Kosmokseen kirjoitettua

Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä

19.4.2016 klo 18.57, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 10.5. kello 17 aiheesta ”Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä”. Tiivistelmä on seuraava:

Kosminen mikroaaltotausta on maailmankaikkeuden vanhinta valoa. Se kantaa viestiä kosmisesta inflaatiosta, joka on maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin aikana tapahtunut kiihtyvän laajenemisen vaihe, jossa kaiken rakenteen siemenet syntyivät. Helsingin yliopiston Planck-tutkimusryhmä on mukana tekemässä lopullista analyysiä Planck-satelliitin havainnoista kosmisesta mikroaaltotaustasta. Samaan aikaan teoreetikot laskevat, mitä kosmisessa mikroaaltotaustassa ja hiukkaskiihdyttimissä pitäisi näkyä, jos inflaatiosta on vastuussa Higgsin hiukkaseen liittyvä Higgsin kenttä.

Tilaisuudessa puhuvat ajankohtaisista tutkimusaiheista myös Markku Sipilä (ilmakehätieteet), Emilia Kilpua (avaruusfysiikka), Leena Järvi (ilmakehätieteet) ja Tomas Kohoult (geofysiikka). Esitykset ovat noin 15 minuutin mittaisia, ja niiden kuvauksen näkee tapahtuman sivulta. Siellä voi myös ilmoittautua tapahtumaan; viimeinen ilmoittautumispäivä on 5.5.. Tilaisuus on suunnattu erityisesti tiedetoimittajille, mutta se on avoin kaikille; tilaisuus on ilmainen.

---

Kvanttirikko

14.4.2016 klo 21.13, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainitsin kolmisen vuotta sitten, että peliyhtiö Remedy oli konsultoinut minua peliinsä Quantum Break liittyen. Viime viikolla peli ilmestyi (traileri on tällainen), samoin kun siihen liittyvä Cam Rogersin kirja Quantum Break: Zero State.

Aikamatkustus ja ajan manipulointi on pelissä keskeistä, ja kirjoittajat halusivat perustaa fiktionsa faktoihin. Niinpä he pyysivät minut kertomaan ajan fysiikasta ja aikamatkustuksesta. (Pelin ohjaaja Sam Lake kommentoi aihetta vähän täällä.) Kerroin heille kahtalaisesta ymmärryksestämme ajasta, vähän samoin kuin mistä olen täällä kirjoittanut. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika-avaruus on muuttumaton ja ajaton kokonaisuus. Toisaalta kvanttimekaniikan mukaan menneisyys on kiinnitetty, mutta tulevaisuutta ei ole määrätty, ja on olemassa erityinen tapahtumisen hetki.

Peli ei pyri olemaan tieteellisesti tarkka, mutta siinä on pidetty kiinni ajatuksesta, että menneisyyttä ei voi muuttaa. Minusta on myös hauskaa, että pelissä aikamatkustus toimii siten, että kierretään aikakonetta ympäri. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan tarpeeksi nopeasti pyörivässä avaruudessa voi todella matkata ajassa taaksepäin, jos kulkee sopivassa paikassa oikeaan suuntaan. (Ei tiedetä, kuvaako tämä teorian piirre todellisuutta.)

Fysiikasta puhumisessa alan ulkopuolisille on se mukava puoli, että tulee katsoo tuttuja asioita uudesta näkökulmasta. Samasta syystä oli hauskaa tavata pelin kirjoittajia ja ideoida fysiikkaa sen kannalta, mikä toimii pelissä.

Pelin kirjoittajat myös halusivat Quantum Breakiin aikamatkustusta koskevan laskun, jossa on virhe, jonka eräs henkilöistä voi korjata. Yhtälön vilahdus pelissä näyttää tältä. Kyseessä on ihan oikea lasku, ja koska käytin hetken aikaa sen setvimiseen, päätin laittaa myös yleisen suhteellisuusteorian kurssin tehtäväksi. Tämä onkin ensimmäinen kerta, kun luennoimani kurssin laskuharjoituksissa on ollut aikamatkustukseen liittyvää tuotesijoittelua.

---

Kauneudella Merkuriuksesta maailmankaikkeuteen

30.3.2016 klo 13.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Matemaattisten aineiden opettajien liiton MAOLin lehdessä Dimensio 2/2016 on artikkelini ”Kauneudella Merkuriuksesta maailmankaikkeuteen: yleinen suhteellisuusteoria sata vuotta”. Se perustuu yleisen suhteellisuusteorian satavuotispäivänä 25.11. pitämääni esitykseen. Jutusta on MAOlin sivuilla maistiainen (pdf:n sivu 5).

---

Parinmuodostuksen päivitystä

29.3.2016 klo 19.09, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime joulukuussa julkistetuissa LHC:n tuloksissa nähtiin kummajainen: niissä oli odotettua enemmän fotonipareja, joiden energia on noin 750 GeViä. GeV on energian yksikkö, joka vastaa suunnilleen yhtä protonin massaa. (Tarkemmin sanottuna yhden protonin massaan liittyvä energia on noin 0.938 GeViä.) Suoraviivaisin tulkinta on se, että protonien törmätessä kiihdyttimessä on syntynyt aiemmin tuntematon hiukkanen, joka sitten hajoaa fotoneiksi. Se olisi kaikkia tunnettuja hiukkasia raskaampi: toistaiseksi raskain tunnettu hiukkanen on top-kvarkki, jonka massa vastaa noin 170 GeVin energiaa.

