Kosmokseen kirjoitettua

Aika-avaruuden ainesosat

19.11.2017 klo 22.45, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pecha Kucha –esitykseni Higgs ja maailmankaikkeuden synty päättyi näin:

Higgs-inflaatiossa on sellainen erityispiirre, että Higgs kytkeytyy aika-avaruuteen poikkeuksellisella tavalla, niin että Higgs-inflaation jättämistä vihjeistä taivaalla, erityisesti inflaation aikana syntyneiden gravitaatioaaltojen jäljistä, on mahdollista päätellä mitkä ovat aika-avaruuden ainesosat. Yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka kuvaa aika-avaruutta, on nimittäin erilaisia versioita, emmekä tiedä mikä niistä on oikea: onko yleinen suhteellisuusteoria sellainen kuin sen muotoili Albert Einstein vuonna 1915, 1925, 1930, vai Abhay Ashtekar vuonna 1986, vai aivan muunlainen? Mutta tämän kertominen tarkemmin veisi meidät jo toiseen tarinaan.

Avaan nyt tätä tarinaa, joka kertoo yhdestä tämänhetkisestä tutkimuskohteestani.

Yleinen suhteellisuusteorian ydinajatus on se, että gravitaatio on aika-avaruuden ominaisuus. Vuonna 1915, jolloin Albert Einstein ja David Hilbert viimeistelivät tämän idean täsmällisen muotoilun, se oli täysin uudenlainen ja odottamaton suunta fysiikassa. Kaikkia aiemmin tunnettuja vuorovaikutuksia välitti jokin kenttä aika-avaruudessa, ja ensimmäiset yritykset gravitaation ja suppean suhteellisuusteorian yhteen saattamiseksi yrittivät kulkea samaa reittiä.

Tämä yleisen suhteellisuusteorian perusta todettiin pian oikeaksi ja hyväksyttiin laajalti, mutta Einstein ei levännyt laakereillaan. Ei ole mitään muuta gravitaatiokenttää kuin itse aika-avaruus, mutta mistä aika-avaruus koostuu?

Einstein ja Hilbert olivat lähteneet siitä oletuksesta, että aika-avaruuden kaikki ominaisuudet voi päätellä etäisyyksistä. Idea on helppo ymmärtää: jos tietää pinnan kunkin pisteen etäisyyden jokaisesta muusta pisteestä, tuntee sen muodon kokonaan. Esimerkiksi vuoren lisääminen tasaiseen pintaan kasvattaa vuoren eri puolilla olevien pisteiden etäisyyttä toisistaan suoraa reittiä pitkin mitattuna. (Sen erottaa tasaisen tilan lisäämisestä niiden välille se, että vuori ei kasvata sen ympäri kulkevan reitin pituutta.)

Kaikkien pisteiden etäisyyksiä toisistaan kuvaavaa suuretta kutsutaan nimellä metriikka. Jossain mielessä voi sanoa, että metriikka on se kenttä, joka kuvaa gravitaatiota, mutta toisin kuin vaikkapa sähkökenttä, se on erottamaton osa aika-avaruutta. Einsteinin ja Hilbertin alkuperäistä versiota kutsutaan yleisen suhteellisuusteorian metriseksi muotoiluksi.

Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika-avaruudella on kuitenkin enemmän rakennetta kuin vain etäisyydet, esimerkiksi suunnat. Niinpä teorian määrittämiseksi pitää kertoa, miten suunnat muuttuvat pisteestä toiseen siirryttäessä. (Eli, matemaattisesti ilmaistuna, miten otetaan derivaattoja vektoreista.) Tämän kertoo suure nimeltä konnektio.

Einsteinin ja Hilbertin versiossa suuntien muutokset seuraavat etäisyyksien muutoksesta (eli teknisesti sanottuna metriikka määrää konnektion). Periaatteessa etäisyyksien ja suuntien muutokset ovat kuitenkin toisistaan riippumattomia aika-avaruuden ominaisuuksia. Vuonna 1925 Einstein esitteli uuden version yleisestä suhteellisuusteoriasta, jossa ei oleteta niiden suhteesta mitään. Sittemmin Einstein laittoi idean Attilio Palatinin nimiin, ja nykyään se tunnetaan Palatinin muotoiluna. Tässä versiossa voi sanoa aika-avaruuden koostuvan metriikasta ja konnektiosta. Oleellista on se, miten aine vuorovaikuttaa aika-avaruuden kanssa. Jos aine ei vuorovaikuta suoraan konnektion kanssa, niin metriikka yksin määrää konnektion, ja tulos on sama kuin alkuperäisessä muotoilussa – ainakin jos metriikan ja konnektion vuorovaikutus on yksinkertaisin mahdollinen. Einstein päätyi tähän, ja tämän takia metristä ja Palatini-versiota joskus pidetään vain erilaisina tapoina kuvata samaa teoriaa.

Jos aine kuitenkin kytkeytyy suoraan konnektioon, niin tämä ei määräydy pelkästään metriikasta, vaan riippuu myös aineesta. Tällöin metrinen ja Palatini-versio ovat erilaisia teorioita: koska suunnat muuttuvat eri tavalla näissä teorioissa, niin aine liikkuu eri tavalla.

Suurin osa aineesta vuorovaikuttaa aika-avaruuden kanssa vain metriikan kautta (tai ainakin mahdollinen ero tästä on niin pieni, että sillä ei ole merkitystä). Higgs voi kuitenkin tehdä poikkeuksen. Teoria, jossa Higgsin kenttä on vastuussa kosmisesta inflaatiosta pohjaa siihen, että Higgs kytkeytyy metriikan lisäksi suoraan konnektioon. Tämä vaadittava poikkeuksellinen suora puheyhteys Higgsin ja konnektion välillä onkin syynä siihen, että idea keksittiin melko myöhään. Fedor Bezrukov ja Mikhail Shaposhnikov kehittivät Higgs-inflaation vasta 2007, yli 25 vuotta inflaation keksimisen jälkeen.

Jos Higgsin kenttä on vastuussa inflaatiosta, niin maailmankaikkeus laajenee ja Higgs kehittyy inflaation aikana eri tavalla riippuen siitä, kuvaako aika-avaruutta metrinen vai Palatini-versio yleisestä suhteellisuusteoriasta. Erityisesti Higgsin kvanttivärähtelyt eroavat toisistaan, joten niiden perilliset, kosminen mikroaaltotausta ja galaksien jakauma taivaalla, näyttävät nykypäivänä erilaisilta.

Suurin ero on inflaation synnyttämissä gravitaatioaalloissa. Palatinin tapauksessa gravitaatioaallot ovat paljon heikompia, kenties jopa siinä määrin, että niitä ei voida käytännössä koskaan havaita. Viimeksi turhan innokas BICEP2-koeryhmä ja Planck-tiimi ovat yrittäneet erottaa gravitaatioaaltojen sormenjälkiä kosmisesta mikroaaltotaustasta. Seuraavan sukupolven kokeista kaavaillaan noin sata kertaa tarkempia, mikä riittäisi Higgs-inflaatiossa syntyvien aaltojen havaitsemiseen metrisessä versiossa, mutta ei Palatinissa.

Toisin sanoen, jos oletetaan, että Higgs on vastuussa inflaatiosta, niin kosmisen mikroaaltotaustan mittaukset kertovat, mistä aika-avaruus koostuu: yksin metriikasta vaiko sekä metriikasta että konnektiosta.

On tietysti mahdollista, että inflaatiosta on vastuussa jokin muu kenttä kuin Higgs: ehdokkaita on satoja. Higgsin tarinassakin on vielä monia käänteitä. Yksi on se, että Higgs-inflaation tapauksessa sen luotettava laskeminen, miten kvanttikorjaukset vaikuttavat Higgsin kentän kehitykseen inflaation aikana, on osoittautunut lähes ylitsepääsemättömän vaikeaksi. Tähän tarvitaan jokin uusi oivallus, jotta tulokset voi ottaa täysin vakavasti. Toinen on se, että metrinen ja Palatini eivät ole ainoat versiot yleisestä suhteellisuusteoriasta. Vuonna 1930 Einstein kehitti kolmannen version, teleparalleelin gravitaation, joka Higgs-inflaation tapauksessa on taas uusi teoria, ei vain muotoilu.

