Kosmokseen kirjoitettua

Aallot ajua lisää

22.6.2016 klo 23.07, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime kuussa Helsingissä vieraillut LIGO-tutkimusryhmän jäsen Stefano Foffa lupaili gravitaatioaaltouutisia kesäkuulle, emmekä joutuneet pettymään. Viikko sitten LIGO julkaisi toisen gravitaatioaaltohavaintonsa.

LIGOn ensimmäinen havaintokausi kesti neljä kuukautta, viime syyskuusta tammikuuhun. Ensimmäisen gravitaatioaaltonsa LIGO näki heti syyskuussa. Toinen aalto kulki Maapallon läpi tapaninpäivänä. LIGO saattoi nähdä niiden välissä lokakuussa kolmannenkin aallon, mutta todennäköisyys sille, että kyseessä on signaali eikä kohinaa on vain 87%, joten varmoja havaintoja on vain kaksi.

Sekä joulukuun että syyskuun aallot syntyivät kahden mustan aukon törmäyksessä. Syyskuun aukot olivat yllättävän isoja, niiden massa oli noin 30 Auringon massaa, joulukuun aukot olivat kevyempiä, 14 ja 8 Auringon massaa. Niinpä niiden lähettämät gravitaatioaallotkin olivat heikompia: törmäyksessä aukkojen massasta noin yhden Auringon verran muuttui gravitaatioaalloiksi. Tämä on vain kolmannes syyskuun törmäyksen aaltojen energiasta. LIGOn havaintoherkkyyden rajoissa oleva joulukuun aallon osa kesti sekunnin, minkä aikana 55 aallonharjaa pyyhki laitteiden läpi. Toisin kuin syyskuun aaltoa, tätä ei olisi havaittu, ellei sitä vastaavaa signaalia olisi löytynyt LIGO-ryhmän simulaatiokirjastosta. Uutta oli se, että ainakin toinen aukoista pyöri vinhaan akselinsa ympäri hyrrän lailla.

Toisen gravitaatioaallon näkeminen auttaa kartoittamaan poikkeamia yleisestä suhteellisuusteoriasta. Molemmat signaalit ovat sopusoinnussa sen kanssa, mitä suhteellisuusteoria ennustaa mustien aukkojen törmäyksistä. Teoria on kuitenkin sen verta monimutkainen, että tarvitaan lisää havaintoja kaikkien mahdollisten poikkeamien tarkkaan rajoittamiseen – tai jonkun niistä havaitsemiseen. Jotkut poikkeamat on nyt rajoitettu olemaan korkeintaan 10% luokkaa, toiset voisivat vielä olla muutaman sadan prosentin suuruisia.

LIGOn herkkyys paranee koko ajan. Tutkimusryhmä arvioi näkevänsä syksyllä alkavan puolen vuoden havaintokauden aikana ainakin kymmenen aaltoa. Ensi vuoden yhdeksän kuukautta kestävän kauden aikana haaviin pitäisi jäädä useita kymmeniä. Alun perin mustia aukkoja pidettiin eksoottisina kummajaisina. On sykähdyttävää ajatella, että jos LIGO saavuttaa suunnitellun herkkyyden, niin saamme elää aikana, jolloin mustien aukkojen törmäyksiä nähdään päivittäin.

---

Käänteitä taivaankannen selityksessä

30.5.2016 klo 21.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhuin toukokuussa inflaation ja Higgsin kentän mahdollisesta yhteydestä (esityksen kalvot ovat täällä), joten kirjoitanpa siitä jotakin tänne.
Inflaatio on yksi kosmologian tärkeimmistä tutkimuskohteista. Inflaatioidean mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyi ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana ja maailmankaikkeus venyi miljardeja miljardeja miljardeja kertoja isommaksi. Inflaation aikaiset kvanttivärähtelyt muodostivat siemenet, joista maailmankaikkeuden kaikki rakenne on syntynyt. Niiden alkuperäinen muoto näkyy selkeimmin kosmisessa mikroaaltotaustassa.

Inflaatiosta arvellaan olevan vastuussa jokin koko avaruuden täyttävä kenttä. On esitetty satoja erilaisia ideoita siitä, millainen tämä kenttä tismalleen on. Voi olla, että kyseessä on jokin toistaiseksi tuntematon kenttä, mutta kokeellisesti työhön sopivia ehdokkaita tunnetaan tismalleen yksi: Higgsin kenttä, johon liittyvän Higgsin hiukkasen CERNin LHC-kiihdytin löysi vuonna 2012. Higgsin kenttä täyttää koko avaruuden tasaisesti, ja se antaa tunnetuille alkeishiukkasille (paitsi ehkä neutriinoille) massat.

