Kosmokseen kirjoitettua

Toiminnasta

26.3.2014 klo 23.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minulle myönnettiin tänään Helsingin yliopiston vuosipäiväjuhlassa J.V. Snellman –tiedonjulkistamispalkinto ”ansiokkaasta toiminnasta tieteellisen tiedon välittäjänä”. Pidin tilaisuudessa puheen, joka meni jokseenkin seuraavasti.

Akateemiset tutkijat ovat etuoikeutetussa asemassa. Meille maksetaan palkkaa siitä, että tutkimme mitä huvittaa (jos hallinto- ja opetusvelvollisuuksiin kuluva aika jätetään nyt tässä siloitellussa kuvassa huomiotta).

Ainakin luonnontieteiden kohdalla tämä anarkistinen vapaus on ollut tuottava sijoitus. Luonnontieteiden teknologiset sovellukset ovat viimeisen kahdensadan vuoden aikana perustavanlaatuisesti muuttaneet yhteiskunnan tavalla, jota on vaikea liioitella. 

Sovellusten avulla olisi helppoa perustella, miksi suuren yleisön kannattaa kustantaa luonnontieteellistä tutkimusta – sillä julkisista varoistahan tutkimus enimmäkseen rahoitetaan. Tällainen perustelu olisi kuitenkin petollinen. Sitä korostamalla hyväksyisi ajatuksen, että tutkimuksen merkitys on mitattavissa sovellusten arvolla, että tieto ja ymmärrys ovat itsessään arvottomia, tai korkeintaan toissijaisia.

Sillä luonnontiede ei ole vain mullistanut yhteiskuntaa, se on myös maalannut uudenlaisen kuvan maailmasta ja meistä. Luonnontiede on kertonut, koska aika on saanut alkunsa, miten kehomme ainesosat ovat kehittyneet maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien, tähtien sisustan miljoonien vuosien ja supernovaräjähdysten hetken huuman aikana, miten Maa on kasaantunut pölystä, miten rakennumme molekyyleillä kirjoitettujen ohjeiden mukaisesti, miten kaikki elämä on meille sukua, miksi taivas on sininen ja miten Aurinko hohtaa valkoisena.

Luonnontieteen totuuksia voivat löytää vain henkilöt, joilla on vapaus käyttää paljon aikaa asioiden yksityiskohtiin perehtymiseen. Mutta kun totuus on selvillä, se kuuluu koko ihmiskunnalle. Niinpä koen, että tutkijoilla on velvollisuus kertoa suurelle yleisölle, mitä olemme heidän rahoittamillaan matkoillamme löytäneet, millaisia salaisuuksia olemme paljastaneet. Tämä koskee erityisesti sellaisia aloja, joilla ei ole luvata sovelluksia olemassaolonsa oikeutukseksi, joiden ainoa odotettu anti on maailman ymmärtäminen. Kosmologia on malliesimerkki tällaisesta tutkimusalasta.

Suuri yleisö ei ole kiinnostunut pelkästään teknologisista sovelluksista, vaan myös maailmankaikkeuden ymmärtämisestä. Esimerkiksi Higgsin hiukkasen metsästys oli maailmanlaajuinen mediaspektaakkeli. Lukemattomat miljoonat ihmiset seurasivat hiukkasen löydetyksi julistamista, ja uutinen oli lehtien etusivuilla. Ja kyseessä on asia, jolla ei ole edes väitetty olevan minkäänlaisia teknologisia sovelluksia tai mitään merkitystä arkielämän kannalta.

Löytäessään perustavanlaatuisia totuuksia maailmasta ja suhteestamme siihen hiukkasfysiikka ja kosmologia rikastuttavat kulttuuriamme tavoilla, jotka ovat hyödykearvon tuolla puolen. Toivonkin, että tämän palkinnon voi osittain katsoa tunnustukseksi luonnontieteille osana inhimillistä kokemusta.

Palkinnon perusteluissa mainitaan blogit, ja toivon, että palkinnon voi myös katsoa tunnustukseksi uusille tieteestä kertomisen kanaville. Luonnontiede etenee nopeasti, ja valitettavasti tiedeuutisointi kulkee vieläkin nopeammin. Niinpä on tärkeää, että tutkijat ovat mukana keskustelussa asioiden tapahtuessa, omin sanoin ja omilla ehdoillaan. Blogit ovat tähän oivallinen väline. Lisäksi blogien kommentit antavat mahdollisuuden tutkijoiden ja yleisön vuorovaikutukseen: yleisön on mahdollista esittää selventäviä kysymyksiä ja tutkija saa paremman käsityksen siitä, mikä yleisöä kiinnostaa.