Kumpikin LHC:n tällaisia signaaleja etsivistä koeryhmistä, ATLAS ja CMS, näkivät samanlaisen vihjeen, mikä tekee siitä luotettavamman. Toisaalta kummankaan ryhmän signaali ei erottunut kohinasta varmasti. Joulukuuhun mennessä koeryhmät eivät olleet vielä ehtineet käydä tarkkaan läpi kaikkea viime vuoden aikana kerättyä dataa huolella. Kahden viime viikon aikana pidetyssä Moriondin konferenssissa ne esittelivät tarkempaa analyysiä.

Ennen konferenssia liikkui huhuja, joiden mukaan signaali olisi noussut lähes löydön tasolle. ATLAS-koeryhmä ei kuitenkaan katsonut analyysin olevan niin valmis, että sitä voisi vielä kokonaisuudessaan julkaista, joten huhumylly jatkaa pyörimistään. Se sai kyllä Moriondissa lisää vettä siipiinsä. Sekin osa vuoden 2015 datan huolellisemmasta analyysistä, mikä tuotiin julki, osoitti, että kaksi 375 GeVin fotonia tuottavia törmäyksiä on datassa vielä enemmän suhteessa kohinaan kuin joulukuussa esitettiin. CMS tutki myös vuoden 2012 havaintoja 750 GeVin tienoilta, ja ne sopivat yhteen viimevuotisten havaintojen kanssa.

Jos kyse olisi kohinasta, niin olisi ollut todennäköisempää, että lisädatan myötä merkitys olisi pienentynyt. Se, että näin ei käynyt, ei kuitenkaan vielä riitä kertomaan, että kyseessä olisi signaali: tilastollinen merkitys ei vielä ole tarpeeksi iso.

Vaikka havaintojen tulkinnasta on jo kirjoitettu yli 200 tieteellistä julkaisua –pari-kolme ilmestyy joka päivä– ja signaali näyttää lupaavalta, monet ovat kuitenkin varuillaan. On helppo keksiä selitys kahdelle fotonille, mutta on vaikea ymmärtää, miksi havainnoissa ei näy mitään muuta uutta: miten uusi hiukkanen hajoaa enimmäkseen fotonipariksi, ja miksi uusia hiukkasia on vain yksi?

Teoreetikkojen hyllyllä valmiina olevat selitykset mihin tahansa hiukkaskiihdyttimissä näkyvään signaaliin (tai kohinaan) ovat supersymmetria, tekniväri ja ylimääräiset ulottuvuudet. Fotonisignaalin selittävä 750 GeVin hiukkanen ei kuitenkaan voi olla minkään tunnetun hiukkasen supersymmetrinen partneri, eikä havaittu fotonisignaali sovi suoraan supersymmetrian muottiin. Tekniväriteorioissa on aina kokonainen parvi uusia hiukkasia, joten pitäisi selittää, miksi niistä nähdään yksi melko selvästi, mutta ei vihiäkään muista; tähän tosin on konstinsa. Ylimääräisten ulottuvuuksien avulla voi selittää melkein mitä vain, mutta LHC-dataan sopivat mallit eivät vaikuta erityisen luonnollisilta – mikä on tietysti eri asia kuin se, että ne eivät voisi olla totta.

Jos kyseessä on uusi hiukkanen, se mullistaisi hiukkasfysiikan, joka on kauan kaivannut piristysruisketta yllättävistä löydöistä. Seuraavia analyysejä sopii odottaa julkiseksi kesäkuussa, ja viimeistään vuoden loppuun mennessä saataneen varmuus siitä, onko kyseessä löytö vai yksi monista vääristä vihjeistä siitä, mitä on Standardimallin tuolla puolen.

---

Pienet edellä, isot perässä

16.3.2016 klo 11.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Jutustelin viime viikonloppuna Big Question –tilaisuudessa. Korostin alustuksessani sitä, että isojen kysymysten pohtiminen ei ole hedelmällinen lähtökohta. Fysiikassa on edistytty paljon juuri siksi, että on keskitytty kysymyksiin, jotka ovat tarpeeksi pieniä.

Isot kysymykset ovat hyvin yleisiä, eivätkä liity vain johonkin yksityiskohtaan. Esimerkkejä ovat vaikkapa mitä on aine, mitä on oleminen, millaisia jumalat ovat, miksi maailmassa on pahuutta ja niin edelleen. Tällaiset mietelmät, joita voi esittää ilman erityistä perehtymistä, perustuvat väistämättä arkisiin ennakkokäsityksiimme. Niiden vastauksia ei voi kuitenkaan helposti päätellä arkisista lähtökohdista, muuten kysymyksiä ei isoina pidettäisikään.

Toisin on pienten kysymysten kohdalla. Ne voi rajata niin yksinkertaisiksi ja lähelle, että niitä voi käsitellä jo tuntemiensa käsitteiden avulla. Kun vastaus löytyy, se auttaa hahmottamaan, mikä on seuraava kysymys.

Yhtä lailla menetelmät pitää valita aiheen mukaan: ei ole olemassa yhtä tieteellistä metodia, jota seuraamalla löytäisi maaliin, vaan eri tilanteisiin sopivat erilaiset työkalut. Ainoastaan tutkimus voi osoittaa, mitkä ovat mielekkäitä tutkimuksen kohteita, ja mistä suunnasta niitä voi hahmottaa.