Ajatuksen siitä, että Higgs olisi vastuussa inflaatiosta, esittivät Lausannessa Sveitsissä työskentelevät Fedor Bezrukov ja Mikhail Shaposhnikov vuonna 2007. Ajatus herätti paljon mielenkiintoa, ja sitä kohtaan esitettiin pian kritiikkiä. Yksi asia, josta on erityisesti kiistelty on se, miten inflaation, ja sen myötä kosmisen mikroaaltotaustan, yksityiskohdat riippuvat Higgsin massasta. Tuolloin LHC ei ollut vielä käynnistynyt, eikä Higgsin hiukkasen massaa tunnettu tarkkaan, oli vain laaja alue, missä sen tiedettiin olevan.

Bezrukovin ja Shaposhnikovin alkuperäisessä ehdotuksessa inflaatio tapahtuu jokseenkin samalla tavalla riippumatta siitä, mikä Higgsin massa tarkalleen on. Arvostelijat kuitenkin huomauttivat heti vuonna 2008, että kun otetaan huomioon muiden hiukkasten kvanttimekaaninen vaikutus Higgsin kenttään, sen käytös muuttuu siten, että inflaation yksityiskohdat riippuvat herkästi Higgsin massasta. Katsomalla taivaalta tulevia mikroaaltoja ja sitä, miten galaksit ovat jakautuneet miljoonien ja miljardien valovuosien mittakaavassa voidaan ennustaa, mikä Higgsin massan pitäisi olla. Arvostelijoiden mukaan muutos on vieläpä sellainen, että taivaankannen näkymät selittääkseen Higgsin pitäisi olla raskaampi kuin mitä kiihdytinhavainnot sallivat.

Higgs-inflaation kehittäjät ja muut tutkijat vastasivat tähän tekemällä entistä tarkempia laskuja siitä, miten kvanttiefektit vaikuttavat Higgsiin. Heidän tuloksensa vahvistivat, että inflaation kulku tosiaan riippuu Higgsin massasta, mutta osoittivat, että Higgsin ei tarvitse olla niin raskas kuin mitä oli väitetty: taivaan kuviot ovat sopusoinnussa kiihdytinten hiukkastörmäysten kanssa. Kun Higgsin massa saatiin vuonna 2012 tarkkaan selville, se oli niissä rajoissa, mitä Higgs-inflaatiomalli ennustaa.

Seuraava koettelemus oli se, että BICEP2-tutkimusryhmä väitti havainneensa inflaatiossa syntyneitä gravitaatioaaltoja. Ne olivat paljon voimakkaampia kuin ne, mitä Higgs-inflaatiossa oli ennustettu syntyvän. Bezrukov ja Shaposhnikov vastasivat osoittamalla, että on olemassa tapa saada Higgs-inflaatiosta voimakkaampia gravitaatioaaltoja, säätämällä muiden hiukkasten kvanttivaikutuksen yksityiskohtia tismalleen oikealla tavalla. Kun osoittautui, että BICEP2 oli nähnyt Linnunradan pölyä eikä muinaisten aikojen gravitaatioaaltoja, niin vanhakin versio Higgs-inflaatiosta kelpasi taas. Itse asiassa Higgs-inflaation ennusteet näyttivät sopivan Planck-satelliitin tekemiin tarkkoihin mittauksiin aivan erinomaisesti.

Kvanttimekaanisiin vaikutuksiin Higgsin kenttään on kuitenkin pitänyt vielä palata, ja ne ovat osoittautuneet odottamattoman kiperiksi. Higgsin käytös LHC:n törmäysenergioilla tunnetaan tarkkaan, mutta Higgs-inflaatiossa on kyse ainakin sata miljardia kertaa isommista energioista. Kun mennään korkeampiin energioihin, Higgsin käytös muuttuu, eikä se ole enää niin sävyisä kuin LHC:ssä.

