Kruunan ja klaavan mysteeri
Tämänpäiväinen kolumnini Helsingin Sanomissa päättyy näin:
”Arjen yksinkertaisuus on yksi fysiikan suurimpia mysteerejä.”
Läikkä onkalon takana
Toukokuussa kosmologi Fabio Finelli ja kumpp. julkistivat yllättävän tutkimuksen, jonka mukaan ’superonkalo’ (engl. supervoid) selittää miksi kosmisessa mikroaaltotaustassa on kylmä läikkä (engl. cold spot).
Ajattelin kirjoittaa asiasta, koska se on saanut jonkin verran julkisuutta –suurelle yleisölle suunnattu New Scientist –lehti kirjoitti aiheesta heinäkuussa– ja koska yhteistyökumppanini ja minä laitoimme tänään julki artikkelimme, jossa osoitamme, että väite ei pidä paikkaansa. Eräs kollega ehti edelle ja julkisti eilen artikkelinsa, jonka tulos on yhtäpitävä meidän tuloksemme kanssa.
Yritän avata sitä, mistä on kysymys. Usein kysytään, millaista kosmologian tutkimuksen tekeminen on, ja tämä tapaus kenties valaisee asiaa.
Kosminen mikroaaltotausta on eräs tärkeimpiä kosmologisia havaintoja. Se koostuu mikroaalloista, eli näkymättömästä valosta, jotka täyttävät maailmankaikkeuden tasaisesti, niin että niitä matkaa suunnilleen yhtä paljon kaikkiin suuntiin, ja kaikilla on suunnilleen sama energia. Erot ovat vain sadastuhannesosan kokoisia.
Tämä tukee voimakkaasti sitä, että maailmankaikkeus on hyvin samanlainen joka puolella. Galaksit, niiden jakauma ja luonnonlait vaikuttavan olevat samanlaiset lähiympäristössä ja miljardien valovuosien päässä.
Sen lisäksi, että kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ovat pieniä, ne ovat tilastollisesti samanlaisia kaikkialla. Mahdollisia poikkeamia tilastollisesta samanlaisuudesta on etsitty tarkkaan, ja jotkut mahdolliset havainnot joistain erityisistä suunnista nostettiin mikroaaltotaustaa mitanneen Planck-satelliitin merkittävimmiksi tuloksiksi, kun sen data julkistettiin viime vuonna.
Sana ’mahdolliset’ on tärkeä. Koska voimme tehdä mittauksia vain yhdessä maailmankaikkeudessa, ei ole aivan suoraviivaista sanoa, onko se tilastollisesti poikkeuksellinen. Yleensä tilastollisia ominaisuuksia arvioidaan vertaamalla useita havaittuja tapauksia. Esimerkiksi noppia heitetään monta kertaa, jotta saataisiin selville, ovatko ne painotettuja, vai onko todennäköisyys sama kaikille tuloksille.
Koska meillä on vain yksi taivas silmiemme yllä, kosmologiassa tehdään toisin päin. Oletetaan tietty tilastollinen jakauma, lasketaan tietokoneella taivaita, joilla on tämä jakauma ja arvioidaan sitten näyttääkö havaittu taivas tyypilliseltä laskettujen taivaiden joukossa.
Kysymys tyypillisyydestä on jossain määrin mielipidekysymys. Jos heitän kourallisen kolikoita ympäri huonetta ja kysyn sitten, mikä oli todennäköisyys, että kolikot päätyivät juuri niihin paikkoihin mihin ne laskeutuivat, niin jakauma vaikuttaa hyvin epätodennäköiseltä. Samoin, jos huomaan tietyn kasan kolikoita ja kysyn, kuinka usein tällaisia kasoja syntyy, niin vastaus ei välttämättä anna rehellistä kuvaa siitä, onko tulos tyypillinen, koska muilla kerroilla olisi voinut syntyä toisenlaisia kasoja, joita olisin pitänyt yhtä kummallisina.
Eräs eniten huomiota saanut poikkeama mikroaaltotaivaalla on nimeltään kylmä läikkä. Se on iso alue taivaalla, josta tulevat mikroaallot ovat keskimääräistä paljon kylmempiä. Noin yhdestä tietokoneella lasketusta taivaasta tuhannen joukossa löytyy vastaava alue, joten jotkut pitävät sitä epätavallisena. Avainsana on kuitenkin ’vastaava’. Nimestään huolimatta alue ei nimittäin ole poikkeuksellisen kylmä verrattuna tyypillisten taivaiden kylmimpään alueeseen – joku aluehan on aina kylmin. Alueesta tekee poikkeuksellisen se, että kylmää keskustaa ympäröi harvinaisen muotoinen kuuma kehä.
On eri näkemyksiä siitä, onko huomion kiinnittäminen tähän oikeutettua vai ei. Itse en tiedä, miksi olisi syytä etsiä juuri tällaista kehärakennetta. Joissain muissa maailmankaikkeuksissa taivaalla voi sattua olemaan muunlaisia kummallisuuksia.
Monien kosmologien mielestä kylmä läikkä kuitenkin kaipaa selitystä, ja erilaisia vaihtoehtoja on tarjottu. Toukokuussa Finellin ja kumpp. julkistaman artikkelin mukaan läikän takana on kosminen onkalo.
Onkalot ovat alueita, joissa on paljon vähemmän galakseja kuin avaruudessa keskimäärin. Suurin osa maailmankaikkeuden tilavuudesta koostuu onkaloista, joita ympäröivät galakseista koostuvat rihmat ja seinämät. (Max Planck –instituutin sivuilla on aiheesta näyttäviä simulaatioita.)