Luonnontiede on tehnyt ihmiskunnalle mahdolliseksi, James Joycen sanoin, herätä siitä painajaisesta mikä historia on ja nousta maailmaan, jossa ei ole nälänhätää, ei kulkutauteja, ei sortoa eikä sotia. Tällainen maailma on nyt mahdollinen. Sen toteutuminen ei enää riipu luonnontieteestä, vaan kansalaisten aktiivisuudesta ja rohkeudesta korjata tuskaisesta menneisyydestä periytyviä vääristymiä ihmisten välisissä suhteissa, haastaa epäoikeutettu vallankäyttö ja puuttua teknologian mukanaan tuomiin ongelmiin, erityisesti katastrofaaliseen ilmastonmuutokseen ja joukkotuhoaseisiin.

Tieteilijä on etuoikeutettu saadessaan puuhastella rakastamiensa asioiden parissa, ja suurin osa Suomen kansalaisista on etuoikeutettuja voidessaan elää ylellisyydessä ja turvassa verrattuna valtaosaan maailman ihmisistä. Jos tieteilijällä on velvollisuus kertoa tutkimuksen tuloksista, niin ihmisellä on velvollisuus toimia kanssaihmisten hyväksi, vähintään käyttämällä sanojaan silloin ne tulevat kuulluksi.

---

Ensimmäisen sekunnin perukoilta

17.3.2014 klo 23.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

BICEP-koeryhmä on tänään ilmoittanut havainneensa gravitaatioaaltoja, jotka ovat peräisin inflaationa tunnetulta aikakaudelta maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin murto-osalta. Ilmoitus on saanut valtavasti huomiota: emme Fysiikan tutkimuslaitoksessa pystyneet seuraamaan lehdistötilaisuuden streamia, koska sitä lähettävä www-palvelin oli aivan tukossa. Onneksi lehdistötiedote, ja mikä tärkeämpää, yksityiskohtia kuvaavat tieteelliset artikkelit, julkistettiin samalla.

Tuloksista on kirjoitettu paljon (jopa ennen niiden julkistamista), mainitsen tässä Tähdet ja avaruus -lehden jutun lisäksi vain yhteistyökumppaneideni Shaun Hotchkissin ja Sesh Nadathurin blogimerkinnät sekä Nature-lehden kattavan uutisoinnin. Shaunin merkintä sisältää paljon linkkejä aihetta käsitteleviin tutkijoiden kirjoituksiin. 

Lyhyesti sanottuna, jos havainto gravitaatioaalloista pitää paikkansa, se on Nobelin arvoinen. Jos myös sen teoreettinen tulkinta inflaation avulla pitää paikkansa, niin tulos on merkittävämpi kuin Higgsin hiukkasen löytäminen. Sitten yksityiskohtiin: mistä oikeastaan on kysymys, miksi tulos on kiinnostava ja kuinka vakavasti pitää ottaa nuo pienet sanat ”jos”?

BICEP on etelänavalla sijaitseva koe, joka mittasi kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatiota 590 päivää. Polarisaatio tarkoittaa sitä, miten mikroaallot värähtelevät eri suuntiin – asiasta tarkemmin Sean Carrollin blogissa. BICEP havaitsi mikroaaltotaustassa polarisaatiokuvion, jollainen syntyy varhaisen maailmankaikkeuden gravitaatioaaltojen vaikutuksesta. Koeryhmä on huolella tarkastellut systemaattisia tekijöitä, jotka voisivat aiheuttaa signaalin gravitaatioaaltojen sijaan, eikä mitään ongelmia ole löytynyt. Koejärjestely ja data-analyysi tuntuu olevan tehty huolella. Havainto on tilastollisesti erittäin merkittävä: kyseessä ei ole sattuma.