Rajattujen ongelmien ratkominen yksi kerrallaan auttaa lähestymään suuria kysymyksiä askel askeleelta. Niiden avulla saa selville, mitkä ovat hyödyllisiä käsitteitä ja miten niitä pitää kehittää. Kysymys ei ole vain yksityiskohtien selvittämisestä kuvan tarkentamiseksi, pienten asioiden kanssa näprääminen voi johtaa koko kysymyksenasettelun arvioimiseen uudelleen: pienet asiat valaisevat suuria ongelmia yllättävillä tavoilla.

1500-luvulla yksinkertainen pohdinta siitä, millä nopeudella eripainoiset kappaleet putoavat johdatteli klassisen mekaniikan syntyyn ja sen tuomaan maailmankuvan mullistumiseen. 1900-luvun alussa sen selvittäminen, miksi kuuma vetykaasu säteilee tietyn aallonpituista valoa oli keskeistä kvanttimekaniikan löytämisessä. Sen lisäksi, että kvanttimekaniikka on jokseenkin kaiken nykyteknologian pohjana, se on myös antanut sellaisia vastauksia suuriin kysymyksiin aineen luonteesta ja olemisesta, joita kukaan ei osannut edes kuvitella.

Mitä jumaliin ja pahuuteen tulee, luonnontieteellisen maailmankuvan mullistusten myötä olemme ymmärtäneet, että maailmankaikkeus ei ole itsessään sen enempää inhimillinen kuin moraalinen. Maailmaa hallitsevat ihmisen kuvaksi tehdyt henkiolennot ovat osoittautuneet kuvitelmaksi, ja kysymys jumalten luonteesta ja pahuudesta on siirretty psykologian, sosiologian ja uskontotieteen piiriin – nekin omalla sarallaan kehittyneempiä kuin arkiset mietelmät.

Nykyään fysiikassa on edistytty siinä määrin kauas, että uusia kiinnostavia kysymyksiä ei voi enää muotoilla ilman, että on omaksunut paljon erikoistunutta tietoa ja menetelmiä. Nykyään yksinkertaisia kysymyksiä ovat vaikkapa se, miten taivaalla näkyvien supernovien kirkkaus vaihtelee, tai millainen epägaussiaaninen vääristymä kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksiin tulee ylimääräisestä kentästä inflaation aikana. Ilman asiaan perehtymistä voi olla vaikea edes ymmärtää, mitä kysymykset tarkoittavat.

Suurin osa tieteilijöiden työstä on yksityiskohtaisten pikku arvoitusten ratkomista valmiissa viitekehyksessä, kuten tieteenfilosofi Thomas Kuhn aikoinaan korosti. Kaikki tällainen toiminta ei tietenkään johda suurten kysymysten äärelle, ja siinä on sellainen vaara, että ei nähdä uusia suuntia yksityiskohtien tiheiköstä. Läpimurroissa mietitäänkin usein samaan aikaan hyvin yksityiskohtaisesti pieniä asioita ja suuria linjoja, kuten data-analyytikko Nate Silver on korostanut.

Tämän takia tutkimusta ei voi johtaa keskitetysti, eikä kukaan osaa sanoa, mitkä ovat tulevaisuuden merkittäviä löytöjä. Yhtä lailla kuin pitää olla avoimuutta suurille kysymyksille, täytyy myös olla aikaa pienten asioiden huolelliseen selvittämiseen, niiden hyötyä miettimättä.

---

Arvoituksellista piristystä

29.2.2016 klo 22.45, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Gravitaatioaaltojen ja toisiinsa sulautuvien mustien aukkojen julistaminen löydetyksi kolme viikkoa sitten oli iloinen hetki tieteessä. Erityisen hienoa se oli niille tutkijoille, jotka ovat vuosia puurtaneet aiheen parissa; LIGOssa mukana olevan Mark D. Hannamin kuvaus näyttää vilauksen löydön tuntemuksista.

Miljardin valovuoden päässä olevin mustien aukkojen lähettämän erittäin heikon signaalin havaitseminen oli LIGOlta melkoinen taidonnäyte. Se, että äärimmäisissä olosuhteissa syntynyt aalto täsmäsi ennusteisiin oli toisaalta huimaava osoitus siitä, että maailmankaikkeus on ymmärrettävissä.

Mutta kuten edellinen suuri löytö, Higgsin hiukkanen (sivuutetaan BICEP2:n vesiperäksi osoittautunut väite), gravitaatioaallot vain varmistivat jotain, mikä jo tiedettiin. Olisi hyvin yllättävää, jos gravitaatioaaltoja tai toisiaan kiertäviä mustia aukkoja ei olisi. Hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin hiukkaselle oli vaihtoehtojakin, mutta lopulta tylsin teoria voitti, eikä mitään poikkeamia Standardimallista nähty.

Perustavanlaatuisessa fysiikassa, jossa etsitään uusia luonnonlakeja, joita ei voida johtaa mistään toistaiseksi tunnetuista laeista, ei ole löytynyt mitään odottamatonta sitten 1990-luvun loppupuolella havaitun maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen. Tosin siinäkin tapauksessa suosituin selitys, joka kulkee nimellä kosmologinen vakio, oli kehitetty jo vuonna 1917, ja sen sisältävä nykyaikainen kosmologinen malli oli kasassa jo 1980-luvulla. (On myös mahdollista, että havainnot selittyvät ilman mitään uutta perustavanlaatuista fysiikkaa, edes kosmologista vakiota.) Ensimmäiset tietokonesimulaatiot kosmisten rakenteiden muodostumisesta, joissa todettiin, että malli, jossa on kosmologinen vakio, sopii parhaiten havaintoihin, tehtiin Tartossa vuonna 1986. Vielä 30 vuotta myöhemmin havainnot ovat sopusoinnussa tuon mallin kanssa.