Koska onkaloissa on keskimääräistä vähemmän ainetta, aineen vetovoima hidastaa niiden laajenemista vähemmän. Tämän takia onkalot laajenevat keskimääräistä nopeammin, joten niiden läpi kulkeva valo venyy enemmän, joten sen lämpötila on pienempi.
Maailmankaikkeudessa on siis onkaloita ja niiden läpi mennyt valo on kylmempää. Tyypillisten onkaloiden vaikutus on kuitenkin niin pieni, että sitä ei pysty erottamaan taivaan sattumanvaraisista vaihteluista.
Kylmän läikän aikaansaamiseen tarvittaisiin onkalo, joka on aivan poikkeuksellisen iso ja syvä. Tämä idea esitettiin jo vuonna 2006. Onkaloiden tyypillinen koko on noin 100 miljoonaa valovuotta, kylmän läikän selittämiseen on ehdotettu kymmenen kertaa isompaa onkaloa, joka on nimetty ’superonkaloksi’.
Isojen onkaloiden löytämisestä raportoidaan aina silloin tällöin, ja aina löydöt eivät pidä paikkaansa. Toukokuussa julkaistiin artikkeli, jossa kerrottiin uskottavasti tällaisen ison onkalon löytymisestä kylmän läikän kohdalta. (Se, että jokin on uskottavaa, ei tarkoita sitä, että se olisi välttämättä totta.)
Finelli ja kumpp. esittivät sitten, että juuri tämä onkalo on vastuussa kylmästä läikästä. Menemättä yksityiskohtiin, vaikka väitetty onkalo olisi olemassa (mikä ei ole epätodennäköistä), sen aiheuttama vaikutus on kuitenkin aivan liian pieni aiheuttaakseen kylmän läikän. Eräs ongelma on se, että onkalo ei ole kovin tyhjä, joten sen laajenemisnopeus ei ole kovin paljon keskimääräistä isompi.
Heti artikkelin tultua julki kollegani Sesh Nadathur, opiskelijani Mikko Lavinto ja minä hahmotimme, että Finellin et al väite on väärin. Otimme mukaan tuttumme Shaun Hotchkissin, joka laski todennäköisyyksiä erilaisten onkaloiden olemassaololle. Muutamassa kuukaudessa kesälomien tahdittamana teimme (minun osuuteni oli varsin vähäinen) laskut ja kirjoitimme tulokset. Osoitimme, että löydetty onkalo ei selitä kylmää läikkää. Mutta se lisäksi laskimme, onkalon selittävän läikä pitäisi olla niin iso ja tyhjä, että sen olemassaolo on epätodennäköisempää kuin se, että läikkä on syntynyt sattumalta.
Tämä on kosmologian arkipäivää: löytyy uusi asia, joka näyttää selittävän jotain aiemmin epäselvää, ja jotkut kiiruhtavat julkistamaan tuloksensa. Muut siten käyvät väitteitä läpi ja varmentavat tai kumoavat ne.
Paljon puhutulla tieteellisten julkaisujen vertaisarvioinnilla on tässä vain pieni rooli. Yhtäkään mainituista artikkeleista ei ole vielä julkaistu. Yksi tai kaksi vertaisarvioijaa eivät ole lainkaan niin tehokkaita totuuden tarkistajia kuin koko kosmologien yhteisö, joten tärkeintä on se, että havainnot ja analyysi ovat kaikkien saatavilla ja syynättävissä.
Tämä on näkynyt myös BICEP2-kokeen kohdalla. Planck-koeryhmän oli määrä julkaista analyysinsä aiheesta elokuuhun mennessä, mutta sitä odotellaan vielä.
Päivitys (22/09/14): Yhteistyökumppanini Sesh Nadathur ja Shaun Hotchkiss ovat kirjoittaneet aiheesta omissa blogeissaan.
Yksi kommentti “Läikkä onkalon takana”
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Avoin julkaiseminen: oppia hiukkasfysiikasta
Vastaa
Hirvittävä merkkipaalu
Palailen lomilta fysiikkaan, kohta tässä blogissakin. Mainitsen edellisen merkinnän tiimoilta vielä Hiroshiman muistopäivänä 6.8. pitämäni puheen. Ote:
”Ensimmäiset ydinaseet kehittäneen Manhattan-projektin johdossa olleelta Robert Oppenheimerilta kysyttiin Yhdysvaltain kongressissa 1946, eikö muutama ihminen voisi salakuljettaa ydinpommin New Yorkiin ja tuhota kaupungin. Oppenheimer vastasi, että tietysti. Huolestunut kongressin jäsen kysyi Oppenheimerilta, miten tällaisen kaupunkiin tuotavan ydinpommin voisi havaita ajoissa. Oppenheimer vastasi: ”ruuvimeisselillä”.”
Yksi kommentti “Hirvittävä merkkipaalu”
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Vastuun hapuilua
Vastaa
Helvetinkoneet ja utopia
Kirjoitan Helsingin Sanomien elokuun kolumnissani ydinaseista ja vastuusta. Puhun aiheesta Hiroshiman tuhoamisen muistotilaisuudessa keskiviikkona 6.8. kello 18 Tikkurilan Veininmyllyllä, osoitteessa Tikkurilantie 42, Vantaa. Tilaisuuden järjestää Vantaan Rauhanpuolustajat.