Gravitaatioaallot ovat pieniä häiriöitä aika-avaruudessa. Lyhyesti sanottuna kyse on siitä, että gravitaatiovoima etenee valon nopeudella, ja sitä välittävät gravitaatioaallot. Esimerkiksi minun massani aiheuttaa gravitaatiokentän, joka vetää kappaleita puoleensa. Kun liikun, tieto siitä että olen eri paikassa kulkee avaruudessa eteenpäin valon nopeudella. Sekunnin kuluttua tämä aalto saavuttaa Kuun, kahdeksan minuutin kuluttua gravitaatiokenttäni muuttuu Auringon kohdalla, ja niin edelleen. Ilmiö on sama kuin jos heiluttaisi kättään vedessä: tieto vesimassojen liikkeistä etenee vedessä äänen nopeudella kulkevana aaltona.

Gravitaatioaallot ovat hyvin heikkoja. Niiden vaikutus kaksoistähtien liikkeisiin on kuitenkin pystytty mittaamaan. Ensimmäisen kerran tämä tehtiin 1970-luvulla, ja löydöstä myönnettiin vuonna 1993 Nobelin palkinto. Maapallolla gravitaatioaaltoja ei ole vielä suoraan koskaan havaittu, mutta lähivuosina tilanteen odotetaan muuttuvan.

Siinä, että liikkuvat massat synnyttävät gravitaatioaaltoja, ei siis ole mitään eksoottista: se on yleisen suhteellisuusteorian suoraviivainen ennuste, joka on kokeellisesti varmennettu. BICEPin tapauksessa nähdään gravitaatioaaltojen vaikutus kohteeseen, ei aaltoja itsessään, aivan kuten kaksoistähtien kohdalla. Mutta BICEPin tulokset ovat paljon kiinnostavampia, koska sen mahdollisesti näkemät gravitaatioaallot eivät ole syntyneet aineen liikkeen seurauksena, vaan itsestään, aika-avaruuden kvanttivärähtelyistä.

Maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin murto-osina arvellaan olleen inflaationa tunnettu aikakausi. (Jos BICEPin tulokset pitävät paikkansa, niin inflaatio tapahtui ensimmäisen sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tuhannesosan aikana.) Tällöin avaruuden laajeneminen kiihtyi, maailmankaikkeus paisui valtaviin mittoihin ja siitä tuli melkein tasainen. Inflaatio ennustaa myös, että kvanttivärähtelyjen seurauksena sekä aineessa että aika-avaruudessa syntyi pieniä, sadastuhannesosan kokoisia epätasaisuuksia.

Aineen epätasaisuudet ovat rakenteen siemeniä: myöhempinä aikoina, miljoonien vuosien kuluessa, ylitiheät alueet vetävät massaa puoleensa ja niistä syntyy galakseja ja muita rakenteita. Ne myös näkyvät kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksina. Aika-avaruuden epätasaisuudet taasen ovat gravitaatioaaltoja, joiden vaikutus rakenteiden muodostumiseen on hyvin pieni, mutta niillä on pieni vaikutus mikroaaltotaustaan.

Sekä aineen että aika-avaruuden epätasaisuudet ovat inflaatiossa itsesyntyisiä, niiden alkuperä on kvanttimekaniikan epämääräisyydessä. Maapallolla tehdyistä kokeista tiedetään, että aine käyttäytyy kvanttimekaniikan lakien mukaisesti, ja inflaation ennusteet aineen epätasaisuuksille varhaisessa maailmankaikkeudessa on varmennettu suurella tarkkuudella, edelliset merkittävät havainnot tehtiin Planck-satelliitilla, jossa Helsingin yliopistokin on mukana.

Mutta aika-avaruuden kvanttimekaanisesta käyttäytymisestä ei tähän mennessä ole ollut havaintoja. (Tämä lausunto yksinkertaistaa hieman, mutta ei mennä liikaa sivupoluille!) Ei ole selvää, pitäisikö aika-avaruuden olla samalla tapaa kvanttimekaaninen kuin aineen, ja täydellinen aika-avaruuden kvanttimekaaninen käsittely, kvanttigravitaatioteoria, on tuntematon. Inflaatiossa on kuitenkin tapa käsitellä pieniä gravitaatioaaltoja, ja se ennustaa millaisia niiden pitäisi olla. Ennustetta ei kuitenkaan ole varmennettu – ennen kuin nyt, jos BICEP on oikeassa.