Eikä yleisen suhteellisuusteorian kehittäminen loppunut Einsteiniin. Säieteorian jälkeen tutkituin ehdotus kvanttiteorian ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistämiseksi, silmukkakvanttigravitaatio, perustuu Abtay Ashtekarin vuonna 1986 esittämään muotoiluun, jossa aika-avaruus ei pohjimmiltaan koostu metriikasta eikä konnektiosta vaan sittemmin Ashtekarin muuttujina tunnetuiksi tulleista perustavanlaatuisemmista palikoista. Higgs-inflaation tapauksessa tästä on seurauksensa, mutta silmukkakvanttigravitaatio ja Ashtekarin muuttujat olisivat taas kolmannen tarinan aihe.

---

Hyödystä

31.10.2017 klo 16.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuin Eteläsuomalaisen osakunnan 112. vuosijuhlassa 14.10.2017 tieteen tiimoilta. Puhe meni jokseenkin näin.

Arvoisa inspehtori, kunniajäsenet, esolaiset, edustajat ja muut vieraat.

Ensinnäkin, kiitos vuosijuhlatoimikunnalle kutsusta puhujaksi tänne Eteläsuomalaisen osakunnan vuosijuhlaan numero 112.

Minua pyydettiin puhumaan siitä, miten kaikilla tieteenaloilla on annettavaa yhteiskunnalle.

Nykyään ei ole tavatonta kysyä, mitä hyötyä tästä tutkimuksesta tai tuosta tieteenalasta on, ja Helsingin yliopiston johtokin haluaa karsia tarpeettomina pitämiään oppiaineita.

Puhuessani viime viikolla Kajaanin Planeetan 30-vuotistilaisuudessa omasta alastani, kosmologiasta, eräs yleisön jäsen kysyi, yrittävätkö Suomen hallitus tai teolliset yhteistyökumppanit vaikuttaa tutkimuksen sisältöön. Saatoin vastata, että kosmologiassa olemme siinä onnellisessa asemassa, että tutkimuksemme on täysin hyödytöntä.

Kosmologiasta ei voi täysin päin ja puhtain sydämin luvata ainuttakaan teknologista sovellusta. Maailmankaikkeuden synnyn, kehityksen ja koostumuksen tarkempi tuntemus ei välttämättä anna meille enemmän särvintä leivän päälle, juomaa lasiin tai kissoja kännykkään.

Tähtitieteen, kosmologian, luonnontieteen kautta olemme kuitenkin oppineet, että taivas on samaa ainetta kuin maa ja yhtenäisten lakien alainen, ja taivaan takana on toisia maailmoja, lukemattomia; eivätkä tähdet ole reikiä jurtassa vaan naapuriemme aurinkoja, ja arjen yllä avautuu kaikkeus täynnä asioita, jotka eivät ole ihmeitä, koska ne ovat todellisia; mutta kammottavia ja kauniita ihmisen mitan yli.

Olemme saaneet selville, miten kaikki tämä on syntynyt sattumanvaraisista kvanttivärähtelyistä yli aikakausien joiden pituuksia ei voi inhimillisesti hahmottaa, mutta jotka silti tiedämme täsmällisesti kuin viisarien liikkeet. Olemme oppineet, miten ytimet, atomit, planeetat ovat kietoutuneet kasaan ja miten yhdestä itseään kopioivasta molekyyliketjusta on kehittynyt apinoita, kuten me ja serkkulajimme.

Luonnontiede on mullistanut käsityksen maailmankaikkeudesta –siis ympäristöstä, sanan laajimmassa merkityksessä–, asemastamme siinä ja siitä millaisia olemme: keitä me olemme ja mihin me kuulumme.

Arvoisat kuulijat, kaikki tämä on hyödytöntä, jos ymmärryksellä ei ole itseisarvoa.

Luonnontiede on toki mullistanut myös arkemme: muuttanut leivän, muokannut lasia ja mahdollistanut kännykän, usein lähtien tutkimuskysymyksistä, joilla ei ole ollut mitään ilmeisiä sovelluksia. Mutta vaikka tutkimalla maailmaa perustavanlaatuisimmalla tasolla opimme muokkaamaan sitä, kaikki ymmärrys ei auta manipuloinnissa.

Mutta jos maailman ymmärtäminen sinänsä on hyödytöntä, niin miten arvotonta onkaan ihmisten ymmärtäminen: ei vain sen setviminen, miten käsityksemme ovat muuttuneet maailman ovien auetessa luonnontieteen myötä, vaan koko historian, kielten, kulttuurien moninaisuuden laittamisessa järjestykseen ja valaisemisessa eri kulmista.

Kuinka hyödytöntä, kuinka turhaa, jos tarkoituksena on valjastaa terävin ajattelu ja kriittisimmät oivallukset tuottavuuden vaunuihin, vetämään nykyhetkeä eteenpäin, ottaen yhteiskunnan valmiina.

Arvoisat kuulijat, kaikki ympärillämme on ollut tuntematonta, kiistanalaista ja kiellettyä. Jos mennään Roomaan asti, sellaiset muotoseikat kuten housut miehillä, tai myöhemmin, housut naisilla, tai naiset yliopistolla, tai ihmiset jotka eivät ole naisia eivätkä miehiä, tai se, että voimme arvostella vallanpitäjiä ja vaatia muutosta.

Jos puhutaan hyödystä ja sovelluksista, niin muistettakoon miten eri alojen tutkimus tuo esille sen mikä on ollut ja on, osoittaa vaihtoehtojen moninaisuuden. Ymmärrys ohi tavanomaisuuden näyttää miten rajoitettuja ovat ne tarinat mitä kerromme toisillemme menneisyydestä, siitä mikä olisi voinut olla toisin ja minkä pitäisi olla toisin.

Kriittinen katsaus yhteiskuntaan auttaa riisumaan paljaaksi sen uskomuksen, että juuri me olemme saavuttaneet sivilisaation lopullisen tasangon, että nyt riittää toistaa nykyisyyttä ja hyväksyä ne tarinat, joita annamme kertoa itsellemme ja säännöt, joilla niistä tehdään totta.

Mitään ei ole naulattu paikoilleen: yhteiskunta toisaalla edistyy, toisaalla suistuu, ja meillä kaikilla on osa suunnan määrittämisessä.

Ikiaikaisena normina esitetyt asiat keksittiin eilen ja yhteisten sääntöjen avulla puolustetaan tekoja, jotka ovat sääntöjen vastaisia.

Tällaisista asioista on helppo puhua yleisesti, mutta ne saavat sisältöä, ja vastustusta, vain kun mennään esimerkkeihin.

Suomen perustuslaki kieltää lähettämästä ketään ihmisarvoa loukkaavan kohtelun alle, mutta valtiolla on kokonainen koneisto turvaa hakevien kanssaihmistemme karkottamiseksi vainoon.

Toisena esimerkkinä yhteiskunnan suistumisesta ja sanoinkuvaamattoman normalisoitumisesta mainittakoon se, että Suomi ruokkii tämän hetken pahinta inhimillistä katastrofia myymällä Jemeniä tuhoaville Saudi-Arabialle ja Yhdistyneille Arabiemiirikunnille aseita, vaikka EU:n sitovat asevientisäännöt kieltävät viennin, jos on riski, että aseita käytetään hyökkäykseen toista maata vastaan tai ne pidentävät konfliktia.

Näitä lain rikkomuksia puolustetaan paitsi vetoamalla lakiin, myös hyötyyn. Kaiken tämän perkaaminen ja ikkunan avaaminen uuteen suuntaan, josta saattaa näkyä pala kirkasta taivasta, sitä sen sijaan ei lueta hyödyn piiriin

Arvoisat yliopistolaiset, teillä –meillä– on erityinen mahdollisuus kyseenalaistaa näitä tarinoita ja tekoja, tulla kuulluksi, muuttaa suuntaa, sanalla sanoen olla hyödyksi kamppailussa sivistyksen edistämisestä.