Aihetta sivuten, kirjoitin Hybris-lehteen utopiasta, joukkotuhosta ja teknologiasta otsikolla ”Unelmia itsemurhan partaalla”. Ensimmäinen kappale on seuraava:
”Ihmiskunta on tienhaarassa. Kymmeniä tuhansia vuosia lajillamme oli niin suuri lukumäärä ja laaja levinneisyys, että sen tuhoutuminen vaatisi maailmanlaajuisen mullistuksen, mutta emme vielä olleet teknologisesti tarpeeksi edistyneitä, että pystyisimme saamaan sellaisen aikaan. 1900-luvulla tilanne muuttui. Joukkotuhoaseiden rakentaminen ja kiihtyvän teollistumisen aiheuttama katastrofaalinen ilmastonmuutos ovat johtaneet siihen, että ihminen saattaa olla yksi meneillään olevassa joukkosukupuutossa häviävistä lajeista. Silloin luultavasti edes mitään geenejämme ei päädy eteenpäin, vaan sukupuumme päättyy.”
Vastaa
Joskus epäily on järjetöntä
Helsingin Sanomien heinäkuun kolumnini päättyy näin:
”Siirtymä kuvitelluista ylhäältä annetuista totuuksista epävarman tiedon todellisuuteen on tieteen keskeinen saavutus. Kohtuuttoman epäilyn esittäminen perustellun epävarmuuden väreissä, jotta ilmastokatastrofiin ei puututtaisi, on surullinen esimerkki tämän saavutuksen väärinkäytöstä.”
Blogit ovat lomalla heinäkuun ajan. Elokuussa pitäisi olla lisäselvyyttä BICEP2:n havainnoista, ja toivon mukaan blogipohja on vaihtunut ja kommentointi toimii taas – tuntuu kummalliselta kirjoittaa tänne saamatta kommentteja ja kysymyksiä.
Vastaa
Portaat muinaiseen maailmaan: askelmista 4 ja 5
BICEP2-koeryhmän väittämästä gravitaatioaaltolöydöstä on tullut uutta tietoa – tai uusia huhuja. Planck-ryhmään kuuluva tutkija kertoi viime viikolla, että heiltä on tulossa heinäkuun loppuun mennessä uusiin havaintoihin perustuva analyysi Linnunradan pölystä peräisin olevasta polarisoituneesta mikroaaltotaustasäteilystä. Tulokset kuulemma tukevat sitä näkemystä, että BICEP2 ei ole nähnyt gravitaatioaaltoja. Planckin uusien tulosten on kokonaisuudessaan määrä tulla julkisiksi vasta lokakuussa.
Olen aiemmin kirjoittanut havaitun BICEP2:n havaitseman polarisaation yhteydestä gravitaatioaaltoihin. Uusien tarkastelujen valossa tämä yhteys on aiempaa huterampi, mutta käsittelen kuitenkin nyt hieman sitä, mitä BICEP2:n havainnoista voisi päätellä, jos ne todella johtuvat gravitaatioaalloista. Vaikka BICEP2 ei olisikaan havainnut gravitaatioaaltoja, voi olla että joku muu lähitulevaisuuden mikroaaltokoe niin tekee.
4) Voivatko havaitut gravitaatioaallot olla peräisin muualta kuin inflaatiosta?
Gravitaatioaallot ovat pieniä häiriöitä gravitaatiokentässä, ja niitä syntyy massojen liikkuessa. Gravitaatioaaltoja syntyy koko ajan, mutta ne ovat tyypillisesti hyvin heikkoja. BICEP2 ei näe aaltoja suoraan, vaan koeryhmä päättelee niiden olemassaolon siitä, että mikroaaltojen polarisaatio on erilainen eri suunnissa taivaalla, satojen miljoonien vuosien etäisyyksillä. BICEP2:n näkemissä aalloissa on erityistä tämä valtava aallonpituus, mikä viittaa siihen, että niiden alkuperä on kosminen inflaatio. Tähän liittyy kosmologisen horisontin käsite.
Maailmankaikkeus on äärellisen ikäinen ja valo kulkee äärellisellä nopeudella, joten näemme vain äärellisen osan maailmankaikkeutta. Näkemämme alueen rajaa kutsutaan kosmologiseksi horisontiksi. Maailmankaikkeuden ikä on noin 14 miljardia vuotta, joten jos maailmankaikkeus ei laajenisi, niin horisontin etäisyys olisi nykyään 14 miljardia valovuotta. Koska maailmankaikkeus laajenee, horisontti on kauempana, noin 50 miljardin valovuoden etäisyydellä. Valon etäisyys lähtöpisteestään ei kasva vain siksi, että valo liikkuu, vaan myös sen takia, että avaruus venyy.
Horisontti kasvaa aina ajan myötä, koska valo on ehtinyt kulkea pidemmän matkan. Tämä ei kuitenkaan välttämättä tarkoita sitä, että myöhemmin näkisi suuremman osan maailmankaikkeutta. Näin tapahtuu vain silloin, kun valon kulkema matka kasvaa nopeammin kuin maailmankaikkeuden osien välinen etäisyys. Jos maailmankaikkeuden laajeneminen hidastuu, näin käy: ajan kuluessa näkyviin tulee uusia alueita, joista ei ole aiemmin saanut mitään tietoa. Jos laajeneminen kiihtyy, käy toisin päin: näkyviin ei tule uusia alueita, ja vanhatkin katoavat hiljalleen näkyvistä. Tällöinkin horisontin sisällä oleva alue kasvaa, mutta sen osuus koko maailmankaikkeudesta pienenee.
Kosmisen mikroaaltotaustan syntyhetkellä maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden ikäinen. Jos maailmankaikkeuden laajeneminen olisi aina hidastunut, valo olisi tuolloin ehtinyt kulkea korkeintaan 760 000 valovuotta. BICEP2:n näkemien gravitaatioaaltojen aallonpituus on samaa suuruusluokkaa. (Tai siis oli tuolloin: maailmankaikkeus on sittemmin laajentunut 1090-kertaisesti, joten gravitaatioaallot ovat venyneet satojen miljoonien valovuosien mittoihin.)