BICEPin lehdistötiedotteen otsikon mukaan heidän havaintonsa on ”ensimmäinen suora todiste kosmisesta inflaatiosta”. Tämä on hiukan liioiteltua: aiemmat havainnot ovat jo antaneet paljon tukea inflaatiolle. Jos BICEPin havainto pitää paikkansa, niin se vahvistaa inflaatiota entisestään, mutta ei ole syytä kutsua inflaatiosta tulevien gravitaatioaaltoja suoremmaksi todisteeksi kuin aineen epätasaisuuksia.

Koska sekä aineen epätasaisuudet että gravitaatioaallot ovat syntyneet inflaation aikana, niissä on samankaltaisuuksia, ja yksinkertaisimmissa inflaatiota kuvaavissa malleissa aineen epätasaisuuksien ja gravitaatioaaltojen välillä on yksinkertainen suhde. BICEPin havaitsemien gravitaatioaaltojen voimakkuus on hieman isompi kuin mitä aineen epätasaisuuksien perusteella olisi odottanut. Planck-satelliitin olisi odottanut huomaavan näin voimakkaat gravitaatioaallot, mutta sen tuloksissa niitä ei näkynyt. Kokeiden välinen ristiriita ei ole ylitsepääsemättömän suuri, mutta antaa kyllä aihetta lisätarkasteluihin. Voi olla, että inflaatio on odotettua monimutkaisempi prosessi, tai että BICEPin gravitaatioaallot eivät ole peräisin inflaatiosta, vaan jostain muusta varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumasta, tai että BICEPin data-analyysissä on jotain vikaa.

BICEPin data on julkista, ja monet ryhmät – etenkin Planckin tutkijat – käyvät sitä varmasti läpi tulevina viikkoina. Mitä teoriapuoleen tulee, ei kestä kuin muutama päivä, kun tutkijat julkistavat mallejaan, jotka sopivat täydellisesti yhteen sekä BICEPin että Planckin kanssa. BICEP-ryhmä esitti jo yhden mahdollisuuden, jolla kokeiden välinen ristiriita saadaan pienemmäksi.

Tärkein BICEPin tulosten testi tulee, kun Planck julkaisee tänä vuonna omat mittauksensa kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatiosta. Jos BICEPin näkemä signaali on inflaatiosta syntyneitä gravitaatioaaltoja, Planckin odottaisi näkevän ne myös. Planckin analyysissä kestää kauan, koska satelliitti mittasi mikroaaltotaustan joka puolelta taivasta, ja galaksista tulevan polarisoituneen säteilyn erotteleminen kosmisesta mikroaaltotaustasta on vaikeaa. Toisin kuin Planck, BICEP erikoistui polarisaatioon, ja katsoi vain sellaista pientä osaa taivasta, joka on mahdollisimman puhdas galaksin liasta. Toisaalta Planckilla on mahdollisuus nähdä polarisaation vaikutus suuremmalla osalla taivasta kuin mihin BICEP kykenee. Lisäksi BICEP havaitsi vakuuttavasti gravitaatioaaltoihin viittaavan polarisaation vain yhdellä mikroaaltotaajuudella, Planck mittaa useita taajuuksia, ja tällainen tarkistus on hyvä tehdä.

Higgsin hiukkasen tapauksessa löydettiin se mitä odotettiinkin, kysymyksessä oli tunnetun asian varmistaminen. Tulokseen kuitenkin suhtauduttiin suorastaan kohtuuttomalla varauksella, kesti kuukausia ennen kuin hiukkanen julistettiin Higgsiksi. Toisessa ääripäässä, väitettyjen valoa nopeampien neutriinojen tapauksessa, oli syytä alun perinkin arvella, että kyseessä oli systemaattinen virhe, joka sitten pian löydettiinkin. BICEPin kohdalla ei ole ilmeistä syytä epäillä tulosta, mutta se kertoo meille jotain mitä emme osanneet odottaa. Niinpä tulos on merkittävämpi kuin Higgsin löytäminen, mutta siihen pitää myös suhtautua varovaisesti: pöly ei ole vielä laskeutunut.