---

Useiden sanansaattajien aikakausi

21.10.2017 klo 15.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

LIGO/Virgo-tutkimusryhmällä pitää kiirettä. Syyskuun lopulla se ilmoitti uusimmasta havainnosta musta aukko –parin törmäyksestä syntyneistä gravitaatioaalloista. Kuusi päivää sen jälkeen Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia julisti Reiner Weissin, Barry C. Barishin ja Kip. S. Thornen saavan Nobelin palkinnon LIGOn havaintojen tiimoilta. Vajaa kaksi viikkoa myöhemmin, viime maanantaina, LIGO/Virgo tiedotti ensimmäisestä koskaan havaitusta neutronitähtien törmäyksestä. (Kommentoin asiaa tuoreeltaan Ylelle.)

Toisiaan kohti suistuvien tähtien synnyttämä gravitaatioaalto pyyhkäisi läpi Maan 17. elokuuta, vain kolme päivää syyskuussa ilmoitetun musta aukko –parin aikaansaaman aallon jälkeen. Tämä havainto neutronitähdistä on LIGOn toistaiseksi merkittävin löytö (LIGOn ensimmäistä gravitaatioaaltohavaintoa kenties lukuun ottamatta). Samalla se on paluu gravitaatioaaltohavaintojen juurille.

Gravitaatioaaltojen olemassaolo osoitettiin kokeellisesti ensimmäistä kertaa juuri toisiaan kiertävien neutronitähtien avulla. Vuonna 1974 Russell Hulse ja Joseph Taylor löysivät kaksoisneutronitähtijärjestelmän, joka on sittemmin nimetty heidän mukaansa. Seuraamalla näitä toistensa ympärillä vinhasti kieppuvia tähtiä huomattiin, että ne lähestyvät toisiaan, mistä voi päätellä niiden menettävän energiaa. Yleisestä suhteellisuusteoriasta voidaan laskea, millä tahdilla tähtien pitäisi lähettää energiaa mukanaan vieviä gravitaatioaaltoja, ja tulos vastaa havaintoja. Hulse ja Taylor saivatkin tästä Nobelin palkinnon.

Hulse-Taylorin neutronitähtiparin suhde on melko vakaa, ja kestää satoja miljoonia vuosia ennen kuin ne törmäävät. LIGO ja Virgo näki sen sijaan nyt havaitun parin elämän viimeiset 100 sekuntia, joiden lopussa ne tuhoavat toisensa väkivaltaisesti. Signaali oli voimakkain toistaiseksi nähty gravitaatioaalto, koska kohde oli kosmologisesti ottaen hyvin lähellä, vain 100 miljoonan valovuoden päässä.

Ei itse asiassa ole varmuutta siitä, olivatko molemmat parin jäsenet neutronitähtiä, mutta ainakin toinen luultavasti oli. Tämä on päätelty kahdesta seikasta.

Ensinnäkin molemmat kohteet olivat kevyitä: toisen massa oli noin yhden Auringon massan verran, toisen yhdestä kahteen. Tämä on oikea suuruusluokka neutronitähdille, kun taas tähtien romahduksesta syntyneiden mustien aukkojen odotetaan olevan raskaampia. Toisekseen, paljon tärkeämpää on se, että ensimmäistä kertaa nähtiin törmäykseen liittyvää sähkömagneettista säteilyä, niin näkyvää kuin näkymätöntäkin valoa.

Gravitaatioaallot saapuivat Maahan ensin, 1.7 sekuntia niiden jälkeen tuli gammasädepurkaus (eli korkeaenerginen sähkömagneettinen säteily), 11 tuntia sen jälkeen näkyvä valo, 9 päivän kuluttua röntgensäteet ja 16 päivää myöhemmin radioaallot. Mustien aukkojen törmäyksestä ei synny tällaisia signaaleja, joten ainakin toinen kappaleista oli neutronitähti (ellei sitten jokin toistaiseksi tuntematon vielä eksoottisempi kappale).

Siinä, että LIGO löysi gravitaatioaallot toissavuonna ei ollut mitään yllättävää; olisi hämmästyttävää, jos niitä ei olisi olemassa. Kuten olen maininnut, gravitaatioaallot ovat merkittäviä siksi, että ne avaavat aivan uuden kanavan maailmankaikkeuteen. Nyt julkistettu neutronitähtihavainto on ensimmäinen esimerkki tutkimustavasta, joka on saanut muodikkaan nimen multimessenger astronomy, suomeksi siis ”useiden sanansaattajien tähtitiede”, mikä tarkoittaa saman ilmiön havaitsemista erilaisia riippumattomia reittejä pitkin.

Gravitaatioaallot ja erilaiset sähkömagneettiset signaalit syntyvät törmäyksen ja siitä syntyneen jäänteen (joka saattaa olla neutronitähti tai musta aukko) kehityksen eri vaiheissa. Niinpä katsomalla taivasta eri signaalien avulla voi seurata tapahtuman eri vaiheita.

Erilaisten signaalien mittaaminen samasta kohteesta edellyttää tehokasta koordinaatiota. Ensimmäiseksi Fermi-satelliitti havaitsi gammasäteet ja lähetti ilmoituksen siitä 14 sekuntia myöhemmin. LIGO/Virgo huomasi kuuden minuutin kuluttua, että yhdessä heidän kolmesta detektoristaan oli signaali 1.7 sekuntia ennen gammasäteitä. Koska aika oli hyvin lähellä gammasäteiden tuloaikaa eli gravitaatioaalloilla luultavasti oli sama alkuperä, LIGO/Virgo lähetti 34 minuutin kuluttua hälytyksen tapahtuneesta, jotta kymmenet tutkimusryhmät ympäri maailmaa osasivat suunnata teleskooppinsa maan päällä ja avaruudessa sinne mistä gammasäteet olivat tulleet. Neljän tunnin ja 33 minuutin kuluttua LIGO/Virgo oli saanut analysoitua kaikkien kolmen havaintolaitteensa datan ja vahvisti, että gravitaatioaaltosignaali tuli samasta paikasta kuin gammasädepurkaus, vahvistaen, että ne ovat osa samaa tapahtumaa.

Gravitaatioaaltojen ja valon lisäksi tapahtumaa yritettiin nähdä myös neutriinojen avulla: Etelänavan alla oleva IceCube-detektori, Välimeren syvyydessä oleva Antares ja 3 000 neliökilometriä Argentiinan pampaa yli kilometrin korkeudessa kattava Pierre Auger –observatorio yrittivät kukin nähdä törmäyksen jälkeen syntyneissä hiukkasvirroissa syntyneitä neutriinoja, mutta niitä ei ilmeisesti syntynyt tarpeeksi, koska mitään ei havaittu. Tämäkin on hyödyllistä tietoa, koska se rajoittaa sitä, mitä törmäyksen jälkeen voi tapahtua.

Usean sanansaattajan tähtitiede mahdollistaa uudenlaiset tarkkuustestit, joita ei voi tehdä pelkästään yhdenlaisella signaalilla.

Yksi esimerkki on sellaisten mallien tutkiminen, missä maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista yritetään selittää muokkaamalla yleistä suhteellisuusteoriaa. Yleisessä suhteellisuusteoriassa valoaallot ja gravitaatioaallot kulkevat samalla nopeudella. Kun gravitaatiopuoleen lisää kaikenlaista kommervenkkiä, niin tämä muuttaa gravitaatioaaltojen kulkua, mutta ei valon (tai ainakin ne muuttuvat eri tavalla). Se, että valoaallot ja gravitaatioaallot saapuivat Maahan 1.7 s päässä toisistaan kuljettuaan 100 miljoonaa valovuotta tarkoittaa sitä, että niiden nopeudet voivat erota toisistaan vain sen verran kuin pari sekuntia eroaa 100 miljoonasta vuodesta, eli miljardisosan miljoonasosan verran. Tämä on niin tiukka raja, että se osoittaa vääräksi tämän kokonaisen luokan malleja kiihtyvän laajenemisen syistä.