Informaatio kulkee korkeintaan valonnopeudella, joten on vaikea ymmärtää, miten tilanteessa, jossa laajeneminen hidastuu, olisi mahdollista saada aikaan horisontin kokoisia gravitaatioaaltoja. Jos gravitaatioaallot ovat peräisin aineen liikkeestä, niin tämä tarkoittaisi sitä, että aineen pitäisi muuttua samalla tavalla kaikkialla näkyvän maailmankaikkeuden alueella. Yksi mahdollisuus tähän on spekulatiiviset aineen olomuodon muutokset, jotka voivat tuottaa gravitaatioaaltoja, mutta ainakaan toistaiseksi tutkitut vaihtoehdot sovi BICEP2:n havaintoihin.
Kosminen inflaatio ratkaisee ongelman. Inflaation mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyi ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana. Tällöin tyhjän avaruuden kvanttifluktuaatioista syntyi gravitaatioaaltoja. Kiihtyvän laajenemisen takia aaltojen pituus venyi paljon isommaksi kuin maailmankaikkeuden näkyvän osan koko. Inflaation loputtua laajeneminen rupesi taas hidastumaan, joten horisontti alkoi saamaan kiinni näitä aaltoja, ja ne tulivat takaisin näkyviin. Inflaatio saa aikaan aaltoja monilla eri aallonpituuksilla, joten on aina olemassa gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on sama kuin kulloisenkin horisontin.
Tämän takia BICEP2:n tulokset, jos niissä on kyse gravitaatioaalloista, tukevat voimakkaasti ideaa inflaatiosta, ja kertovat sen yksityiskohdista.
5) Mitä havaitut gravitaatioaallot kertovat inflaatiosta?
Koska BICEP2:n tulosten tulkinta on tällä hetkellä hyvin epävarma, kirjoitan niiden merkityksestä inflaatiolle vain lyhyesti.
Gravitaatioaallot kertovat, mikä oli maailmankaikkeuden energiatiheys inflaation aikaan. Koska maailmankaikkeus laajenee, sen energiatiheys (eli energia per tilavuus) laskee. Inflaation aikoihin energiatiheys oli hyvin suuri, joten inflaatiota koskevat havainnot antavat tietoa siitä, millaisia fysiikan lait ovat hyvin korkeilla energioilla.
Inflaation tuottamien gravitaatioaaltojen voimakkuus riippuu energiatiheydestä, ja BICEP2:n mukaan inflaation aikainen energiaskaala oli tuhat miljardia kertaa isompi kuin se, mikä LHC-kiihdyttimessä saavutetaan. Koska energiatiheys laskee ajan myötä, on myös mahdollista arvioida maailmankaikkeuden ikä inflaation aikana, ja BICEP2:n mukaan inflaatio tapahtui maailmankaikkeuden ollessa sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tuhannesosan ikäinen.
Suurimmassa osassa inflaatiomalleja energiaskaala on pienempi, joten niissä syntyy heikompia gravitaatioaaltoja. Esimerkiksi polarisaation B-moodeja ensimmäisenä, viime joulukuussa, havainneen South Pole Telescopen taustamateriaalissa todetaan, että inflaation aiheuttamista gravitaatioaalloista johtuvien B-moodien voimakkuus on isompi kuin gravitaatiolinsseistä aiheutuvien B-moodien (eli yhtä iso kuin mitä BICEP2 väittää) ”kaikissa paitsi optimistisimmissa inflaatiomalleissa”.
BICEP2:n gravitaatioaallot siis heittäisivät roskakoriin suurimman osan inflaatiomalleista. Tämä on erinomaisen hyvä asia tieteen etenemisen kannalta. Kukaan ei liene laskenut, paljonko erilaisia inflaatiomalleja on esitetty, mutta sellaisia malleja, jotka ovat tietyssä mielessä yksinkertaisia, on keksitty noin 200 erilaista. Niistä vain 36 sopii sekä Planckin että BICEP2:n havaintoihin, joten BICEP2 on merkittävästi lisännyt tietoamme inflaatiosta. Oikeita inflaatiomalleja on tietysti korkeintaan yksi, ja tarvitaan tarkempia havaintoja erottelemaan noita jäljellejääneitä 36:ta – sekä uusia inflaatiomalleja, joita on jo kehitetty nimen omaan sopimaan BICEP2:n tuloksiin. On kuitenkin vielä ennenaikaista kuopata yhtään mallia, ennen kuin BICEP2:n tuloksista saadaan selvyys, kenties jo tänä kesänä.
3 kommenttia “Portaat muinaiseen maailmaan: askelmista 4 ja 5”
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Tila kosmologiassa
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Sormustimen verran
Vastaa
Askel taaksepäin
Tuuli on kääntynyt BICEP2:ta vastaan. Koeryhmä ilmoitti 17.3. suurella fanfaarilla havainneensa varhaisen maailmankaikkeuden kosmisessa inflaatiossa syntyneitä gravitaatioaaltoja. Jos tämä pitää paikkansa, niin kyseessä on ensimmäinen varma kokeellinen todiste kvanttigravitaatiosta.
Tarkemmin sanottuna, BICEP2 on nähnyt B-moodeina tunnetun pyörrekuvion taivaalta tulevissa mikroaalloissa. Tästä on monta askelta inflaatiossa syntyneisiin gravitaatioaaltoihin. Ehkä epävarmin on se, ovatko BICEP2:n näkemät polarisoidut mikroaallot osa kosmista mikroaaltotaustaa vai tulevatko ne Linnunradasta. Jos ne ovat peräisin omasta galaksistamme, niin ne eivät kerro mitään varhaisesta maailmankaikkeudesta, ainoastaan kotinaapurustomme pölystä ja magneettikentistä.