BICEPin tulosten oikeellisuudessa voidaan erottaa kaksi asiaa: onko BICEP havainnut gravitaatioaaltoja ja ovatko ne peräisin inflaatiosta. Jos ensimmäinen pitää paikkansa, niin ne ovat erittäin luultavasti syntyneet jossain varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumassa vaikka kyseessä ei olisikaan inflaatio, ja löytö on joka tapauksessa Nobelin arvoinen. Jos gravitaatioaallot ovat peräisin inflaatiosta, niin kyseessä on lisäksi ensimmäinen kiistaton havainto kvanttigravitaatiosta, mikä on huima askel. Havainto heittäisi roskakoriin suuren osan inflaatiomalleista, muun muassa oman suosikkini Higgs-inflaation, joka ennustaa 50 kertaa heikompia gravitaatioaaltoja, mutta sen merkitys on tätä paljon laajempi.

Jos BICEP on oikeassa, kyseessä on merkittävin löytö kosmologiassa tai hiukkasfysiikassa sitten vuoden 1998, jolloin havaittiin, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy. Mutta on syytä odottaa muiden ryhmien analyysejä BICEPin datasta ja Planck-satelliitin tuloksia ennen kuin jättää konditionaalit pois.

Päivitys 1 (18/03/12): Kirjoitin, että ”ei kestä kuin muutama päivä, kun tutkijat julkistavat mallejaan, jotka sopivat täydellisesti yhteen sekä BICEPin että Planckin kanssa”. Arvioni oli hieman pielessä: tänään ilmestyi kolme teoreettista artikkelia, joissa käsitellään eilen ilmoitettujen havaintojen merkitystä.

Päivitys 2 (18/03/12): Olen YLEn Aamu-TV:ssä kommentoimassa asiaa huomenna keskiviikkona kello 6.42.

---

Pimeästä

9.3.2014 klo 23.23, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainittakoon, että puhun Porin Taidemuseossa Pimeästä-näyttelyn yhteydessä keskiviikkona 2.4. kello 18.30 otsikolla ”Näkymätön luuranko – pimeä aine maailmankaikkeudessa”. Museoon on keskiviikkoisin vapaa pääsy kello 18-20. Puheen kuvaus on seuraava:

”Noin 80% maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta. Sitä ei voi ihmisaistein havaita, mutta se määrää maailmankaikkeuden muodon. Pimeästä aineesta on gravitaation perusteella paljon todistusaineistoa, mutta sen yksityiskohdista ei tiedetä juuri mitään.”

Päivitys (10/03/14): Joitakuita saattaa kiinnostaa uusi populaarin tiedeviestinnän verkkosivusto. Siellä on muun materiaalin lisäksi lyhyitä haastatteluja, haastateltavina mm. Tiina Raevaara, Leo Lahti, Kari Enqvist, Teivo Teivainen ja minä. (En muista mitä sanoin tässä haastattelussa, mutta muut haastattelut ainakin vaikuttavat kiinnostavilta.) Haastatteluita on myös sivuston YouTube-kanavalla.

---

Taivuttaa koskettamatta

27.2.2014 klo 19.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatiossa ei ole kyse voimasta, vaan aika-avaruuden kaarevuudesta. Tämän takia gravitaatioon liittyy kiinnostavia ilmiöitä, joista klassisessa fysiikassa ei ole tietoakaan, kuten mustia aukkoja ja gravitaatioaaltoja (joita syntyy niin varhaisina aikoina kuin nykyäänkin). Gravitaatiolinssit ovat eräs tällainen ilmiö, ja työskentelen itse nyt niiden parissa ensimmäistä kertaa.

Gravitaatiolinsseissä on kyse siitä, että massiiviset kappaleet vaikuttavat valon kulkuun ja siksi muuttavat sitä, miltä kaukana olevat kohteet näyttävät. Valon taipuminen on arjesta tuttua: veden, tai kuuman ilman, läpi katsottuna kappaleet näyttävät vääristyneiltä. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan samanlainen ilmiö tapahtuu aina valon kulkiessa avaruudessa, vaikka valon tiellä ei olisikaan mitään ainetta, koska aika-avaruus on kaartunut kaikkialla. Gravitaation aiheuttama muutos valon kulkuun on tosin paljon pienempi kuin vedestä tai ilmasta johtuva, ellei ole kyse hyvin massiivisista kappaleista.