Hiukkasfysiikan Standardimallin kertoo kauniisti, miten tunnettujen kenttien ja hiukkasten vuorovaikutukset riippuvat energiasta. Niinpä LHC:n mittausten pohjalta pitäisi olla mahdollista laskea, miten Higgs toimii inflaation aikana (olettaen, että välissä ei ole mitään toistaiseksi tuntematonta Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa, joka vaikuttaisi Higgsiin liikaa). Ongelmana on se, että inflaatiota tutkittaessa pitää ottaa huomioon hiukkasfysiikan lisäksi myös gravitaatio. Vuosikymmenten yrityksistä huolimatta ei ole saatu selville, miten gravitaatio ja kvanttiteoria oikein yhdistetään kvanttigravitaatioksi.

Inflaatio on toistaiseksi ainoa alue, missä kvanttigravitaatiota on pystytty kokeellisesti tutkimaan, eikä useimmissa inflaatiomalleissa tarvitse tietää tarkkaan, mistä kvanttigravitaatiossa on kysymys, pari yksityiskohtaa riittää ennustusten tekemiseen. Higgs-inflaation tapauksessa tarvitaan kuitenkin tavallista tarkempi ymmärrys siitä, miten gravitaatiota pitää kvanttimekaanisesti käsitellä. Asia on vielä tutkimuksen ja kiistelyn aiheena, eikä ole selvää, mitä Higgs-inflaation ennusteille käy.

Maaliskuussa Vera-Maria Enckell ja Kari Enqvist Helsingin yliopistosta sekä Sami Nurmi Jyväskylän yliopistosta julkistivat tutkimuksensa, jossa he lähestyvät asiaa agnostikon näkökulmasta. He jättävät avoimeksi sen, mikä kvanttikorjausten vaikutus tarkalleen on, ja käyvät läpi kokonaisen kirjojan vaihtoehtoja selvittääkseen sen, millaisia ennusteita Higgs-inflaatiosta ylipäänsä voi saada.

Toinen Higgs-inflaation mielenkiintoinen piirre on se, että sen ennusteet riippuvat gravitaatioteorian yksityiskohdista enemmän kuin useimpien inflaatiomallien, vaikka kvanttimekaniikkaa ei otettaisi huomioon. Jos inflaatiosta on vastuussa on Higgs, niin se voi tarjota ikkunan hiukkasfysiikan lisäksi myös gravitaatioon, mikä on eräs tämänhetkinen tutkimusaiheeni, jatko-opiskelija Pyry Wahlmanin kanssa.

Higgs-inflaation käänteet ovat esimerkki siitä, miten tutkimus etenee. Alkuperäistä ideaa kritisoidaa joskus rankastikin; osa huomioista on oikein, osa väärin, jotkut ristiriitaisia ja paljon on hämärää. Sen lisäksi, että teoreetikot ovat usein väärässä, niin BICEP2:n tapaus osoitti, että väitetyt havainnotkin ovat joskus pielessä, joten ei kannata heittää roskakoriin turhan helposti. Kun asioiden oikea laita lopulta saadaan selville, niin historian voi kirjoittaa yksinkertaiseen muotoon ja osa menneistä huolista voidaan pyyhkiä pois, mutta tutkimusta tehdessä asiat eivät ole ollenkaan niin selkeitä.

---

Isoja aukkoja, nopeita räjähdyksiä ja pieniä vuoria

23.5.2016 klo 17.30, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla tuttuni Stefano Foffa Geneven yliopistosta käväisi Helsingissä puhumassa gravitaatioaalloista. Stefano kuuluu LIGO-tutkimusryhmään, joka helmikuussa ilmoitti tehneensä syyskuussa historiallisen löydön ja havainneensa kahden mustan aukon törmäyksestä noin miljardi vuotta sitten syntyneet gravitaatioaallot.

Jo helmikuussa oli huhuja, että LIGOlla on pussissa enemmänkin havaintoja, joita ei oltu ehditty käydä kokonaan läpi. Stefano vahvisti tämän sanomalla, että oli toivonut voivansa kertoa meille uusista tuloksista, mutta valitettavasti niiden julkistaminen on viivästynyt kesäkuulle.

LIGO-havaintolaitteiden nykyinen versio advanced LIGO näki gravitaatioaaltoja jo vähän ennen kuin se varsinaisesti edes oli tiedekäytössä. Tämä voi viitata siihen, että musta aukko –pareja onkin luultua enemmän ja havaintoja saadaan paljon, mutta nyt niitä odotellaan tulevan noin kerran kuukaudessa. LIGOn havaitsemien mustien aukkojen massa oli myös yllättävän iso, noin 30 Auringon massaa, ja on kiinnostavaa katsoa, onko tällaisia keskikokoisia mustia aukkoja olemassa paljon, vai oliko tämä poikkeus.