Saman tyyppistä ideaa voi soveltaa myös yrityksiin korvata pimeä aine gravitaatiolain muutoksella. Tällaisissa malleissa tehdään jossain mielessä vastakkaisesti kuin kiihtyvän laajenemisen selityksissä: niissä muutetaan gravitaatiota siten, että aine ja valo liikkuvat eri tavalla, mutta gravitaatioaallot käyttäytyvät kuten ennen. Jotta mallit sopivat havaintoihin, niiden ennusteiden pitää olla hyvin samanlaiset kuin pimeän aineen, eli aine ja valo tuntevat isomman gravitaation kuin mitä pelkästään tavallinen aine synnyttää. Mitä voimakkaampi gravitaatiokenttä on, sitä hitaammin aika kulkee. Tällaisissa malleissa valo kulkee siis hitaammin kuin gravitaatioaallot. Yleisessä suhteellisuusteoriassa sen sijaan ne tuntevat saman gravitaatiokentän ja kulkevat siksi samalla nopeudella. Meidän ja neutronitähtiparin välissä oleva aine aiheuttaa kuukausien viiveen, mutta havaittu ero gammasäteiden ja gravitaatioaaltojen kulkuun on vain 1.7 sekuntia. Tästä voi päätellä, että tällaiset pimeää ainetta korvaavat mallit ovat väärässä, ainakin nykymuodossaan. Jos ne haluaa pelastaa, niitä pitää muokata siten, että myös gravitaatioaallot hidastuvat kuin pimeää ainetta olisi olemassa, mikä ei ole aivan yksinkertaista.

Jos havaitsijat työskentelivät kuumeisesti kun gravitaatioaaltosignaali jäi haaviin, niin teoreetikot ovat kiivaasti kirjanneet johtopäätöksiään ylös havainnon julkistamisen aikoihin. Ensimmäiset teoreettiset artikkelit laitettiin nettiarkisto arXiviin samana päivänä kun havainnot julkistettiin (jotkut jopa ennen julkistamista), huhujen levittyä laajalle. Olen par’aikaa vierailulla Oxfordissa, ja täällä työskentelevä Pedro Ferreira ja hänen yhteistyökumppaninsa aloittivat muokatun gravitaatiolain mallit vääräksi osoittavan artikkelin tekemisen perjantaina ja saivat sen valmiiksi maanantaina, laittaen sen arXiviin kaksi tuntia ja kolme minuuttia LIGO/Virgon lehdistötilaisuuden alkamisen jälkeen. Samaa asiaa käsittelevät kahden muun ryhmän hyvin samanlaiset artikkelit laitettiin arXiviin 13 ja 53 minuuttia myöhemmin, ja ne kaikki ilmestyivät tiistaina.

LIGO/Virgo ja muut havaintoja tehneet ryhmät olivat sikäli ihailtavan hillittyjä, että ne julkistivat tuloksensa vasta niiden käytyä läpi vertaisarvioinnin, toisin kuin gravitaatioaaltoja löytäneensä luullut BICEP2-ryhmä vuonna 2014.

Näillä havainnoilla voi tehdä paljon muutakin, esimerkiksi mitata maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta ja asettaa rajoja neutronitähtien mahdolliselle pimeästä aineesta muodostuvalle ytimelle. Data-analyysi jatkuu, ja päivitystauolla olevat LIGO/Virgo käynnistyvät ensi vuonna entistä ehompina. Perustavanlaatuista fysiikkaa luotaavien havaintojen kärki on siirtynyt maanalaisista hiukkaskiihdyttimistä taivaan katsomiseen. LIGO/Virgon artikkelin sanoin: ”Alle kaksi vuotta gravitaatioaaltotähtitieteen ensi-illasta [nyt havaittu aalto] GW170817 merkitsee uusien löytöjen aikakauden alkua.”

---

Totuus, tiede ja toiminta

9.10.2017 klo 21.40, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehteen Rihveli 2/2017 kolumnin ”Totuus, tiede ja toiminta” faktoista tieteessä ja politiikassa. Arvostelen siinä mm. huhtikuun tiedemarssia, jossa itsekin puhuin. Kolumni on lehden sivuilla 6-9 ja alkaa näin:

On tullut tavaksi sanoa, että elämme ”totuuden jälkeistä aikaa”, jossa tosiseikat hukkuvat valheiden mereen. Selkeimpänä tapauksena esitellään Yhdysvaltojen nykyistä hallitusta, jonka kärkimies Donald Trumpilla on tosiaan erikoislaatuinen suhde faktoihin. Tilanne on kirvoittanut vetoomuksia ja tempauksia sen puolesta, että päätöksenteko pohjaisi enemmän tutkimustietoon, yhtenä niistä huhtikuun tiedemarssi.

Higgs ja maailmankaikkeuden synty

30.9.2017 klo 12.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Pidin eilen Tutkijoiden yössä Fyysikkoseuran 70-vuotistapahtumassa Pecha Kucha –puheen. Puheeseen kuuluu 20 kuvaa, joista jokainen näkyy 20 sekuntia. Kuvien vaihtumisen vaikutelma tuskin välittyy tekstin sekaan laitettuna, joten jätän ne pois (yhteen niistä minulla taitaakin olla oikeudet vain esitykseen, ei www-sivuille). Mutta puheen sanat olivat jokseenkin seuraavanlaiset.

Fundamentaalinen fysiikka luotaa todellisuutta perustavanlaatuisimmalla tasolla. Tällä hetkellä on päästy siihen, että on kaksi pilaria, joihin kaikki periaatteessa nojaa. Yksi pilari on kvanttikenttäteoria. Sen tärkein osa on hienosyinen, vakaa ja kaunis rakenne jolle on annettu yhtä aikaa vaatimaton ja suureellinen nimi: Standardimalli. Kaikki mitä Maapallolla on, ja mitä tahansa täällä tapahtuu (gravitaatiota lukuun ottamatta) noudattaa Standardimallin sääntöjä.

Standardimalli on saavutuksena vähintään yhtä merkittävä kuin ihmiskunnan mikään arkkitehtoninen tai teknologinen rakennelma. Se kuitenkin eroaa niistä siten, että Standardimallia ei ole rakennettu, vaan se on löydetty. Fysiikka on todellisuuden arkeologiaa, jossa pyramideja ei kaiveta esiin menneisyyden hiekasta, vaan arkisen kokemuksen alta.

Standardimallin viimeinen pala saatiin paikalleen vuonna 2012, kun CERNin LHC-kiihdyttimen haaviin jäi Higgsin hiukkanen. Higgsin hiukkanen on tihentymä Higgsin kentässä, joka täyttää avaruuden ja antaa massat muille hiukkasille.

Nyt kun Higgsin hiukkanen on löydetty ja sen ominaisuudet on mitattu, niin Standardimallista tiedetään periaatteessa kaikki. Kiihdyttimillä etsitään tietä sen tuolle puolen ja yritetään saada kiinni tuntemattomista laeista, säännöistä Higgsin takana. Toistaiseksi mitään uutta ei ole löytynyt, joten katseet suunnataan taivaalle.

Kuten Kari Enqvist meille kertoi, taivaalla näkyvä kosminen mikroaaltotausta on kirjaimellisesti valokuva 14 miljardin vuoden takaa. Mikroaaltotausta syntyi, kun valo ja aine irtosivat toisistaan ensimmäisen kerran. Tummat täplät merkitsevät kohtia, missä oli enemmän ainetta. Tiheät alueet vetävät gravitaation kautta puoleensa lisää massaa ja kasvavat. Ne ovat siemeniä, joista galaksien verkko versoaa. Kaikki maailmankaikkeuden rakenteet juontavat juurensa mikroaaltotaustassa näkyviin sadastuhannesosan kokoisiin epätasaisuuksiin, suurimmasta pienimpään, satojen miljardien valovuosien pituisista galaksien rihmoista galakseihin, aurinkokuntiin, planeettoihin ja kaikkeen mitä niissä on. Myös meidän ulkomuotomme, luontomme ja kaikki kulttuurimme moninaisuus on peräisin näistä sattumanvaraisista kupruista. Siinä kaikki.

Nämä kuprut puolestaan saattavat palautua Higgsin kenttään.

Menestynein selitys rakenteen siementen alkuperälle on kosminen inflaatio. Lyhykäisyydessään ajatuksena on se, että maailmankaikkeuden alkuhetkinä, ensimmäisen sekunnin murto-osien perukoilla, avaruuden laajeneminen kiihtyi. Kiihtyvä laajeneminen teki avaruudesta tasaisen, kuin pöytäliinan vetäisi tiukaksi.