Valon taipuminen aika-avaruudessa liittyy yleisen suhteellisuusteorian ja Newtonin gravitaatioteorian eroihin. Newtonin teoriassa massalliset kappaleet vetävät toisiaan puoleensa. Newtonin teorialla ei ole mitään selvää sanottavaa gravitaation vaikutuksesta valon kulkuun. Jos valoa käsitellään massattomina hiukkasina (mikä pitää paikkansa, mutta soveltuu huonosti Newtonin teoriaan), niin Newtonin teorian mukaan gravitaatio ei vaikuta niihin. Jos ajatellaan, että valohiukkasilla olisi hyvin pieni massa, niin gravitaatio vaikuttaisi niihin samalla tavalla kuin muihinkin hiukkasiin. Yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa asiassa ei ole mitään epämääräisyyttä, ja sen mukaan molemmat Newtonin teorian arveluista ovat väärin.

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan massat eivät suoraan vedä toisiaan puoleensa. Sen sijaan kappaleiden energia kaareuttaa aika-avaruutta, eli saa aikaan gravitaatiokentän. Tämä gravitaatiokenttä sitten vaikuttaa kappaleiden liikkeisiin. Tilanne on hieman samanlainen kuin sähkömagnetismin tapauksessa, jossa sähkövaraukset saavat aikaan sähkömagneettisen kentän, joka muuttaa varattujen hiukkasten liikkeitä. Erona on se, että gravitaation tapauksessa hiukkasten liikkeisiin vaikuttavaa gravitaatiota välittävä ’kenttä’ on itse aika-avaruus. Niinpä gravitaatio vaikuttaa kaikkiin kappaleisiin, ei vain niihin joilla on massa. Kun hiukkaset liikkuvat massiivisen kappaleen ohi, niiden rata taipuu kappaletta kohti. Massalliset ja massattomat hiukkaset tosin liikkuvat eri tavalla, ja valo taipuu kaksi kertaa niin paljon kuin massalliset hiukkaset.

Valon taipuminen gravitaatiokentässä oli ensimmäinen yleisen suhteellisuusteorian ennustus, jota testattiin kokeellisesti. Vuoden 1919 auringonpimennyksen aikana, vain neljä vuotta yleisen suhteellisuusteorian esittämisen jälkeen, havainnoitiin miten tähtien paikat taivaalla muuttuvat, kun niiden valo kulkee Auringon läheltä. Havainnot olivat sopusoinnussa yleisen suhteellisuusteorian kanssa, newtonilainen maailmankuva julistettiin kumotuksi lehtien etusivuilla ja Einsteinista tuli maailman ensimmäinen tiedejulkkis. Koetulosten tulkinnasta on keskusteltu paljon, mutta ilmeisesti asia kuitenkin hoidettiin vilpittömästi eikä yleistä suhteellisuusteoriaa juhlittu ennenaikaisesti. Havainnot on joka tapauksessa myöhemmin varmennettu kymmenestuhannesosan tarkkuudella.

Vuoden 1919 kokeessa seurattiin Linnunradassa olevia tähtiä. Kun katsoo kauempana maailmankaikkeudessa olevia kohteita, niin näkee valoa, joka on matkannut ohi paljon Aurinkoa isommista massakeskittymistä, kuten kokonaisista galakseista tai galaksiryppäistä. On kuitenkin harvinaista, että valonsäde kulkisi suoraan massakeskittymän ohi. Niinpä tyypillisesti kosmologisten gravitaatiolinssien aiheuttama vääristymä on vain prosentin luokkaa: kaukaiset galaksit näyttävät sadasosan verran paksummilta jossain suunnassa ja ohuemmilta toisessa, kuin heikossa sirkuspeilissä.

Joidenkin harvojen valonsäteiden kohdalla tosin käy niin, että valonlähteen ja meidän välille sattuu joku erittäin massiivinen kappale. Tällöin kohteen kuva vääristyy tyystin, jopa niin että kohde näkyy useassa paikassa samaan aikaan. Yksinkertaisin tapaus on Einsteinin kehä. Ajatellaan kohdetta, vaikkapa galaksia, joka lähettää valoa joka suuntaan. Jos meidän ja galaksin välissä ei olisi gravitaatiokenttiä, näkisimme vain sen valon joka tulee suoraan meille, eli galaksi näkyisi yhdessä paikassa. Jos tiellä sen sijaan on massiivinen linssi, niin osa valonsäteistä, jotka olisivat menneet meistä ohi, taipuvatkin niin että ne päätyvät silmiimme. Jos linssi on pallosymmetrinen, niin se taittaa valoa samalla tavalla kaikista suunnista, joten galaksi näkyy renkaana linssin ympärillä. Alla NASAn kuva sinisestä galaksista, jonka kuva on taittunut kauniiksi kehäksi. Tässä tapauksessa linssinä on keskellä näkyvä punainen galaksi.