LIGO on avannut gravitaatioaaltotähtitieteen aikakauden, ja suuri havaintomäärä mahdollistaa asioiden tutkimisen uudella tavalla. Esimerkiksi syyskuun havainnon perusteella ei vielä pysty kovin hyvin rajoittamaan mahdollisia poikkeamia yleisestä suhteellisuusteoriasta. Ongelmana on se, että jos muokkaa suhteellisuusteoriaa jollain tavalla, niin signaalia voi säätää toiseen suuntaan muuttamalla sitä, millainen mustien aukkojen järjestelmä on – mikä on niiden pyörimissuuntien suhde, missä kulmassa ne lähestyvät toisiaan, missä asennossa niiden pyörimistaso on meihin nähden, ja niin edelleen. Kun havaitaan suuri määrä erilaisia järjestelmiä, tämä epävarmuus saadaan poistettua, koska teorian muutokset vaikuttavat kaikkiin niistä samalla tavalla, mutta yksilölliset piirteet eri tavalla.

Mustien aukkojen ja neutronitähtien törmäysten lisäksi LIGOlla on mahdollisuus nähdä gravitaatioaaltoja nopeasti pyörivien neutronitähtien vuorista sekä kenties supernovaräjähdyksistä. Jälkimmäistä rajoittaa se, että supernovaräjähdysten yksityiskohtia ei vielä ymmärretä, vaikka niillä on keskeinen asema maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen luotaamisessa. Mustat aukot ovat gravitaation kannalta äärimmäisiä ilmiöitä, alueita joissa tila kaartuu itseensä, niin että sieltä ei pääse pois. Niiden käsitteleminen on kuitenkin sikäli suoraviivaista, että voi vain laittaa yleisen suhteellisuusteorian lait ohjelmaan ja pistää koneen raksuttamaan. (Tämä ei ole ihan niin helppoa kuin miltä se kuulostaa.) Supernovissa pitää seurata gravitaation lisäksi myös ydinräjähdysten syttymistä ja räjähdysrintaman etenemistä sekä valon ja neutriinoiden kulkua tähden sisällä. Vaikka kaikki tähän liittyvä fysiikka tunnetaan periaatteessa, on näiden monimutkaisten tapahtumien tarkka laskeminen hankalaa.

Gravitaatioaallot ovat heikkoja, joten on suuri apu, jos tietää tarkkaan, mitä etsii. LIGOlla on mustien aukkojen törmäyksistä satojen tapahtumien kirjasto, johon havaintoja verrataan. Odotettua signaalia käytetään suodattimena, jolla kohinasta seulotaan signaalia. Ideana on se, että koska kohina ei ole korreloitunut signaalin kanssa, niin mitä pidempi havaintojakso on, sitä selvemmin signaali näkyy kohinan seasta. Mustien aukkojen tapauksessa seuranta-aikaa rajoittaa se, että niiden lähettämien gravitaatioaaltojen taajuus riippuu siitä, miten lähellä ne ovat toisiaan: mitä lähempänä aukot ovat, sitä nopeammin ne kieppuvat ja sitä isompi on aaltojen taajuus. Kun aukot ovat liian kaukana toisistaan, niiden lähettämien aaltojen taajuus on liian pieni, eli aallonpituus on liian iso, että LIGO näkisi niitä. Supernovien tilanne on vielä hankalampi, koska niiden gravitaatioaaltosignaalista puuttuu aukkojen lähestymistä vastaava osuus, jonka avulla signaali löytyy kohinasta, siinä on vain loppukiihdytys.

Neutronitähtien vuorien kohdalla tilanne on päinvastainen. Neutronitähdet ovat eläkkeelle siirtyneitä tähtiä, jotka ovat kutistuneet hyvin pieniksi, suunnilleen kymmenen kilometrin kokoisiksi. Tämän takia ne pyörivät hyvin nopeasti – kun pyörivä kappale pienenee, se pyörii nopeammin, kuten taitoluistelussa näkee. Neutronitähdet ovat hyvin tasaisia, mutta niiden pinnalla saattaa olla millimetrin kokoisia poikkeamia pallon muodosta. Nopean pyörimisliikkeen takia näiden pienten epätasaisuuksien lähettämät gravitaatioaallot saattavat olla havaittavissa LIGOlla. Niiden tilanne on päinvastainen kuin supernovilla: signaalissa ei ole mitään erityistä huippua, se on kokonaan kohinan alla, mutta toisaalta juuri siksi, että signaali ei muutu, sitä voidaan seurata vuosien ajan, niin että mitä pidempään havaintoja tehdään, sitä paremmin neutronitähtiä pitäisi näkyä.