Kiihtyvästä laajenemisesta oli vastuussa jokin kenttä, joka täytti koko avaruuden, kenties Higgsin kenttä. Kentän gravitaatio ei vedä puoleensa, vaan hylkii, joten avaruuden alueet etääntyvät kiihtyvällä tahdilla. Kvanttifysiikan mukaan mikään ei ole täysin tasaista, kaikessa on kvanttivärähtelyjä, niin myös inflaatiota ajavassa kentässä. Inflaation aikana avaruuden nopea laajeneminen venyttää kentän vähäiset värähtelyt hiukkasfysiikan mittakaavasta kosmisiin mittoihin ja jäädyttää ne paikalleen, niin että ne eivät enää värähtele, vaan kiteytyvät siemeniksi.

Inflaation lopuksi kenttä -ehkä Higgsin kenttä- hajoaa tavalliseksi aineeksi, joka perii sen epätasaisuudet. Siellä missä kentän arvo on isompi, syntyy enemmän hiukkasia, mukaan lukien fotoneita, ja 14 miljardia vuotta myöhemmin kvanttivärähtelyjen jäljet hohtavat taivaalla piirrettynä mikroaaltojen näkymättömällä valolla.

Inflaatiossa keskeistä on siis toisaalta kvanttivärähtelyt ja toisaalta maailmankaikkeuden laajeneminen. Avaruuden laajeneminen perustuu fundamentaalin fysiikan toiseen tukipilariin, yleiseen suhteellisuusteoriaan.

Inflaatio on ensimmäinen –ja toistaiseksi ainoa– fysiikan alue, missä kvanttifysiikka ja yleinen suhteellisuusteoria ovat kohdanneet siten, että on päästy kokeellisesti testaamaan niiden yhteisiä ennustuksia. Inflaatiossa yhdistyvät lait, jotka hallitsevat yllä ja alla olevaa todellisuutta.

Jos Higgs on vastuussa inflaatiosta, niin tämä tarkoittaa sitä, että taivaalla miljardien valovuosien mittakaavassa näkyvä galaksien jakauma määräytyy LHC-kiihdyttimessä mitatuista hiukkasten ominaisuuksista.

Lisäksi Higgs-inflaatiossa on sellainen erityispiirre, että Higgs kytkeytyy aika-avaruuteen poikkeuksellisella tavalla, niin että Higgs-inflaation jättämistä vihjeistä taivaalla, erityisesti inflaation aikana syntyneiden gravitaatioaaltojen jäljistä, on mahdollista päätellä mitkä ovat aika-avaruuden ainesosat. Yleisestä suhteellisuusteoriasta, joka kuvaa aika-avaruutta, on nimittäin erilaisia versioita, emmekä tiedä mikä niistä on oikea: onko yleinen suhteellisuusteoria sellainen kuin sen muotoili Albert Einstein vuonna 1915, 1925, 1930, vai Abhay Ashtekar vuonna 1986, vai aivan muunlainen? Mutta tämän kertominen tarkemmin veisi meidät jo toiseen tarinaan.

Veikkauksia piparmintun tiimoilta

28.9.2017 klo 19.33, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Ihmiskunta on tehnyt neljännen havainnon siitä, miten musta aukko -pari kiertää toisiaan ja sulautuu yhteen. Onnellinen tapahtuma oli elokuun 14. päivä, ja siitä kerrottiin julkisuuteen eilen; lehdistötiedote täällä. (Aiemmista havainnoista täällä, täällä ja täällä.) Mustien aukkojen törmäyksen synnyttämiä gravitaatioaaltoja kuvaavaan simulaatioon on tällä kertaa valittu värit, jotka saavat kierteisen aika-avaruuden näyttämään kosmiselta piparminttukaramellilta (tai ehkä hammastahnalta).

Mukana oli nyt kahden Yhdysvalloissa sijaitsevan LIGO-havaintolaitteen lisäksi Italiaan Pisan lähelle rakennettu Virgo. Virgo valmistui jo vuonna 2003, samoihin aikoihin kuin LIGO. Kumpikaan ei kuitenkaan aluksi ollut tarpeeksi herkkä kuulemaan gravitaatioaaltojen heikkoa viestiä, ja Virgo oli päivityksessä vuodesta 2011 viime heinäkuun loppuun asti. LIGO ehti havaita ensimmäiset aallot viime vuonna, ja Virgo ehti mukaan vasta viime elokuun alussa. Vain kaksi viikkoa Virgon mukaan tulon jälkeen kolme laitetta yhdessä havaitsivat aallon. Virgolla oli tuuria, koska havaintokausi lopetettiin jo 25. elokuuta laitteiden parantamista varten.

Havaitut aallot ovat jokseenkin samanlaisia kuin aiemmatkin. Ne ovat syntyneet noin 30 ja 25 Auringon massaisen mustan aukon kiertäessä toisiaan ja sulautuessa 2 miljardin valovuoden päässä. Virgon mukaantulo mahdollistaa signaalin tarkemman tutkimisen. Erityisesti tämä vaikuttaa kahteen asiaan: gravitaatioaaltojen polarisaatioon ja lähteen sijaintiin.

Gravitaatioaallot, kuten valoaallot ja vesiaallot, värähtelevät kohtisuoraan menosuuntaansa. Laineet värähtelevät vain yhteen suuntaan, ylös ja alas. Valo ja gravitaatioaallot sen sijaan voivat värähdellä tasossa eri tavoin, ja eri vaihtoehtoja kutsutaan polarisaatioiksi. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatioaalloilla on kaksi mahdollista polarisaatiota, aivan kuten fotoneilla. Useissa vaihtoehtoisissa gravitaatioteorioissa niitä voi olla enemmän tai vähemmän, yhdestä kuuteen.

LIGOn ja Virgon detektoreissa on kaksi maanpintaa pitkin menevää tunnelia. Gravitaatioaaltojen havaitseminen perustuu siihen, että kiitäessään detektorin läpi ne muuttavat tunnelien pituutta hieman, noin miljardisosan miljardisosan tuhannesosan verran. Värähtelysuunnan määrittämiseksi pitää mitata, miten pituudet muuttuvat eri suuntaan olevissa tasoissa. LIGOn laitteet ovat Yhdysvalloissa vain 3 000 kilometrin päässä toisistaan ja siksi suunnilleen samassa tasossa, mutta Virgo osoittaa eri suuntaan. Niinpä polarisaatio on saatu nyt määritettyä, ensimmäistä kertaa. Mitään poikkeamia yleisen suhteellisuusteorian ennusteista ei, kuten tavallista, ole löydetty.

On oikeastaan ällistyttävää, että mustien aukkojen törmäykset alkavat olla arkea. Elokuun havainnosta liikkui huhuja, joiden mukaan kyseessä olisi jotain kiinnostavampaa, nimittäin kahden neutronitähden törmäys. Monien arvostama tiedelehti Nature julkaisi artikkelin (löytyy myös täältä) aiheesta, jonka otsikossa puhuttiin huhuista ja ingressi selvensi, että kyse oli tarkemmin sanottuna juoruista. Vähemmän arvostettu ScienceAlert jopa uutisoi huhun olevan muka vahvistettu. En ole varma, onko tiedelehtien asia ryhtyä levittämään juoruja (joita tutkimusryhmät viisaasti eivät kommentoineet), vaikka niiden seuraamisessa onkin hevosurheilunomainen viehätys.

LIGO ja Virgo palaavat toimintaan ensi syksynä, ja silloin mustien aukkojen törmäyksiä odotetaan havaittavan viikoittain. Neutronitähtiä odotellaan myös, ja Virgon avulla niiden ominaisuuksien tutkiminen on nyt helpompaa. Kolme laitteen avulla aaltojen suunnan määrittäminen on huomattavasti tarkempaa kuin kahden, joten on helpompi tarkistaa, näkyykö samassa suunnassa samaan aikaan valonvälähdystä. Mustista aukoista tällaista ei odoteta (vaikka ensimmäisen havainnon yhteydessä moista esitettiinkin), mutta neutronitähdistä kyllä. Elokuussa etsittiinkin tällaista välähdystä, mikä antoi neutronitähtihuhuille nostetta. Ensi vuonna pääsee taas veikkaamaan.