Ensimmäinen Einsteinin kehä nähtiin 1979, ja nykyään niitä on mitattu tusinoittain, miljardien valovuosien etäisyyksiltä. Yleensä linssi ei ole pallosymmetrinen, joten yhtenäisen kehän sijaan nähdään erillisiä kaaria, joiden määrä, muoto ja kirkkaus riippuvat siitä, miten linssin massa on jakautunut. Alla olevan NASAn kuvan kaarista näkee, että linssi on monimutkaisempi kuin yllä olevan galaksilinssin tapauksessa.

Jos on kiinnostunut siitä, millaisia galaksiryppäät ovat, niin monimutkaiset kaaret ovat hyvä asia, koska niissä on paljon tietoa ryppäiden rakenteesta. Gravitaatiolinssejä voi myös käyttää mielenkiintoisiin kosmologisiin mittauksiin, joiden kannalta mahdollisimman yksinkertaiset linssit ja siistit kehät ovat toivottavia, koska mitä vähemmän silloin tarvitsee vaivata päätään linssien takia, sen parempi.

Eräs keskeinen maailmankaikkeutta koskeva kysymys, jota gravitaatiolinssien avulla voi tutkia, on avaruuden (ei aika-avaruuden!) kaarevuus. Jos avaruus ei ole kaareva, niin pisteiden välisiä etäisyyksiä voi laskea helposti yhteen. Jos pisteet A, B ja C ovat samalla suoralla aika-avaruudessa, niin etäisyys pisteestä A pisteeseen C on yhtä suuri kuin etäisyys pisteestä A pisteeseen B plus etäisyys pisteestä B pisteeseen C. Jos avaruus on kaareva, niin valon avulla mitatut etäisyydet eivät noudata näin yksinkertaista yhteenlaskukaavaa.

Einsteinin kehän havaittu koko riippuu siitä, mikä on meidän etäisyytemme lähteestä ja mikä on linssin etäisyys lähteestä. Jos mittaa erikseen etäisyytemme linssistä vaikkapa supernovien avulla, niin voi määrittää, kuinka hyvin etäisyyksien yhteenlaskukaava pätee ja siten mitata avaruuden kaarevuuden. (Tarkemmin sanottuna Einsteinin kehä riippuu vain etäisyyksien suhteesta, eli myös meidän etäisyytemme lähteestä pitää mitata erikseen.) Näitä havaintoja voi myös käyttää rajoittamaan sitä, paljonko maailmankaikkeuden rakenteet vaikuttavat sen laajenemiseen, samoin kuten parallaksin avulla mitattuja etäisyyksiä.

---

Oppipojat, kisällit ja mestarit

19.2.2014 klo 23.20, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Maisterin tutkinnon saamista ja gradun hyväksymistä kutsutaan valmistumiseksi. Teoreettisen fysiikan tutkijaksi aikovan kohdalla se kuitenkin tarkoittaa vain sitä, että on valmis aloittamaan tutkimuksen tekemisen opettelun.

Ihmistieteissä on mahdollista valita itse aiheensa ja tehdä uutta tutkimusta jo ennen graduvaihetta. Tämä johtuu siitä, että tutkimuksen kohteet liittyvät ihmiselämään, ja niiden jäsentämisessä käytetty kieli on lähellä arkista kieltä. Fysiikassa sen sijaan pelkästään sen ymmärtäminen, mitä tutkimuskohteet ovat, vaatii arkiajattelulle vieraiden käsitteiden omaksumista, ja niiden käsittely edellyttää matematiikan kielen hallitsemista. Lisäksi tutkimus rakentuu aiemmin löydetyn päälle enemmän kuin ihmistieteissä.