Havaintoja on tulossa paljon lisää. LIGOn havaintoasemien verkkoon palaa kahden Yhdysvalloissa olevan aseman lisäksi tänä syksynä kolmas, Italiassa oleva Virgo. Rakenteilla on myös ainakin kaksi uutta havaintoasemaa. Viikon sisällä siitä, kun LIGO helmikuussa ilmoitti onnistumisestaan Intian hallitus päätti, että Intiaan rakennetaan LIGOn kanssa yhteistyössä uusi havaintoasema LIGO-India. Japaniin rakennetaan par’aikaa havaintolaitetta nimeltä KAGRA, joka aloittanee toimintansa vuoden 2020 tienoilla.

Havaintoasemien määrä ei auta vain kohinan vaimentamisessa, niiden avulla saadaan myös paremmin selville gravitaatioaaltojen tulosuunta. LIGOn kahden havaintoaseman avulla pystyy vain määrittämään taivaalla kaaren, jolla aaltojen lähde sijaitsee. Kolmella detektorilla lähteen paikan saa rajoitettua kahden kaaren risteyksiin, ja neljällä yhteen pisteeseen, tai käytännössä pieneen läiskään. Tästä on apua, jos halutaan selvittää, näkyykö taivaalla gravitaatioaaltolähteen lähettämää sähkömagneettista säteilyä. Supernovien pitäisi näkyä taivaalla, kun taas kahden mustan aukon paikalla lähettämän säteilyn odottaisi olevan liian heikkoa, että sen näkisi satojen miljoonien valovuosien päästä. On tosin väitetty, että kiertoradalla oleva Fermi-teleskooppi olisi nähnyt gammasäteitä (eli korkeaenergistä sähkömagneettista säteilyä), jotka olisivat peräisin LIGOn näkemästä kahden mustan aukon törmäyksestä. Tämä olisi hyvin yllättävää, ja tulevilla havainnoilla saadaan varmistettua asian laita.

---

Voimalinjojen siemenet

28.4.2016 klo 21.55, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Eräs maailmankaikkeuden silmiinpistävimpiä piirteitä on se, että siinä on rakenteita hyvin pienestä äärimmäisen isoon mittakaavaan. Galaksien superryppäiden tyypillinen koko on kymmenen miljoonan valovuoden luokkaa, ja isoin tunnettu rakenne on miljardin valovuoden pituinen galaksirihma Sloan Great Wall, joka on nimetty Sloan Digital Sky Surveyn mukaan. Rihman itse asiassa näki ensin havaintoprojekti 2dFGRS, mutta he eivät keksineet nimetä sitä.

Lisäksi niidenkään galaksien, jotka eivät kuulu isompiin rakenteisiin, sijainnit eivät ole riippumattomia toisistaan. Galaksit eivät ole syntyneet maailmankaikkeuteen tasaisesti sinne tänne, vaan niiden jakaumalla on tarkka muoto.

Paras selitys tämän rakenteen alkuperälle on kosminen inflaatio. Inflaatioidean mukaan maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla kenttä nimeltä inflatoni täytti koko avaruuden. Inflatoni kiihdytti avaruuden laajenemista, mikä puolestaan venytti inflatonin kvanttivärähtelyjä kosmisiin mittoihin ja jäädytti ne paikalleen. Nämä inflatonin epätasaisuudet ovat sittemmin olleet galaksien ja muun rakenteen siemeniä.

Näkyvien galaksirihmastojen, ja niiden taustalla olevan pimeän aineen, lisäksi maailmankaikkeudessa on isoja rakenteita, jotka eivät koostu aineesta, vaan magneettikentistä. Magneettikenttien linjat ulottuvat valovuosista suurimpaan havaittavaan mittakaavaan, kymmeniin miljardeihin valovuosiin. (Olen aiemmin kirjoittanut, että miljoonaa valovuotta isompia magneettikenttiä ei havaittu. Tutustuttuani aiheeseen enemmän olen sitä mieltä, että se oli ehkä turhan varovainen arvio, vaikka havainnoista kiistelläänkin vielä.)