---

Tiede-tutkimus-tarina sekä pimeä aine

13.9.2017 klo 16.40, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Perjantaina 29.9. puhun kello 20 alkavassa Suomen Fyysikkoseuran 70-vuotistilaisuudessa Tiede-Tutkimus-Tarina Higgsin kentästä ja inflaatiosta Pecha Kucha –formaatilla. Paikalla ovat puhumassa myös mm. Hanna Vehkamäki molekyylien kosiomenoista ja Kari Enqvist totuuden jälkeisestä ajasta. Juontajana on TV:stä tuttu Anne Liljeström. Tapahtuman traileri on täällä.

Paikkana on Helsingin yliopiston päärakennuksen pieni juhlasali, Fabianinkatu 33 (4. kerros). Puheet livestreamataan, päivitän tiedot tänne myöhemmin. Tilaisuus on ilmainen, mutta sinne sopii ilmoittautua täällä. Kuohuviinitarjoilu.

Tiistaina 3.10. kello 18 puhun Kajaanin planeetan 30-vuotistilaisuudessa (Kaukametsän opiston auditorio, Koskikatu 4 b) aiheesta ”Maailmankaikkeuden historia ja pimeä aine”. Tilaisuus on ilmainen.

Päivitys (20/09/17): Pecha Kucha -puheiden livestream löytyy täältä.

Päivitys (09/10/17): Pecha Kucha -puheeni tallenne löytyy täältä, ja teksti täältä. Kaikkien puheiden tallenteet löytyvät täältä.

---

Nynnyjen hautajaiset

31.8.2017 klo 19.32, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pimeä aine on erittäin onnistunut idea. 1930-luvulla esitetty ajatus siitä, että huomattavaa osaa maailmankaikkeuden aineesta ei pystytä silmin taikka teleskoopein suoraan havaitsemaan on hioutunut vuosikymmenten ajan tarkemmaksi. Nykyään tiedetään, että havaintojen selittämiseksi pimeän aineen pitää koostua toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista, sitä pitää olla noin neljä-viisi kertaa niin paljon kuin tavallista ainetta ja sen liikkeiden pitää olla hyvin verkkaisia (eli pimeän aineen pitää olla kylmää).

Tämä yksinkertainen selitys näkymättömästä aineesta on tehnyt useita oikeaan osuneita ennustuksia. Merkittävimpien joukossa on kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien yksityiskohdat, galaksien rakenne, jakauma ja liikkeet sekä gravitaatiolinssikuvioiden koot ja muodot. Valtaosa kosmologeista pitää pimeän aineen olemassaoloa jokseenkin varmana, mutta koska pimeästä aineesta on toistaiseksi todisteita vain sen gravitaation kautta, niin mielessä voi silti kyteä epäilys: entä jos onkin kyse siitä, että yleinen suhteellisuusteoria ei päde? Yrityksistä huolimatta kukaan ei tosin ole osannut esittää sellaista vaihtoehtoista gravitaatiolakia, joka sopisi havaintoihin, mutta tämä ei todista sitä, etteikö sellaista ole.

Jos pimeän aineen hiukkaset havaittaisiin suoraan, niin järkevälle epäilylle ei olisi enää sijaa. On satoja ehdotuksia siitä, millaisia pimeän aineen hiukkaset ovat, ja niiden havaitsemiseen tarvitaan aivan erilaisia kokeita. Varmaankin suosituin ehdotus on se, että pimeän aineen hiukkaset ovat raskaita ja vuorovaikuttavat W–bosonin ja Z-bosonin välittämän heikon vuorovaikutuksen kautta. Tällaisia hiukkasia kutsutaan nimellä Weakly Interacting Massive Particle eli WIMP, suomeksi siis nynny. (Aku Ankan kääntäjä epäilyttä keksisi oivan suomenkielisen sanarimpsun, josta tuon voisi lyhentää.) Nimi oli humoristinen vastapari 1970-80-luvun toiselle suositulle pimeän aineen ehdokkaalle nimeltä MAssive Compact Halo Object eli MACHO. MACHOt ovat tavallisesta aineesta koostuvia planeettojen tai tähtien kaltaisia isoja kappaleita, jotka ovat niin himmeitä, että niitä olisi vaikea huomata. Kamppailu päätyi nynnyjen voittoon: nykyään tiedetään, että pimeä aine ei ole machoja.

WIMP-selitys sopi hyvin 70- ja 80-lukujen hiukkasfysiikan maisemaan. Hiukkasfysiikan Standardimalli oli saatu monelta osin varmennettua, ja heikko vuorovaikutus on sen oleellinen osa. Odotettiin, että heikkoon vuorovaikutukseen liittyvän energiaskaalan tienoilta, tai vähän korkeammalta, löytyisi uudenlaista fysiikkaa. Heikkoon vuorovaikutukseen pohjaavat laskut siitä, paljonko WIMP-hiukkasia nykymaailmankaikkeudessa olisi täsmäsivät hyvin siihen, mitä havaintojen selittämiseen tarvitaan. Tätä yllättävää menestystä pidettiin niin vakuuttavana, että sille annettiin nimi WIMP miracle, nynnyjen ihme.

WIMPeistä on nähty vuosien varrella erilaisia vihjeitä (joidenkin niistä pohjalta on lähetetty erittäin harhaanjohtavia lehdistötiedotteita), mutta ne ovat osoittautuneet vesiperäksi. Erikoinen poikkeus on DAMA/LIBRA-niminen koeryhmä, joka on vuosia sitten väittänyt löytäneensä pimeän aineen, mutta muut tutkijat eivät ole pystyneet toistamaan sen tuloksia. Kaikkiaan WIMPpien hohto on kuitenkin hiipunut vuosien varrella.

WIMP-selityksen mukaan olisi odottanut, että kiihdyttimien törmäyksissä syntyy pimeän aineen hiukkasia, jotka voidaan havaita. CERNin LHC-kiihdytin, sen enempää kuin edeltäjänsä, ei kuitenkaan ole löytänyt merkkejä mistään Standardimallin tuonpuoleisesta.

WIMPpejä on etsitty myös suoremmin. Jos pimeää ainetta on olemassa, niin sitä kulkee koko ajan Maapallon ja kaiken siinä olevan läpi. Siispä tarvitsee vain laittaa koepala tavallista ainetta tarkkaan valvontaan ja odottaa, koska joku sen läpi viipottavista pimeän aineen hiukkasista törmää sen atomiytimiin. Tällaisia kokeita on tehty useita, tällä hetkellä herkin on kiinalainen PandaX-II, joka julkisti uusimmat tuloksensa viime viikolla. Ne ovat samanlaisia kuin kaikki aiemmatkin: mitään ei ole havaittu. Raja sille, miten heikosti WIMPpien pitää vuorovaikuttaa aineen kanssa, että niitä ei olisi jäänyt haaviin tiukentuu kerta kerralta.

Mielestäni on kyseenalaista, voiko enää ollenkaan puhua heikosti vuorovaikuttavista hiukkasista, ainakaan jos sanan heikko on tarkoitus viitata Standardimallin heikkoon vuorovaikutukseen (mihin nynnyjen ihme perustuu). PANDAX-II:sen ja muiden kokeiden mukaan pimeän aineen vuorovaikutuksen protonien ja neutronien kanssa pitää olla miljoona kertaa pienempi kuin mitä heikko vuorovaikutus ennustaa. On kehitetty erilaisia malleja, joissa vuorovaikutus on heikkoakin heikompi, ja tulevat kokeet ovat yhä herkempiä, mutta tulokset ovat myös saaneet tutkijat kääntymään yhä enemmän aivan muidenlaisten pimeän aineen ehdokkaiden pariin. Jos ihmeellinen aarrekartta vihjaa arkun olevan metrin syvyydessä, mutta tuhannen kilometrin syvyyteen kaivettua ei löydy mitään, voi olla syytä epäillä oliko kartantekijä oikeilla jäljillä.

Yksi mahdollisuus on Feebly Interacting Massive Particle eli FIMP, suomeksi siis heiveröisesti vuorovaikuttava raskas hiukkanen. Kyseisessä ideassa tehdään pimeän aineen vuorovaikutuksista niin heiveröisiä, että niiden käyttäytymisestä tulee laadullisesti aivan erilaista kuin WIMPpien. (Lisää aiheesta voi lukea Tommi Tenkasen tutkimusta käsittelevästä artikkelista Tähdet ja Avaruus –lehden numerosta 3/2017.) Myös aksionit ja steriilit neutriinot saavat entistä enemmän huomiota; vaihtoehtoja WIMPeille ei puutu. WIMPpien hautaaminen ei kertoisi juuri mitään pimeän aineen olemassaolosta, se vain tarkentaisi käsitystämme siitä, mitä pimeä aine ei ainakaan ole.