Perustavanlaatuisen fysiikan kulta-aika oli viime vuosisadan alussa, jolloin suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka löydettiin, ja muiden galaksien olemassaolo ja maailmankaikkeuden laajeneminen hahmotettiin. Maailmankuva kasvoi ylöspäin ja sisäänpäin, uusia mysteereitä kohdattiin ja läpimurtoja tehtiin yhtenään. Tuon ajan tutkijoiden nimillä, kuten Niels Bohr, Marie Curie ja Albert Einstein, on taianomainen kaiku. Toisen maailmansodan jälkeen kiivas tahti jatkui uuden sukupolven laittaessa kvanttikenttäteorian ja hiukkasfysiikan palasia paikoilleen.

Fysiikka kehittyi teorian ja kokeiden tiukassa vuorovaikutuksessa: teoreettiset oivallukset kasvoivat selittämättömien havaintojen maaperässä. Usein nuo ajat kuitenkin muistetaan vain teoreetikkojen nerokkuudesta, erityisesti tarinat Richard Feynmanin seikkailuista ovat kasvaneet legendan mittoihin. Tämä huuma on osaltaan johtanut teoreetikkojen yliarvostukseen.

Hiukkasfysiikan Standardimalli valmistui 70-luvulla, eikä hiukkaskiihdyttimissä ole nähty mitään sen tuonpuoleista. (Neutriinojen massat on kyllä löydetty, vesitankkien avulla.) Pääasialliset ideat Standardimallin laajentamiseksi, kuten supersymmetria, tekniväri ja säieteoria, ovat nekin saaneet alkunsa 70-luvulla. Kosmologian keskeiset tutkimusaiheet, inflaatio, pimeä aine, kiihtyvä laajeneminen ja baryogeneesi ovat hieman tuoreempia, ne ovat peräisin 1980-luvulta. Kosmologisia havaintoja on tullut valtavasti lisää, mutta ne on pystytty selittämään tyydyttävästi vanhoilla ideoilla. Vasta WMAP-satelliitin havainnot vuonna 2003 ja Planck-satelliitin havainnot vuonna 2013 pystyivät sulkemaan pois kaikkein yksinkertaisimpia 1980-luvulla esitettyjä malleja kosmiselle inflaatiolle.

Hiukkasfysiikan ja kosmologian 70- ja 80-luvun teorioita on sittemmin kehitetty merkittävästi, ja vuosikymmenten aikana hiotut matemaattiset työkalut teorioiden käsittelemiseen ovat terävämpiä kuin koskaan. Hienostuneiden matemaattisten menetelmien hallitseminen ei kuitenkaan ole sama asia kuin sen tietäminen, mitkä ongelmat ovat merkittäviä ja mistä suunnasta niitä pitäisi lähestyä.

Teorioiden kehittelyssä on jatkettu samaa latua, ja vaikka ideoille ei ole saatu varmennusta, jotkut teoreetikot ovat julistaneet ymmärryksemme syventyneen siksi, että tutkijoiden piirissä tietyt ideat ovat vakiintuneet, aivan kuin tietoa maailmasta voisi saada vakuuttamalla kollegoita siitä, kuka on eniten oikeassa.

Samalla kun supersymmetrialle, teknivärille ja muille vanhoille teoreettisille rakennelmille rakennetaan jatkoa, on jo totuttu siihen, että niiden alue kapenee yhä pienemmäksi, kun ne eivät saa tukea havainnoilta. Aina voi toivoa uuden kulman takaa paljastuvaa löytöä, mutta vaikka erilaisiin poikkeamiin kiiruhdetaan esittämään selityksiä, harva yllättyy, kun ne kerta toisensa jälkeen osoittautuvat kohinaksi tai systemaattiseksi ongelmaksi, ja Standardimalli varmistuu taas.

Hiukkaskosmologeilla onkin oireellisesti tapana käyttää leikillään ilmaisua ”oikea fysiikka” sellaisesta tutkimuksesta, joka käsittelee tunnettuja asioita (kuten Maan ilmakehää tai Aurinkoa), vastakohtana oman alan spekulaatioille uusista perustavanlaatuisista laeista.

Voisi sanoa, että teoriat ovat osoittautuneet paremmiksi kun teoreetikot, ja saattaa tuntua siltä, että vanhoina aikoina tieteilijät olivat älykkäämpiä. Tutkijat voivat kuitenkin varmistua uusien lakien löytämisestä vain silloin, kun ne ovat havaintojen saavutettavissa, ja ilman havaintoja on vaikea tietää minne päin suunnata. LIGOn havainnot mustien aukkojen törmäyksistä avaavat ennennäkemättömän vahvat gravitaatiokentät tutkimuksen kohteeksi, ja koe saattaa myös törmätä johonkin aivan odottamattomaan. Uusia arvoituksia kaivataan hiukkaskosmologian piristykseksi.

---

Leikistä, kysymyksistä ja aalloista

15.2.2016 klo 18.08, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Keskiviikkona 17.2. kello 18.00 minua haastatellaan Helsingissä Kirjasto kympissä Aku Ankan päätoimittajan Aki Hyypän kanssa leikistä ja luovuudesta tuOKio-klubilla.