Kirjoitin aiemmin seuraavasti:
”Toistaiseksi ei siis ole varmuutta siitä, onko BICEP2:n signaali todella kosmologista alkuperää, eikä selity Linnunradasta tulevalla säteilyllä. Toisaalta analyysissä ei ole mitään ilmeisiä virheitä eikä vakavia puutteita. Lisäksi mitattujen pyörteiden koko taivaalla on juuri se, mitä gravitaatioaalloilta odottaisikin, vaikka niiden voimakkuus onkin hieman odotettua isompi.”
Totesin myös, että:
”BICEP2:sta ilmestyneissä papereissa valtaosasta (ellei peräti kaikissa) on oletettu, että havainnot pitävät paikkansa. Tämä on ymmärrettävää, koska on nopeampaa sanoa, miten valmiit teoreettiset mallit sopivat yhteen uusien havaintojen kanssa kuin ruveta syynäämään sitä, onko havainnot tehty oikein. BICEP2:n datan kriittistä tarkastelua tulee kuitenkin varmasti vielä julki, erityisesti Planck-satelliitin tutkijaryhmältä.”
Sittemmin mainitsin yhdestä artikkelista, jossa on esitetty mahdollinen Linnunradassa oleva lähde BICEP2:n havaitsemille polarisoiduille mikroaalloille. BICEP2:n analyysistä on nyt lisäksi löydetty yksi vakava puute, ja riippumattomat tutkijaryhmät ovat päätyneet siihen johtopäätökseen, että BICEP2:n signaali saattaa olla peräisin Linnunradasta.
BICEP2 katsoi vain pientä osaa taivasta. Suunta oli valittu sen perusteella, että siellä Linnunradasta tulisi mahdollisimman vähän polarisoitunutta mikroaaltosäteilyä. Ongelmana on se, että luotettavia karttoja Linnunradan polarisoituneesta mikoaaltotaustasäteilystä ei ole julkisesti saatavilla. Planck-ryhmä on tehnyt tarkimmat mittaukset, mutta sen oma analyysi on vielä kesken. Datan on määrä tulla julkiseksi lokakuussa, kun Planck on ehtinyt käydä sen läpi huolella. BICEP2:n ilmoituksen jälkeen toukokuussa Planck on julkaissut polarisaatiodataa joistakin taivaan osista, mutta ei BICEP2:n alueesta.
Miten BICEP2 sitten oli arvioinut, kuinka paljon polarisoitunutta säteilyä sen katsomasta alueesta tulee? Yksi mahdollisuus on käyttää erilaisia malleja, jotka sopivat jo tehtyihin havaintoihin. Vaikka nämä havainnot eivät olisi tarpeeksi kattavia, mallien perusteella voidaan ennustaa, millaista polarisaation odottaisi olevan. Tämän perusteella BICEP2 arvioi Linnunradasta tulevan polarisoidun säteilyn voivan selittää vain pienen osan heidän mittaamastaan signaalista.
BICEP2 myös arvioi polarisaatioastetta havainnoista ja viittasi Planckin julkaisemattomaan dataan, tarkemmin sanottuna erään Planck-ryhmän jäsenen puheeseen. Tämä onkin eriskummallinen tapaus. BICEP2-ryhmä on vahvistanut käyttäneensä PowerPoint-esityksessä ollutta polarisaatiokartan kuvaa arvionsa pohjana. Tällaisia analyysejä ei ole tapana tehdä kuvien perusteella, vaan niiden taustalla olevien lukujen: kuvat vain havainnollistavat dataa. Tilanne ei silti ole täysin ainutlaatuinen: PAMELA-kokeen väitetyistä pimeän aineen havainnoista kirjoitettiin tieteellisiä julkaisuja puheessa esitetystä kalvosta otetun valokuvan perusteella.
Planckin kartassa näytettiin taivaan eri suuntien polarisaatioaste, eli se, kuinka suuri osa ei-kosmisesta säteilystä on polarisoitunutta (aiemmassa merkinnässä oli lyhyt selitys siitä, mitä polarisaatio on). Linnunradasta tulevan säteilyn määrä eri suunnissa tunnetaan varsin hyvin. Jos sen lisäksi tiedetään polarisaatioaste, niin voidaan laskea paljonko polarisoitunutta säteilyä on.
Raphael Flauger ja kumppanit ovat toistaneet Planckin esityksessä olleen kuvan analysoimisen. (Aiheesta myös Jesterin ja Sesh Nadathurin blogeissa.) Tutkijaryhmässä on mukana yksi Planck-satelliittia edeltäneen WMAP-satelliitin päätutkijoita, David Spergel. He digitoivat Planck-ryhmän esityksessä olleen kuvan ja muuttivat sen mallintamiseen kelpaavaksi dataksi. He ottivat huomioon digitoimisesta syntyvät virheet, eivätkä ne olleet suurin ongelma. Sen sijaan BICEP2-ryhmä näyttää ymmärtäneen väärin, mitä kartassa näytettiin. Siinä nimittäin oli mukana Linnunradasta tulevan mikroaaltosäteilyn lisäksi Linnunradan ulkopuolisten galaksien infrapunavalo. BICEP2-ryhmä oli ilmeisesti luullut, että kartassa näkyvä polarisaatioaste koskee vain galaksista tulevaa säteilyä.
Linnunradasta tuleva säteily on hyvin polarisoitunutta, eli se aaltoilee enemmän tiettyihin suuntiin, siksi että Linnunrata on erilainen eri puolilla. Esimerkiksi Linnunradan magneettikentät osoittavat tiettyihin suuntiin eivätkä ne ole yhtä voimakkaita kaikkialla.