---

Painon välittäjästä

28.8.2017 klo 18.16, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kommenteissa on toisinaan tiedusteltu, onko gravitoni löydetty, ja gravitonin ja gravitaation suhde on kestokysymys julkisten puheiden yhteydessä, joten selvennän aihetta hieman.

Joskus populaareissa esityksissä listataan fotonin, elektronin ja muiden alkeishiukkasten joukossa myös gravitoni. Se on kuitenkin luonteeltaan erilainen kuin ne. Asia ei ole monimutkainen, mutta sen hahmottamista häiritsee se, että hiukkasfyysikot tarkoittavat sanalla ”hiukkanen” ainakin kolmea eri asiaa.

Ensinnäkin hiukkanen tarkoittaa tietyn hiukkaslajin yhtä yksilöä: voidaan sanoa, että LHC:n tietyssä törmäyksessä nähdään Higgsin hiukkanen tai yhdessä kuutiosenttimetrissä avaruutta on keskimäärin 410 fotonia.

Toisekseen sana hiukkanen viittaa koko hiukkaslajiin: kun sanotaan, että myonin neutriino löydettiin vuonna 1962 tai että QED on teoria fotonista ja elektronista, ei olla kiinnostuneita yksittäisistä ilmentymistä.

Luokan ja yksittäisen tapauksen kutsuminen samalla nimellä on arkikielessäkin tuttua: sanat tomaatti tai saimaannorppa viittaavat sekä yksilöön että lajiin. Sanan hiukkanen tapauksessa on kuitenkin vielä kolmas merkitys: se viittaa kenttään, jonka tihentymiä hiukkaset ovat.

1920-luvulla kehitetty kvanttimekaniikka on teoria yksittäisistä hiukkasista (vaikka se hämärsikin käsitystä siitä, mitä ne oikein ovat). Kvanttiteorian nykyinen kehitysvaihe, kvanttikenttäteoria, ei sen sijaan ole teoria hiukkasista. Sen rakennuspalikat ovat kenttiä, jotka täyttävät koko avaruuden. Kvanttikenttäteoria kertoo, miten kentät vuorovaikuttavat keskenään ja millä todennäköisyydellä niihin syntyy eri tilanteissa aaltoja: fotonit ovat fotonikentän aaltoja, elektronit elektronikentän. Kenttien käyttäytyminen ei palaudu hiukkasiin. Esimerkiksi sitä, miten Higgsin kenttä antaa hiukkasille massat, ei voi selittää Higgsin hiukkasen ja muiden hiukkasten vuorovaikutuksen avulla.

Yleensä kenttä katsotaan löydetyksi, kun sitä vastaava yksittäinen hiukkanen havaitaan ensimmäistä kertaa. Viimeksi näin on tehty Higgsin kentän kohdalla vuonna 2012. Higgsin kentän tapauksessa kentästä tosin oli jo paljon epäsuoria havaintoja ennen sitä vastaavan hiukkasen löytämistä, koska Higgsin kentän vuorovaikutus muiden kenttien kanssa antaa niiden hiukkasille massat. Toisaalta valo on ”löydetty” (jo meitä edeltäneiden elämänmuotojen toimesta) kauan ennen kuin yksittäisiä fotoneita 1900-luvulla kyettiin mittaamaan.

Jos hiukkasen ymmärtää kahdella ensimmäisellä tavalla, yksittäisenä aaltona tai aaltolajina, niin gravitoni on samanlainen ilmiö kuin fotoni tai elektroni. Mutta siinä missä fotoni on aalto sähkömagneettisessa kentässä, avaruuden täyttävää gravitonikenttää ei ole olemassa, vaan gravitoni on aalto aika-avaruudessa itsessään.

Samoin kuin sähkövarausten molemminpuolisen vetovoiman voi ymmärtää fotonien vaihtamisena, gravitonien voi sanoa välittävän massojen välistä vetovoimaa. Tässä mielessä havaitsemme gravitonien vaikutusta koko ajan. Gravitaatiossa on pohjimmiltaan kyse aika-avaruuden kaarevuudesta, ja sillä (kuten Higgsin kentällä) on myös sellaisia ilmenemismuotoja, joita ei voi palauttaa gravitoneihin. Yksi esimerkki on maailmankaikkeuden laajeneminen, mikä on varmennettu tosiasia (vaikka Aalto-yliopiston tiedotteen perusteella voisi muuta luulla). Toinen on mustat aukot ja niiden sulautuminen toisiinsa – mistä syntyviä gravitaatioaaltoja voi toki kuvailla gravitonien avulla.

Lyhyesti sanottuna, gravitoni on tapa kuvailla pieniä tihentymiä aika-avaruudessa, samalla tapaa kuin elektroni on tapa kuvailla pieniä tihentymiä elektronikentässä.

Onko gravitonia sitten havaittu? Jos gravitonilla tarkoitetaan yksittäistä aaltoa, niin sellaista ei ole havaittu, eikä nähtävissä olevassa lähitulevaisuudessa tulla havaitsemaankaan. Gravitonit vuorovaikuttavat erittäin heikosti aineen kanssa, joten vain yhden havaitseminen on erittäin vaikeaa. Jos taas useamman gravitonin yhteisvaikutus kelpaa, niin niitä on havaittu vaikka kuinka paljon painovoiman ja gravitaatioaaltojen avulla. Jos kysymyksellä tarkoitetaan sitä, onko hiukkasten taustalla oleva kenttä havaittu, niin sellaista ei ole olemassa, mutta aika-avaruutta on vaikea olla havaitsematta.

---

Jokin sanoo poks

30.6.2017 klo 19.28, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minulta kyseltiin kommenteissa inflaatiota koskevasta kosmologien kiistasta, josta Peter Woit on kirjoittanut mainiossa blogissaan kolmeen otteeseen.

Tapaus ei ole tieteellisesti kovin mielenkiintoinen. Se kuitenkin auttaa ymmärtämään, miten tieteilijöiden viestintä ei ole aina virheetöntä eikä vilpitöntä, ja miten vaikea alan ulkopuolisten on laittaa väitteitä oikeisiin mittasuhteisiin. Woitkin myöntää, että ei pysty kunnolla arvioimaan osapuolten väitteitä, vaikka hänen erikoisalansa hiukkasfysiikka ei ole inflaatiosta kovin kaukana.

Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt ja Abraham Loeb kirjoittivat helmikuun Scientific Americaniin jutun, jolla oli räväkkä (ja arvatenkin toimituksen keksimä) otsikko ”POP goes the universe”, eli ”maailmankaikkeus sanoo POKS”. Kolmikko arvosteli siinä kovin sanoin kosmista inflaatiota, joka on paras tämänhetkinen selitys sille, miksi maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta kaikissa suunnissa ja  mistä kaikki rakenteet (kuten galaksit, planeetat ja solut) ovat peräisin.

Inflaation ideana on, että maailmankaikkeuden alkuhetkinä sen laajeneminen kiihtyy, mikä tasoittaa avaruuden: aineen tiheys laskee ja avaruuden kuprut suoristuvat sen osien etääntyessä toisistaan. Kiihtyvästä laajenemisesta on tyypillisesti vastuussa jonkin avaruuden täyttävä kenttä. Avaruuden kasvaessa valtavaa tahtia kentän ja aika-avaruuden yhteiset kvanttivärähtelyt venyvät kosmisiin mittoihin. Inflaation lopuksi kenttä hajoaa aineeksi, joka perii värähtelyiden synnyttämät epätasaisuudet, joista tulee galaksien ja kaiken muun rakenteen (kuten planeettojen ja ihmisten) siemeniä.