Perjantaina 19.2. kello 14.15 on Kumpula NYT –tilaisuus ”Gravitaatioaallot ja mustat aukot” Kumpulan Exactum-rakennuksen salissa A111. Kari Enqvist puhuu aiheesta ”Yleinen suhteellisuusteoria ja gravitaatioaallot”, Peter Johansson aiheesta ”Mustien aukkojen astrofysiikka” ja Esko Keski-Vakkuri aiheesta ”Gravitaatioaaltojen havaitseminen ja LIGO”. He pitävät lyhyet esitykset, joiden jälkeen voi esittää kysymyksiä. Tilaisuus on avoin, eikä siihen tarvitse ilmoittautua.

Lauantaina 12.3. kello 17.30 juttelen ammattikorkeakoulu Metropoliassa isoista kysymyksistä kirkkoherra Kari Kanalan, evoluutiobiologi Tuomas Aivelon ja tanssitaiteilija Metsälintu Pahkinin kanssa. Liput 5 euroa.

Uusimmassa Tiedepolitiikka-lehdessä (4/2015) on tutkijoiden vastuusta kertova artikkelini ”Tiedettä apartheidin aikaan”. Artikkeli alkaa seuraavasti: ”Muistelen science fiction –kirjailija Brian Aldissin sanoneen, että sen jälkeen, kun keinotekoinen aurinko syttyi Hiroshiman yllä vuonna 1945, hän on tuntenut elävänsä scifitarinassa.”

---

Meri ei ole tyyni

12.2.2016 klo 18.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Eilen LIGO-tutkimusryhmä julisti havainneensa kahden mustan aukon törmäyksessä syntyneitä gravitaatioaaltoja, ja yksityiskohdat kertova tieteellinen artikkeli ilmestyi samaan aikaan lehdistötilaisuuden kanssa. Havainto on saanut ansaittua huomiota; mainitsen laajasta kirjosta vain Kari Enqvistin oodin tieteelle, Quantan kiinnostavan katsauksen LIGOn historiaan ja Naturen selkeän kuvauksen.

LIGO on etsinyt gravitaatioaaltoja vuodesta 2002 alkaen. Vuonna 2011 kirjoitin seuraavasti LIGOn uudesta vaiheesta, jonka oli määrä käynnistyä 2014 (se alkoi vasta 2015):

”lähiajan odotus keskittyy Advanced LIGOon, mutta silläkin saattaa kestää joitakin vuosia ennen saaliin nappaamista. Hyvä puoli gravitaatioaalloissa on se, että niitä on lähes varmasti olemassa ja niillä on meille kiinnostavaa kerrottavaa. Harmillista on se, että ei tarkkaan tiedetä paljonko lähteitä ympäristössä on, eli kuinka herkällä korvalla pitää kuunnella, että aaltojen äänen kuulee metelin seasta.”

Arviot Advanced LIGOn näköpiirissä olevien toisiinsa törmäävien mustien aukkojen, neutronitähtien ja muiden aika-avaruutta kovasti hölskyttelevien tapausten lukumäärästä vaihtelivat välillä ”kerran kahdessa vuodessa kolmeen törmäykseen päivässä”. Vuosien vesiperän jälkeen LIGOlla kävi tuuri, kun sen parannettu versio Advanced LIGO havaitsi kahden mustan aukon törmäyksen heti syyskuussa 2015, kun detektori oli vielä koeajossa.

LIGO näki kahden noin 30 kertaa Aurinkoa raskaamman mustan aukon kiertävän toisiaan, törmäävän ja sulautuvan yhdeksi noin 60 Auringon massan painoiseksi mustaksi aukoksi. Tämä aika-avaruutta repivä prosessi kesti noin puoli sekuntia, jona aikana mustat aukot lähettivät gravitaatioaaltoina energiaa kolmen Auringon massan verran. Tämä on noin 50 miljoonaa miljoonaa kertaa enemmän kuin Auringon yhdessä vuodessa valona säteilemä energia. Törmäys tapahtui noin miljardi vuotta sitten, jolloin Maapallolla tuskin oli vielä yksisoluisia olentoja monimutkaisempaa elämää. Gravitaatioaallot ovat miljardin valovuoden matkallaan heikentyneet niin paljon, että ne venyttävät aika-avaruutta vain 10^(-21) verran: LIGOn neljän kilometrin detektorin pituus muuttuu niiden kulkiessa sen läpi vain protonin halkaisijan tuhannesosan, mutta se on äärimmäisen tarkoille laitteille tarpeeksi. (En saa potensseja toimimaan blogialustalla, mutta tuossa on siis 21 nollaa: pituudet muuttuvat suhteellisella tekijällä 0.000000000000000000001.)

Gravitaatioaallot on epäsuorasti havaittu jo vuonna 1974, ja siitä myönnettiin Nobelin palkinto 1993. Tämä on kuitenkin ensimmäinen kerta, kun gravitaatioaaltoja on nähty suoraan. Tilannetta voi verrata Higgsin hiukkasen löytämiseen vuonna 2012. Se, että hiukkasten (erityisesti W- ja Z-bosonien) massat selittyvät Higgsin kentän avulla tiedettiin jo 1970-luvulla ja hiukkasfysiikan Standardimallia oli testattu tarkkaan, mutta Higgs saatiin suoraan haaviin myöhemmin. Myös yleistä suhteellisuusteoriaa on testattu monin tavoin sen satavuotisen taivaleen varrella. Teoriaa olisi erittäin vaikea muuttaa siten, että gravitaatioaaltoja ei olisikaan, mutta sopu muiden havaintojen kanssa säilyisi.

Gravitaatioaaltojen etsinnällä on kompuroiva historia, alkaen Joseph Weberin 1960-70-luvulla väittämistä löydöistä, ja muistissa ovat BICEP2-koeryhmän vääriksi osoitteutuneet väitteet vuonna 2014 maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla syntyneiden gravitaatioaaltojen epäsuorasta havaitsemisesta. LIGO on kuitenkin vankemmalla pohjalla kuin aiemmat yrittäjät.