Linnunrata ei ole poikkeus, muidenkin yksittäisten galaksien valo on polarisoitunutta. Mutta Maapallolle tulee infrapunasäteilyä hyvin suuresta määrästä galakseja. Koska galaksien asento meihin nähden on sattumanvarainen, galaksien yhteenlaskettu valo värähtelee yhtä paljon kaikkiin suuntiin, eli se ei ole voimakkaasti polarisoitunutta.
Esityksessä ollut kartta näytti, kuinka suuri osa Linnunradan mikroaalloista plus muiden galaksien infrapunavalosta on polarisoitunutta. Koska muiden galaksien infrapunavalo on vähemmän polarisoitunutta kuin Linnunradan mikroaallot, mikroaallot ovat voimakkaammin polarisoituneita kuin mikroaaltojen ja infrapunavalon summa. Näin BICEP2 aliarvioi Linnunradasta tulevan valon polarisaatioasteen pahasti.
Tai näin ainakin Flauger ja kumppanit väittävät. BICEP2 ei ole vahvistanut asiaa, mutta tekemällä tuon virheen Flauger ja kumppanit saavat suunnilleen samanlaisen tuloksen kuin BICEP2-ryhmä. Jos virheen korjaa, polarisaatioaste on isompi. Tämä ei kuitenkaan ole lopullinen sana asiasta. Ensinnäkin Planckin esittelemä kuva on alustava, ja toisekseen se on otettu eri aallonpituudella kuin BICEP2:n mittaukset, ja polarisaatioaste riippuu aallonpituudesta.
Lisäksi sekä Flauger ja kumpp. että toinen tutkijaryhmä ovat uudelleen arvioineet malleja Linnunradan polarisaatiosäteilylle, käyttäen Planckin toukokuussa julkaisemia karttoja. Molempien johtopäätös on se, että Linnunradan pölyn ja magneettikentissä liikkuvien hiukkasten lähettämien mikroaaltojen polarisaatio voi olla tarpeeksi voimakasta, ja sen pyörteiden koko voi olla sopiva, selittääkseen kaikki BICEP2:n havainnot.
Nämä analyysit kuitenkin pohjaavat paljolti siihen, mitä tapahtuu Linnunradan tyypillisissä taivaan osissa, kun taas BICEP2 valitsi katsomansa taivaan osan juuri sen perusteella, että se ei ole tyypillinen. Luotettavaa tietoa BICEP2:n katsoman taivaansiivun puhtaudesta ei siis vielä ole.
On mahdollista, että BICEP2 on nähnyt muinaisten gravitaatioaaltojen jäljen, mutta kosmologien yleinen mielipide on kääntynyt innostuneesta epäileväksi. Valoa asiaan tulee BICEP2-koeryhmän uuden Keck-teleskoopin mittauksista, joita tehdään kahdella taajuudella, mikä on tärkeää kosmisen ja Linnunradasta tulevan signaalin erottelemiseksi.
Lopulliseen selvyyteen tarvitaan Planckin tarkkoja mittauksia Linnunradan säteilystä, joiden on määrä tulla julki lokakuussa. Sen verran voi ulkopuolisena sanoa, että Planck-ryhmän jäsenet, jotka olivat kovin vakavina BICEP2:n ilmoittaessa löydöstään, ovat viime aikoina näyttäneet varsin onnellisilta.
Päivitys (20/06/14): BICEP2-ryhmän artikkeli on julkaistu eilen, vertaisarvioinnin jälkeen. Julkaistussa versiossa koeryhmä on ottanut esitetyn kritiikin huomioon ja lieventänyt lausuntojaan. Artikkelissa ei enää väitetä, että Linnunradasta tuleva säteily on tarkasti mallinnettu, sen sijaan siinä sanotaan että ”lisää dataa selvästi tarvitaan tilanteen selvittämiseksi”. Aiempi maininta siitä, että ”B-moodi –kosmologian uusi aikakausi on alkanut” on muuttunut muotoon ”Jos [signaalin] alkuperä on tensorit [eli gravitaatioaallot], mitä yllä esitetty todistusaineisto tukee, niin se kertoo B-moodi –kosmologian uudesta aikakaudesta. Mutta jos nämä B-moodit ovatkin todistusaineistoa korkeasta pölysignaalista, se paljastaa edessä olevien haasteiden mittakaavan”.
Todellisuus on outo ja kosmisia kohtaamisia
Blogipohjaa uudistetaan, ja blogit ovat sen takia olleet tauolla. Muutos on kesken, ja kommentointi ei valitettavasti taida tällä hetkellä toimia. BICEP2:n tulosten kanssa on tapahtunut paljon viimeisen kuukauden aikana, kirjoitan siitä piakkoin, mainitsen nyt vain kaksi ajankohtaisehkoa asiaa.
Helsingin Sanomien kesäkuun kolumnini päättyy näin:
”Olemassaolollamme ei ole kosmista tarkoitusta, teoillamme on vain se merkitys, minkä niille annamme, ja olemme vastuussa niistä vain toisillemme.”
Olen mukana tiistaina 26.8. kello 21 Runokuun Kosmisissa kohtaamisissa. Tilaisuuteen pitää ilmoittautua etukäteen osoitteeseen ilmoittautumiset(at)nuorenvoimanliitto.fi.
Vastaa
Denialismi, luonnontieteiden edistyksen oheisvahinko?