Galaksien magneettikentät ovat noin miljoona kertaa Maapallon magneettikenttää heikompia, mutta kosmisessa mittakaavassa ne ovat aika voimakkaita. Ne ovat vahvistuneet samalla tavalla kuin Maapallonkin magneettikenttä. Sähkövaraukset synnyttävät sähkökenttiä, ja pyörteiset sähkökentät synnyttävät magneettikenttiä. Maapallon metalliytimessä kiertävät sähkövirrat saavat aikaan magneettikenttiä, ja niissä liikkuvat sähkövaraukset synnyttävät lisää sähkövirtoja, jotka taas vahvistavat magneettikenttiä. Samalla tapaa galaksien pyöriminen voimistaa niiden magneettikenttiä. Galakseissa ei kuitenkaan ole samanlaisia isoja sähkövirtoja kuin Maapallon ytimessä, joten on epäselvää, mistä niiden magneettikentät ovat saaneet alkunsa.

Vielä hankalampi on selittää sitä, että magneettikenttiä on löydetty myös galaksien välisestä avaruudesta, miljardien valovuosien pituudelta. Ne ovat paljon galaksien kenttiä heikompia, ei tiedetä tarkalleen kuinka paljon: ainakin tuhat kertaa, kenties jopa sata miljoonaa kertaa heikompia. Suurimmillaan ne olisivat sattumoisin yhtä vahvoja kuin ihmisen aivojen magneettikentät. Ensi silmäyksellä yksinkertaisin selitys näille kentille olisi se, että ne ovat vuotaneet galakseista. Näitä isokokoisia magneettikenttiä vaikuttaa kuitenkin olevan jo melko varhaisessa maailmankaikkeudessa, ja on vaikea selittää sitä, miten ne olisivat ehtineet muodostua galakseissa ja valua ulos tarpeeksi nopeasti.

Eräs mahdollinen selitys on se, että galaksienväliset magneettikentät ja galaksien alkumagneettikentät eivät ole syntyneet sähkökentistä, vaan tyhjästä. Jos galaksien siemenet ovat syntyneet inflaation aikana kvanttifluktuaatioista, niin ehkä sama pätee magneettikenttiin? Tämä selittäisi magneettikenttien ison koon: ne ovat venyneet inflaation aikana.

Ongelmana on kuitenkin se, että magneettikentän kvanttifluktuaatiot käyttäytyvät laajenevassa avaruudessa eri tavalla kuin inflatonin. Kvanttifluktuaatioita on koko ajan kaikkialla, mutta arkioloissa ne ovat hyvin pieniä ja lyhytkestoisia. Kiihtyvä laajeneminen venyttää inflatonin värähtelyt kosmisiin mittoihin ja jäädyttää ne paikalleen. Näin pienestä värähtelystä syntyy mittavia epätasaisuuksia. Sähkömagneettinen kenttä käyttäytyy toisin: sen värähtelyt eivät jäädy paikalleen, ne vain jatkavat pomppimista ylös ja alas, vaikka avaruus kuinka laajenisi.

Jos tunnetut fysiikan lait eivät tuota haluttua tulosta, niin voi keksiä uusia. Magneettikenttien esimerkiksi ei odottaisi vuorovaikuttavan inflatonin kanssa, koska inflatonilla ei ole sähkövarausta. Jos kuitenkin muuttaa fysiikan lakeja siten, että magneettikentät kytkeytyvät suoraan inflatoniin tarvitsematta sähkövarausta, niin inflatoni antaa niille lisäpotkua, ja niiden kvanttivärähtelyt muuttuvat siten, että ne voivat synnyttää havaitut magneettikentät – ehkä.

Tässäkin on ongelmansa. Yksi on se, että kvanttivärähtelyt eivät synnytä vain magneettikenttiä, vaan myös sähkökenttiä, ja niistä tulee helposti liian voimakkaita. Toinen ongelma on se, että kun inflatoni antaa pontta magneettikentille, ne helposti rupeavat vuorovaikuttamaan sähköisesti varattujen hiukkasten kanssa liian voimakkaasti, jolloin tapahtumien seuraaminen muuttuu hyvin hankalaksi.

Itse työstän yhteistyökumppanieni kanssa artikkelia, jossa luulimme hetken keksineemme tavan välttää yllämainitut ongelmat. Olemme kuitenkin päätyneet vain toteamaan, miten vaikeaa se on, ja kaventamaan entisestään ratkaisun mahdollisuuksia.

---

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.