LIGOn havainto perustuu törmäävien mustien aukkojen yksityiskohtaiseen tutkimiseen tietokoneella. 2000-luvun alussa tapahtui läpimurto, kun yleisen suhteellisuusteorian monimutkaisille yhtälöille kehitettiin tietokoneilla ratkaistavaksi sopiva muoto. Tämän avulla saatettiin tutkia yksityiskohtaisesti, mitä mustien aukkojen törmäyksessä tapahtuu. LIGO-koeryhmällä on laskettuna 250 000 erilaista mustien aukkojen törmäystä, ja tiedetään tarkalleen, minkä näköinen gravitaatioaalto niistä tulee. Nyt tehty havainto vastaa kirjastosta löytyvää signaalia. Ainoa kysymysmerkki oli se, että ei tiedetty tarkalleen, paljonko mustia aukkoja lähipiirissä törmäilee.

Lisäksi LIGOlla on kaksi eri havaintolaitetta, jotka näkevät saman signaalin 7 millisekunnin viiveellä, mikä valonnopeudella matkaavilta aalloilta kestää kulkea detektorilta toiselle. Mahdolliset virhelähteet on myös tutkittu tarkemmin kuin BICEP2:n tapauksessa, ja LIGOn tutkimus on käynyt läpi vertaisarvioinnin (niin paljon kuin siitä hyötyä on) ennen lehdistötilaisuuden järjestämistä, toisin kuin BICEP2:n.

LIGOn havainto on helppo varmentaa toistamalla, koska sen odotetaan nyt näkevän paljon gravitaatioaaltoja. Löytö saattaakin antaa lisäpontta paljon kauemmas näkevien eLISA-gravitaatioaaltosatelliittien projektille. Yhdysvallat on lopettanut tuon hankkeen rahoittamisen, mikä on osaltaan voinut vaikuttaa siihen, että LIGO-ryhmä kehuu saamansa yhdysvaltalaisen rahoituksen kaukokatseisuutta ja maan johtoasemaa tiedon edistämisessä, varmaankin toivoen, että tämä muistetaan jatkossa.

Gravitaatioaaltoja merkittävämpi löytö onkin se, että nyt ollaan ensimmäistä kertaa nähty kahden mustan aukon törmäys ja yhteen sulautuminen. Kirjoittaessani mustista aukoista vuonna 2011 sanoin, että ne ovat ”tunnetun fysiikan rajalla: enemmän kuin pelkkiä arveluita, mutta vailla kiistatonta kokeellista varmennusta”. Tämä on varsin konservatiivinen näkemys, suurin osa tiedeyhteisöstä on pitänyt mustia aukkoja varmana asiana epäsuorien havaintojen perusteella. Gravitaatioaaltojen avulla on kuitenkin mahdollista luodata mustien aukkojen voimakkaita gravitaatiokenttiä suoraan, ja selvittää niiden käytöksen yksityiskohdat, mahdollisesti jopa nähdä yleisen suhteellisuusteorian tuolle puolen.

LIGOn löytö on vuosikymmenien teoreettisen, laskennallisen ja kokeellisen työn huipentuma, mutta se on vasta alkua. Gravitaatioaalto-astronomien aikakausi on avattu, ja nyt odotetaan sitä, mitä kaikkea niiden avulla saadaan selville. Ne ovat täysin uusi kanava maailmankaikkeuteen, ja saattaa löytyä jotain yllättävää. Yleisen suhteellisuusteorian vanha mestari Kip Thorne, eräs LIGOn keskeisistä hahmoista, kuvaili tilannetta näin:

”On kuin olisimme nähneet merenpinnan vain tyynenä päivänä, mutta emme olisi koskaan nähneet sitä myrskyssä, valtameren aaltojen tyrskytessä.”

Aiheesta lisää voi kuulla Kumpula NYT –tilaisuudessa ”Gravitaatioaallot ja mustat aukot” perjantaina 19.2. kello 14.15. Tilaisuus on Exactum-rakennuksen salissa A111. Kari Enqvist puhuu aiheesta ”Yleinen suhteellisuusteoria ja gravitaatioaallot”, Peter Johansson aiheesta ”Mustien aukkojen astrofysiikka” ja Esko Keski-Vakkuri aiheesta ”Gravitaatioaaltojen havaitseminen ja LIGO”. He pitävät lyhyet esitykset, joiden jälkeen voi esittää kysymyksiä. (Enqvist ja Keski-Vakkuri olivat muuten väitöskirjani ohjaajia.) Tilaisuus on avoin, eikä siihen tarvitse ilmoittautua.

Klimppejä ja kompastuksia

27.1.2016 klo 22.52, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Minulta ja kymmeneltä kollegalta on ilmestynyt sivustolla CQG+ kirjoitus siitä, miksi kosmologiassa ei voida sivuuttaa sitä, että aine on klimppiytynyt. Tarkemmin sanottuna on kyse siitä, että maailmankaikkeuden rakenteet, kuten galaksit ja niistä muodostuvat rihmat, seinämät ja onkalot, voivat vaikuttaa siihen, miten maailmankaikkeus laajenee. Ne jopa mahdollisesti selittävät kiihtyvän laajenemisen ilman pimeää energiaa.