Kari Enqvist ja minä olemme kirjoittaneet Tieteessä tapahtuu –lehden uusimpaan numeroon artikkelin suhteellisuusteoriadenialismista. Juttu on luettavissa lehden sivuilta. Ingressi on tämä:
Suhteellisuusteoria ja muut nykyfysiikan teoriat ovat hienostuneita matemaattisia rakennelmia. Usein ne pyrkivät kuvaamaan maailmaa perustavimmalla tasolla, ja siksi ne kiehtovat myös alan ulkopuolisia. Niiden abstraktius ja etääntyminen välittömästä kokemuspiiristä aiheuttaa kuitenkin myös syvää epäuskoa.
9 kommenttia “Denialismi, luonnontieteiden edistyksen oheisvahinko?”
-
Eusa sanoo:
Kirjoitelma oli mustavalkoisuudessaan sangen provosoiva. Olisin kaivannut siihen aavistuksen pitempää kuvausta teorioiden pätevyysalueiden rajojen tarkastelusta ja ehkä itsekritiikkiäkin siinä mielessä, että osa denialisteiksi leimatuista saattaa ainakin osaltaan olla antamassa palautetta siitä, missä pätevyysalueen raja voisi kulkea – ainakin poikkitieteellisesti.
Varsin usein tieteellinen debatti suodattuu inhimillisen tunnekirjon kautta, jolloin kärjistetään, eikä halutakaan selittää asioita parhain päin.
Matematiikka on lahjomattomin tieteen kielistä. Kun popularisoidaan, joudutaan vääjäämättä kompromisseihin. Mutta osittain tieteentekijät itsekin näyttäytyvät malliensa kautta vertauksin saarnaavilta profeetoilta.
Saman matemaattisen tuloksen voi kuvata loputtomin vertauskuvin. On kunnioitettavaa ja rohkaisevaa, että osa tieteilijöistä asettuu yleisen mielipiteen kohteeksi pukemalla tutkimustuloksensa populaariin asuun, parhaimmillaan siten, että taustalla oleva matematiikka on tarkistettavissa ja kirjoittaja on itse asettanut kuvauksensa selitysvoimalle reunaehtoja. Kaikkein voimallisinta popularisointia on saman ilmiön kuvaaminen mahdollisimman erilaisilla arkiajattelua kutittelevilla mielikuvilla, jotka saattavat valistuneessa mielessä nopeuttaa paljonkin idean perusteiden ymmärryksen avautumista.
Imhimilliseen tulitukseen tieteen sektoreiden kesken on myös ihmisyyteen pohjautuva vaihtoehto: halaa uutisankat kuoliaaksi. Kun ensimmäiseksi toteaa vastustajan ansiot sekä ilmeisen osaamisen ja sen jälkeen toteaa perehtymättömyyden aiheuttaneen muutamia virheitä tai puutteellisuuksia, voi laajemman hyväksynnän piirissä käydä käsityksiä korjaamaan.
Kuten artikkelissakin viittasitte, fysiikassa on vielä paljon tuntematonta raivaamatonta korpimaata. Siispä pieni varoituksen sananen: voimassaolevien paradigmojen liian hillitön puolustaminen jopa leimakirveitä heilutellen voi äkkiäkin osoittautua eräänlaiseksi vastadenialismiksi. 🙂
Vaan läpi historianpa ollaan tasapainoteltu hedelmällisen ja hedelmättömän vastakkainasettelun kanssa…
-
Metusalah sanoo:
Onpa huikean hieno puheenvuoro Syksyltä ja Kari Enqvistiltä tuo artikkeli denialismista! Juuri tuollaisia, oikeaan oivaltamiseen pohjautuvia tieteilijöiden puheenvuoroja tarvitaan nykyaikana, jolloin kaikenlaiset huuhailijat ovat saaneet sosiaalisessa mediassa kohtuuttoman paljon jalansijaa.
Taidanpa tulostaa artikkelin huoneentaulukseni! 😉 -
PekkaP sanoo:
Tiedeaiheiset keskustelupalstat ovat liiankin täynnä ihmisiä, jotka uskovat milloin kaataneensa suhteellisuusteoriat, milloin luoneensa kaikenteorian. Heitä ei lainkaan askarruta se, ettei heillä ole minkäänlaisia opintoja alalta ja maallikotkin kykenevät kaatamaan heidän harhansa. Ainoana pohjana heillä on useimmiten juuri ne populistiset julkaisut, jotka ovat pakostakin ”Lie to children” tasoa. Niistä he sitten ovat löytävinään virheitä, jotka kaatavat minkä perusteorian milloinkin. Harmi.
Itselläni on enemmän tai vähemmän populistisia tiedekirjoja muutama hyllymetri eri tieteenaloilta. Minulle tieteiskirjallisuus on (osin muun kirjallisuuden ohella) ollut erittäin tärkeä elämää avartava ja rikastuttava lähde. Voisin sanoa olevani maailmankuvastani kiitollinen monillekin eturivin tieteentekijöille, jotka ovat kirjoittaneet alastaan populistisesti tai pitäneet yleisöluentoja. Iso kiitos ja hatunnosto heille (teille), jotka jaksatte vaivautua.
Sibiksen sinfonioistakin voi nauttia, vaikka itse ei kykene säveltämään mitään.
Pieni kyssäri. Onko näistä ”huuhareista” useinkin harmia nimeä saaneille tutkijoille? Kuinka usein sinulle pyritään esittelemään uutta mullistavaa kosmologiaa?
-
Syksy Räsänen sanoo:
PekkaP:
Yhteydenottoja mielestään mullistavia teorioita kehittäneiltä tutkimusyhteisön ulkopuolisilta henkilöiltä tulee jonkun verran. Eipä niistä juuri haittaa ole, sellaisista viesteistä näkee päältä, että ne eivät ole kiinnostavia, joten deletoin ne lukematta tarkemmin.
