaa odotuksia. Sama pätee potkujen energiaan: liian kevyet tai vahvat potkut (jotka eivät oletettavasti johdu pimeästä aineesta) eivät vaihtele kuukausien myötä, ainoastaan sopivan suuruiset. Signaali selittyy kauniisti pimeän aineen hiukkasella, jonka massa on noin 10 tai 70 protonin massaa.

Jos havainnoista olisi vastuussa pimeän aineen hiukkanen, joka on niin yksinkertainen kuin mitä yleisimmin odotetaan, niin muiden kokeiden olisi pitänyt nähdä se myös. Toisin sanoen joko pimeä aine on odotettua monimutkaisempaa tai DAMAn koetulosten tulkinta on väärin.

On monia asioita, jotka vaihtelevat vuoden kiertokulussa: lämpötila, kosteus ja niin edelleen. Ne voivat periaatteessa vaikuttaa koelaitteiden herkkyyteen, ja DAMAn koepalassa tiedetään olevan Potassium40-ytimiä, joiden hajoamistuotteista tulee juuri sen suuruinen potku kuin minkä koe näkee. Koeryhmä sanoo kuitenkin käyneensä huolellisesti läpi kaikki mahdolliset tekijät. DAMAn koe sijaitsee Italiassa 1400 metriä Gran Sasso -vuoren alla, hyvin eristettynä monista häiriöistä, kuten taivaalta satavista kosmisista säteistä.

Samassa luolassa DAMAn vieressä makaa kilpailija nimeltä XENON100, eikä se ole nähnyt mitään kuukausittaista vaihtelua signaalissa. Kokeet ovat toki erilaisia. DAMAn ensimmäinen koepala oli 100-kiloinen natriumjodidikristalli, sen seuraaja DAMA/LIBRA 250-kiloinen. XENON100 käyttää nimensä mukaisesti xenonia, jota on yhteensä 165 kiloa nestemäisessä ja kaasumaisessa muodossa. Tämä saattaa selittyä sillä, että pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat eri tavalla eri alkuaineiden kanssa, koska näiden ytimissä on eri määrä protoneita ja neutroneita.

Mutta vaikka on esitetty useita malleja, jotka voivat sovittaa havainnot yhteen, se ei poista sitä, että vain DAMA näkee signaalin. Asiasta pitäisi saada riippumaton vahvistus, ja DAMAlla on hieman epämääräinen maine. Esimerkiksi tismalleen samanlaista koetta ei ole voitu toistaa, koska DAMAn kristalli on patentoitu eikä koeryhmä anna kenenkään muun tehdä samanlaista DAMA on hankkinut yksinoikeuden käyttämänsä kristalliin, eikä salli muiden hankkia samanlaista eikä valmistusmenetelmän julkistamista. (Kristallin valmistaneen yrityksen edustajan mukaan yksinoikeus on tosin jo päättynyt.) On kuitenkin suunnitteilla koe SABRE, joka käyttäisi samantyyppistä natriumjodidikristallia. Koeryhmä laittaisi yhden kristallin Gran Sassoon ja vertailun vuoksi toisen Stawellin kaivokseen Australiassa. Projekti on kuitenkin ilmeisesti vastatuulessa, ja sen toteutuminen ja aikataulu ovat epäselviä.

Jos DAMA on oikeassa, se jää historiaan yhtenä vuosisadan vaihteen merkittävimmistä fysiikan kokeista, joka oli edellä muita ja sai tunnustusta vuosikymmeniä myöhässä. Jos DAMA on väärässä, se unohdetaan esimerkkinä ennenaikaisten väitteiden ja huolimattoman analyysin vaaroista. Tässä vaiheessa ei tiedetä, miten käy: onko DAMA antanut ratkaisevia vihjeitä pimeän aineen odottamattomasta luonteesta, vai onko sen seuraaminen harharetki.

Päivitys (28/05/18): Virhe DAMAn kristallin patentista korjattu.