Se, miten epätasaisuuksia sisältävä avaruus keskimäärin laajenee on vaikea ja kiistelty aihe yleisessä suhteellisuusteoriassa. Jotkut tutkijat ovat sitä mieltä, että kysymys on yksinkertainen, ja että on tiedetty jo kauan, että keskimääräinen laajeneminen on samanlaista, kuin jos aine olisi jakautunut tasaisesti.

Yleisen suhteellisuusteorian arvostettu mestari Robert Wald ja hänelle väitöskirjan tehnyt Stephen Green kuitenkin totesivat, että yleensä esitetyt argumentit eivät ole paikkansapitäviä ja kiinnostuivat tutkimaan asiaa tarkemmin. Keskustelimme aiheesta pitkään vieraillessani vuonna 2010 Chicagon yliopistossa, jolloin olin tutkinut sitä seitsemän vuotta.

Green ja Wald kehittivät oman tapansa laskea klimppien vaikutusta ja julkaisivat sarjan artikkeleita, joissa he väittivät ratkaisseensa ongelman ja osoittaneensa, että rakenteilla ei tosiaan ole vaikutusta. Monet asian parissa työskennelleet tai yleistä suhteellisuusteoriaa muuten tuntevat suhtautuivat työhön kiinnostuneesti, mutta löysivät pian sekä uudesta lähestymistavasta että sen soveltamisesta pulmia ja puutteita.

Viime vuonna joukko meitä kirjoitti yhdessä lehteen Classical and Quantum Gravity artikkelin, jossa ruodimme Greenin ja Waldin lähestymistapaa ja setvimme ongelman nykytilaa. Kirjoittajien joukossa on eräitä maailman arvostetuimpia kosmologeja ja yleisen suhteellisuusteorian asiantuntijoita, sekä vähäisempiä nimiä, kuten minä. CQG+ on kyseisen lehden populaareja ja puolipopulaareja tekstejä julkaiseva oheissivusto. Yritimme siellä ilmestyneessä tekstissämme tiivistää 38-sivuisen artikkelimme viestin tuhanteen sanaan tavalla, joka aukeaa muillekin kuin alan asiantuntijoille, pitäytyen asioissa, joista kaikki 11 kirjoittajaa olemme samaa mieltä.

Aiheen kiistanalaisuudesta kertoo jutun julkaisuprosessi. Alun perin lehti pyysi meiltä puolipopulaaria juttua. Syynä oli se, että tieteellisen artikkelimme lukeneet kolme vertaisarvioijaa sattuivat kaikki tykkäämään siitä kovasti. (Tästä tosin ei voi oikeasti päätellä sitä, että artikkeli olisi poikkeuksellisen hyvä; vertaisarvioinnissa on paljon sattumanvaraisuutta.) Kirjoitimme jutun, se oikoluettiin ja hyväksyttiin julkaistavaksi. Sitä ei kuitenkaan ilmestynyt sivuille, ja lopulta lehden toimitus ilmoitti, että sitä ei julkaistakaan.

Syy oli yllättävä. Tekstimme ei toimituksen mukaan sopinut julkaistavaksi, koska se keskittyi asiaan, josta tutkijat ovat eri mieltä. Toimittaja oli kuullut, että jotkut kiistan eri puolilla olevista ihmisistä olivat pahoittaneet mielensä, eikä lehti halua julkaista tekstiä, mistä joku saattaisi pahoittaa mielensä vielä lisää.

Kyseltäessä yksityiskohtia selitykset muuttuivat vielä oudommiksi. Toimitus sanoi, että teksti jossa kerrotaan henkilöiden välisestä kiistasta (kuten lehti asiaa nimitti) ei sovi CGQ+:aan, koska sivusto keskittyy henkilöihin, ei tieteeseen. Toisaalta se kertoi, että koska CQG+ ei ole vertaisarvioitu, siellä ei voida julkaista tekstiä, missä sanotaan jonkun olevan väärässä, koska lehti voidaan haastaa oikeuteen kunnianloukkauksesta. Kolmannekseen toimitus oli sitä mieltä, että koska tieteellinen artikkelimme on jo julkaistu, sen keskeisen sisällön toistaminen ei tuo lisäarvoa. (Meiltä oli siis pyydetty teksti CGQ+:n sarjaan, jossa kerrotaan lehdessä olevista artikkeleista.)

Tilanteen eriskummallisuutta lisää se, että lehdessä julkaistu tieteellinen artikkelimme oli paljon kriittisempi kuin kirjoittamamme puolipopulaari juttu. Sovimme lehden kanssa, että muokkaamme tekstiä siten, että siinä sanotaan vähemmän suoraan, että toiset tutkijat ovat väärässä, ja niinpä se sitten viime viikolla julkaistiin. Kenties joidenkin kirjoittajien nimekkyys auttoi asiaa. En tiedä, miten olisi käynyt, jos saman tekstin takana olisi ollut yksinäinen nuori tutkija vailla arvovaltaa.

En ole tieteellisten artikkelien yhteydessä koskaan törmännyt moiseen kampitukseen. Tavallaan tapaus onkin ilahduttava muistutus siitä, että vaikka tieteellisessä vertaisarvioinnissa on ongelmia ja se on rajoittunutta, se kuitenkin edistää paikkansapitävyyttä ja kriittistä argumentointia tehokkaammin kuin uutislehtien ja populaareja tekstejä julkaisevien sivustojen journalistiset, kaupalliset ja poliittiset kriteerit.

Mitä itse asiaan tulee: rakenteiden vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen on yhä tuntematon.