Ijjas, Steinhardt ja Loeb arvostelevat, että inflaatio ei ole teoria, vaan viitekehys erilaisille malleille. Ei ole yhtä inflaatioteoriaa, vaan satoja erilaisia malleja siitä, miten inflaatio olisi tarkalleen tapahtunut. Mallien pääasiallinen ero on se, millainen kenttä aiheuttaa kiihtyvän laajenemisen, onko kenttiä ehkä useampia tai saadaanko inflaatio kenties aikaan muuttamalla yleistä suhteellisuusteoriaa. Eri malleissa kvanttivärähtelyt ovat hieman erilaisia, joten maailmankaikkeuteen syntyy hieman erilaisia rakenteita. Esimerkiksi galaksit syntyvät aiemmin tai myöhemmin, ja galaksiryppäitä on enemmän tai vähemmän suhteessa galakseihin. Eri malleissa inflaatiosta vastuussa oleva kenttä hajoaa myös aineeksi vähän eri tavalla, joten esimerkiksi pimeää ainetta syntyy enemmän tai vähemmän suhteessa tavalliseen aineeseen.

Ijjas, Steinhardt ja Loeb väittävät lisäksi, että inflaatio on niin joustava idea, että valitsemalla sopivan mallin voi saada minkä tahansa tuloksen rakenteen siemenille. Lisäksi he väittävät inflaation aina (tai ainakin yleensä) jatkuvan ikuisesti ja johtavan multiversumiin, jossa avaruuden eri alueet ovat tyystin erilaisia eikä mitään voi ennustaa. Heillä on muitakin väitteitä joita en tässä käy läpi, ja heidän yhteenvetonsa on se, että ”inflaatiokosmologiaa, sellaisena kuin sen nykyään ymmärrämme, ei voi arvioida käyttämällä tieteellistä metodia”.

Kolmekymmentäkolme tunnettua hiukkasfyysikkoa ja kosmologia (joukossa jokunen nobelisti) laittoi nimensä alle vastaukseen, jossa puolustetaan inflaatiota ja kumotaan kolmikon väitteitä. Tieteessä yleinen mielipide ja auktoriteetit voivat olla väärässä, mutta tässä tapauksessa vastaus on paikkansapitävä: osa kolmikon huomioista pitää paikkansa, jotkut väitteet ovat liioiteltuja ja johtopäätökset ovat pötyä.

On totta, että inflaatiomalleja on monia erilaisia, mutta ei ole totta, että niistä saa ulos mitä tahansa. Ensimmäiset mallit on esitetty 1980-luvun alussa, ja niiden tyypilliset ennusteet ovat pitäneet kutinsa yhä tarkempien havaintojen myötä yli kolme vuosikymmentä. On totta, että jotkut inflaation parissa työskentelevät tutkijat (mukaan lukien osa niistä, joiden nimi on vastauskirjeessä) ovat voimakkaasti yhdistäneet inflaation multiversumiin ja mainostaneet ikuista inflaatiota. Inflaatio ei kuitenkaan välttämättä ole ikuista, eikä ikuinen inflaatio välttämättä synnytä multiversumia.

Inflaatio on itse asiassa tyypillinen esimerkki onnistuneen tieteellisen idean kehityksestä. Ensin idea keksitään, sitten sitä hiotaan. Kun se näyttää toimivan, niin moni yhteisön jäsen haluaa mukaan menestykseen, ja tutkijat kehittävät erilaisia versioita inflaatiomalleista, joilla on vähän erilaisia ennusteita. Samalla tulee tutkittua malleja, joiden ennusteet ovat hyvin epätyypillisiä, ellei muuten, niin sen osoittamiseksi, mihin kaikkeen idea venyy. Kunnes havainnot ja teoria yhdessä kiinnittävät sen, mikä malli on oikea, teoreetikot jatkavat uusien mallien rustaamista ja nykyisten tarkempaa syynäämistä.

Pimeän aineen tilanne on samanlainen. On satoja erilaisia ehdotuksia siitä, millainen pimeän aineen hiukkanen oikein on ja miten sen voisi havaita. Joissakin malleissa pimeän aineen hiukkasia on helppo havaita, toisissa niitä ei voi nähdä kuviteltavissa olevassa tulevaisuudessa.

Tämä ei tarkoita sitä, että pimeä aine tai inflaatio eivät ei olisi tieteellisiä ideoita. Tieteen mittarina pidetään usein sitä, että väitteet on mahdollista kokeellisesti osoittaa vääriksi. Todellisuus on monimutkaisempi. Tiede ei juuri koskaan etene siten, että esitetään teoria, joka tekee kiistattoman yksikäsitteisiä ennusteita, joiden todetaan olevan ristiriidassa havaintojen kanssa, mikä johtaa teorian hylkäämiseen.

Sen sijaan ideoista on yleensä erilaisia versioita. Havaintojen tarkentuessa osa malleista karsiutuu pois. Jos jäljelle jää yhä kummallisemman näköisiä malleja, joita pitää vielä jälkikäteen säätää sopimaan havaintoihin, niin luottamus siihen, että ollaan oikeilla jäljillä, laskee. Vastaavasti jos yksinkertaisimmat mallit ennustavat havaintoja oikein, luottamus ideaan kasvaa. Lisäksi myös ymmärrys malleista paranee, niin että voidaan puhua teoriasta mallin sijaan. Lopulta ylitetään raja, jossa onnistuneiden ennusteiden ja kehittyneen teoreettisen käsityksen yhteen kietoutunut kokonaisuus on niin vakaa, että teoria on järkevän epäilyn ulkopuolella.

Inflaatio ja pimeä aine eivät ole vielä ylittäneet tätä rajaa. Niitä voi järkevästi epäillä, ja niille on esitetty vaihtoehtoja. Sellaiset vaihtoehdot, jotka ennustavat hyvin erilaisia asioita kuin tyypillinen (tai mikään) pimeä aine ja inflaatio, ovat karsiutuneet pois. Nykyiset ehdotukset yrittävät toistaa pimeän aineen ja inflaation menestykset jollain eri menetelmällä, siinä yleensä kummemmin onnistumatta.

Ijjaksen, Steinhardtin ja Loebin kommentit onkin syytä ymmärtää heidän oman vaihtoehtoisen ideansa pönkittämisen viitekehyksessä. Osa vuosien 2000-01 väitöskirjatutkimustani liittyi Steinhardtin ja hänen silloisten yhteistyökumppaneidensa keksimän inflaation vaihtoehdon ongelmiin. Siitä on myöhemmin kehitetty idea maailmankaikkeudesta, joka ensin suppenee ja sitten laajenee, niin että rakenteen siemenet syntyvät suppenevan vaiheen aikana inflaation sijaan.

Siinä missä inflaatio voi toimia hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin kentällä, Steinhardtin ja kumppanien idea vaatii eksoottisempia rakennuspalikoita ja on inflaatiota monimutkaisempi. Niinpä sen esittelyyn niin tiedeyhteisössä kuin sen ulkopuolella on otettu mukaan iso annos inflaation puutteiden arvostelemista. Vaikka osa väitteistä on perättömiä, tiedeyhteisön sisällä on terveellistä, että jotkut pitävät esillä yleisesti hyväksyttyjen ideoiden heikkoja kohtia ja muistuttavat tutkijoita asioista, jotka menestyksen myötä sivuutetaan. Jos argumentit ovat kehnoja, sekin voi olla hyödyllistä osoittamalla miten vakaalla pohjalla arvosteltu idea on. Inflaation kohdalla kolmikko on oikeassa ainakin siinä, että ei vielä tiedetä, miten se alkaa.

Tiedeyhteisön sisällä ei niin haittaa, vaikka ihmiset puhuvat välillä pötyä. Voi jopa sanoa, että se on väistämätöntä. Ludwig Wittgensteinin sanoin, jos ihmiset eivät joskus tekisi hölmöjä asioita, mitään älykästä ei koskaan tulisi tehtyä. Asiantuntijoiden keskustellessa ja havaintojen tarkentuessa kyllä selviää, mitkä ideat ovat oikein ja millainen maailma on. Tiedeyhteisön –tai inflaatiokosmologien verrattain pienen joukon– ulkopuolella vahvat väitteet voivat kuitenkin haitata ymmärrystä tieteestä, koska yleisöllä ei ole tietoa niiden viitekehyksestä eikä valmiuksia arvioida niitä kriittisesti. Joskus tiedetoimittajia syytetään asioiden kärjistämisestä ja sensaatioiden perättömästä uutisoinnista, mutta suuressa osassa harhaanjohtavaa populaaria tiedekirjoittelua jäljet johtavat tutkijoiden näppäimistöihin.