-
Mika sanoo:
Lehti kolahti postiluukusta tänään ja mielenkiinnolla luin Räsänen & Enqvist parivaljakon kommentit edellisissä numeroissa käynnissä olleeseen keskusteluun. Luonnontieteellisen maailmankuvan omaanava kallistun tietysti hyvin pitkälti samalle kannalle, vaikka en kompetenssia omaakaan ottaa itse kantaa ks. aiheeseen.
Sen sijaan saman numeron tätä juttua edeltävällä sivulla ollut diplomi-insinöörin kommentti Tuomo Suntolasta herätti mielenkiintoni, koska kyseessä vaikuttaisi päällisin puolin olevan ainakin omalla alallaan pätevöityneen fyysikon kehittelemä ”kaiken teoria”. Haluatko tai osaatko Syksy ottaa kantaa Suntolan tapaukseen?
-
Mika:
Se vähä, mitä olen Suntolan mallista saanut tietooni, ei ole houkutellut lähempään tutustumiseen.
On syytä ehkä mainita, että yleisen suhteellisuusteorian tuolle puolen meneviä malleja käsittelevää tutkimusta julkaistaan koko ajan, siinä ei ole mitään poikkeuksellista. Kirjoitin aiheesta hieman täällä:
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kysymysten_juurella
-
Ilkka Huotari sanoo:
Linkki taisi olla rikki, tämä toimii:
http://ojs.tsv.fi/index.php/tt/article/view/41570Kiitos blogeista.
-
Ilkka Huotari:
Kiitos.
Vastaa
Miehityksen keskellä
Vierailin pääsiäisen aikoihin miehitetyillä palestiinalaisalueilla Länsirannalla Birzeitin yliopiston fysiikan laitoksella puhumassa BICEP2-kokeen tuloksista.
On tavallista, että ylivoimaisesti suurin osa yliopistojen luennoitsijoista ja professoreista on miehiä, erityisesti fysiikassa, syystä tai toisesta. Näin Birzeitissäkin: fysiikan laitoksen akateemisen henkilökunnan viidestätoista jäsenestä vain kaksi on naisia, toinen heistä on vierailuani emännöinyt laitoksen johtaja Wafaa Khater. Näin iso epäsuhta ei valitettavasti ole harvinainen: esimerkiksi Iso-Britannian tähtitieteen professoreista vain 3% on naisia (ainakin tämä oli tilanne jokunen vuosi sitten), ja Helsingin yliopistonkin fysiikan professoreiden joukossa on paljon enemmän miehiä kuin naisia.
Poikkeuksellista Birzeitissä sen sijaan on opiskelijoiden naisvaltaisuus. Wafaan mukaan 80% fysiikan opiskelijoista on naisia (tämä epätasapaino näkyy ennen seminaaria napsayttämässäni kuvassakin). Kuulemma fysiikan naisopiskelijat ovat myös tyypillisesti miehiä motivoituneempia.
Eräs syy naisopiskelijoiden suureen osuuteen fysiikassa on se, että suuri osa heistä tähtää opettajiksi. Helsingin yliopistonkin fysiikan laitoksella opettajalinjalla on enemmän naisia kuin fysiikan opiskelijoissa keskimäärin. Suomessa fyysikoksi valmistuvilla on erinomaiset työnäkymät ja useita erilaisia mahdollisia työtehtäviä. Miehitetyillä palestiinalaisalueilla ei ole palestiinalaista teollisuutta, joka työllistäisi tutkijoita, joten gradun tekemisen jälkeen vaihtoehtoina ovat lähinnä opettajan ammatti, yliopistotyö tai ulkomaille lähteminen.
Kaikilla Birzeitin yliopiston fysiikan laitoksen professoreilla ja luennoitsijoilla on tohtorin tutkinto ulkomailta, enimmäkseen Yhdysvalloista tai Euroopasta. Tapasin itse asiassa Wafaan ensimmäisen kerran vuonna 2007 CERNissä, ja hän on ollut myös Helsingin yliopistossa tutkimassa teoreettista hiukkasfysiikkaa. Erään toisen henkilökunnan jäsenen tutkimusaihe sattui olemaan toisen väitöskirjaohjaajani Esko Keski-Vakkurin erikoisalalta, mustien aukkojen käsittelemisestä säieteoriassa.
Surullista kyllä, Birzeitissa ei kuitenkaan ole juuri mahdollista tehdä fysiikan tutkimusta, kaikki aika menee opetukseen ja hallinnollisiin tehtäviin. Yliopistotutkijoilla menee yleensäkin paljon aikaa muuhun kuin tutkimukseen, mutta harvoissa paikoissa tilanne on näin hankala. Fyysikot ovatkin Birzeitin yliopiston hallinnossa yliedustettuina, kenties heitä pidetään jotenkin erityisen järjestelmällisinä. Byrokratian lisääntymisen ja korkeampien hallintoportaiden kontrollin illuusion päivittely yhdistääkin fyysikoita maasta ja instituutista riippumatta.
Birzeitin yliopiston taipaleesta kiinnostuneille suosittelen yliopiston pitkäaikaisen virkaatekevän johtajan, toissavuonna kuolleen Gabi Baramkin, kirjaa ”Peaceful Resistance: Building a Palestinian University Under Occupation”.
Kolumni. Maanantaina 5.5. ilmestyvä kuukausittainen Helsingin sanomien tiedekolumnini käsittelee taloustieteen ja poliittisten päätösten suhdetta, otsikoksi tuli jotain sentapaista kuin Talouspolitiikkamme perustuu uskomuksiin. Seuraava kolumni ilmestyy 2.6..
Päivitys (05/05/14): Kolumnini on luettavissa Helsingin Sanomien verkkosivuilla.