Avoimet ovet

7.1.2016 klo 21.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainitsin tieteellisestä julkaisemisesta kirjoittaessani (aiheesta lisää täällä ja täällä), että vuonna 2016 aloittaa matematiikan lehti Discrete Analysis, joka hoitaa vain vertaisarvioinnin ja jonka artikkelit julkaistaan vain ilmaisessa nettiarkistossa arXiv. Mainitsin myös huhuista, että kosmologiaan olisi tulossa vastaava julkaisu. Nyt tuo nimellä Open Journal of Astrophysics (OJA) varustettu lehti on myös avannut ovensa.

Mahdollisuutta kosmologian ja astrofysiikan arXiv-pohjaisesta lehdestä on tutkittu jo vuonna 2007 RIOJA-projektissa, ja kosmologi Peter Coles ehdotti toimeen tarttumista kesällä 2012. Coles on OJA:n päätoimittaja, ja hän kertoo blogissaan lehden käytännöistä. Blogissa on myös toimituspäällikkö Adam Beckerin havainnollistava video lehden toiminnasta.

OJA:ssa julkaiseminen ja sen lukeminen on ilmaista. Vertailun vuoksi, Discrete Analysis velottaa 10 dollaria per artikkeli, ja perinteisissä lehdissä julkaiseminen maksaa tiedeyhteisölle noin 3800-5000 euroa per artikkeli. Naturen uutisessa OJA:sta yksi haastateltu astrofyysikko sanoo, että tällaista lehteä ei tarvita, koska artikkelit ovat kuitenkin arXivista saatavissa. Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten tärkeää kirjastojen olisi kertoa tutkijoille, miten kalliita lehdet ovat ja miten niihin uppoaa tieteen budjetista miljardeja euroja vuosittain.

Koska arXivista ei ole mahdollista vetää artikkeleita pois näkyvistä vaikka haluaisi, OJA toteuttaa open accessin sen laajimmassa merkityksessä. Lehdellä ei ole mitään mahdollisuutta tulevaisuudessakaan laittaa artikkeleita maksumuurin taakse eikä muutenkaan estää ketään lukemasta artikkeleita, ja ne ovat luettavissa, vaikka lehti lakkaisi olemasta. Artikkelit julkaistaan Creative Commonsin Attribution-lisenssillä, ja verkkosivujen koodi on avoin MIT-lisenssillä.

Se, että tutkijayhteisö perustaa uusia lehtiä julkaisijoiden kohtuuttomien hintojen ohittamiseksi ei ole uutta. Hiukkasfysiikan Journal of High Energy Physics (JHEP) perustettiin 1997 tässä hengessä, ja sitä seurasi 2003 Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP). Molemmista tuli nopeasti alan johtavia lehtiä. Nyt niidenkin hinnat tosin ovat turhan korkeat ja ne ovat mukana haitallisessa SCOAP³-hankkeessa. Joidenkin kaupallisten matematiikan lehtien toimituskunnat ovat eronneet jo kymmenisen vuotta sitten ja perustaneet halvempia lehtiä, ja muilla aloilla on toimittu samoin.

Nyt kuitenkin uudesta lehdestä on karsittu kaikki tarpeeton. JHEP ja JCAP jo lopettivat paperille painamisen, OJA lopettaa arXivista erillisen julkaisemisen ja hoitaa ainoan asian, mihin lehtiä vielä tarvitaan, eli vertaisarvioinnin.

OJA:n vertaisarviointi noudattaa samaa kaavaa kuin muidenkin lehtien, mutta arviointikommentit voidaan julkaista kirjoittajien ja arvioijien suostumuksella. Tämä on omiaan parantamaan vertaisarviointia ja lehden toimittajien motivaatiota arvioida vertaisarvioinnin laatua, mikä on nykyään hyvin vaihteleva. OJA:ssa on kätevä käyttöliittymä vertaisarvioinnille: kommentit ja vastaukset niihin merkitään suoraan paperin pdf:ään, ja arvioijien ja kirjoittajien on mahdollista kommentoida toistensa huomioita. Onkin jo aika päivittää arviointi käyttämään nykyaikaisia toimitusmenetelmiä erillisten raporttien ja vastausten sijaan, joissa viittaaminen paperin tiettyyn riviin tai yhtälöön on kömpelöä.

Coles toivoo, OJA:n sapluunalla tehtäisiin lehtiä muille aloille. Ovet ovat auki: tekninen toteutus on vapaasti käytettävissä, tarvitaan vain nimekkäitä tutkijoita, jotka ryhtyvät editoreiksi ja joitakuita auttamaan teknisen osuuden pyörittämisessä, mistä lienee kohtuullisen vähäinen vaiva. Arkistopohjainen lehti tietysti edellyttää sitä, että alalla on olemassa arXivin kaltainen nettiarkisto, missä artikkelit julkaistaan.

Coles kuvailee, että lehti on ”palvelus akateemiselle yhteisölle, ei voittoa hakeva hanke”. Tällainen toiminta on mahdollista, koska tieteilijöille ei makseta palkkaa ennalta määrättyjen tehtävien suorittamisesta, vaan heillä on vapaus toimia tieteen edistämiseksi parhaaksi katsomallaan tavalla, vaikkapa pistämällä pystyyn uusia lehtiä ja nikkaroimalla niiden verkkosivuja julkaisujen määrän maksimoimisen sijaan. Nykyään kuulee sellaistakin, että tällainen akateeminen vapaus olisi vanhanaikaista ja jotenkin vastakkaista ’huippututkimukselle’ ja sovellusten saamiselle, mutta tilanne on aivan päinvastoin: tieteen edistyminen ja yllättävät sovellukset edellyttävät toiminnan vapautta.