Niinpä opiskelijoilla ei yleensä vielä väitöskirjatyötä aloittaessakaan ole käsitystä siitä, mitkä ovat oleellisia kysymyksiä edes jollain teoreettisen fysiikan kapealla osa-alueella, vaikkapa kosmologisten inflaatiomallien saralla. Väitöskirjan aiheiden valinta onkin suurelta osin ohjaajan käsissä, ja aiheen merkitys ja sijainti tutkimuksen kentällä tyypillisesti hahmottuu opiskelijalle vasta tutkimuksen tekemisen myötä.

Kuten käsityöt, teoreettisen fysiikan oppii vain tekemällä, ja ohjaajan ja jatko-opiskelijan suhde muistuttaa mestarin ja oppipojan suhdetta. (Käytän tuota vanhaa sukupuolittunutta termiä, vaikka fysiikan yhteisön tasa-arvon tila ei olekaan yhtä huono kuin ammoisen ammattikuntajärjestelmän.) Ohjauksessa välitetään kirjaamatonta tietoa tutkimuksen tekemisestä ja tutkimusyhteisöstä, ja väitöskirja vastaa kisällityötä. Kuten oppipoikien tapauksessa, väitöskirjaopiskelijoiden kontolle tulee ikäviä töitä, jotka jonkun pitää hoitaa, kuten kursseilla assistentteina toimimista ja konferenssien käytännön järjestelyä. Väittelyn jälkeen kisällin on sitten aika vaellella itsenäisesti eri puolilla maailmaa, kunnes lopulta pääsee jonnekin mestariksi tai luopuu leikistä.

Viime aikoina on keskusteltu siitä, pitäisikö väitöskirjojen tekijöitä rahoittaa apurahoilla vai työsuhteesta maksettavalla palkalla. Apurahoja myöntävät säätiöt haluavat pitää kiinni päätösvallastaan sen suhteen, ketä rahoitetaan, ja voivat lisäksi vedota siihen, että alle 19 000 euron apurahat ovat verovapaita, joten samalla summalla saa tuettua useampia opiskelijoita. Ainakaan teoreettisessa fysiikassa väitöskirjaopiskelu ei kuitenkaan ole riippumatonta tutkimusta, minkä tukemiseen apurahat ovat omiaan.

Kyse ei toisaalta ole tavallisesta työsuhteestakaan, edes palkkajärjestelyjen osalta. Yleensä palkka nimittäin maksetaan ohjaajan apurahoista, joita hänen täytyy opiskelijoilleen yrittää haalia vuosi toisensa jälkeen. Tutkimuksen laadun, ajankäytön ja opiskelijoiden taloudellisen vakauden kannalta olisi parempi, että tutkijat voisivat päättää keitä ottavat jatko-opiskelijoiksi, mutta nämä solmisivat työsopimuksen yliopiston kanssa, joka maksaisi heille palkkaa. Ei yrityksissäkään projektin vetäjä ole vastuussa ulkopuolisen rahoituksen haalimisesta projektin jäsenten palkkojen maksamiseen. Tällainen järjestelmä myös turvaisi jatko-opiskelijoita ohjaajan kanssa syntyvien ongelmien varalta.

Väitöskirjaopiskelija on riippuvainen ohjaajasta muutenkin kuin palkan suhteen. Kehnoilla neuvoilla on vaikea oppia tekemään hyvää työtä, ja voi myös olla haitallista, jos ohjaaja on valinnut aiheen, joka on tutkimusyhteisössä marginaalinen. Väittelyn jälkeistä ensimmäistä paikkaa haettaessa on oleellista, mitä ohjaajan suosituskirjeessä lukee, ja kun kirjeiden sisältö on salainen, niin ikävä ohjaaja voisi aiheetta tyrehdyttää opiskelijan uran alkuunsa. Lisäksi paikkojen jakamisessa varmasti vaikuttaa se, kenen opiskelija on kyseessä ja millaisissa väleissä tämän ohjaaja on paikasta päättävän henkilön kanssa. Ensimmäisen paikan saamisen jälkeen ohjaajan merkitys on pienempi, kisällit ovat oman onnensa seppiä, mutta suosituskirjeillä ja epämuodollisella tuella on silti pieni rooli.

Minulla oli hyvä onni väitöskirjaohjaajien kanssa, ja Helsingissä on hiukkaskosmologian alalla tapana pitää yhteyttä väitelleisiin tutkijoihin ja rakentaa tutkimusyhteisöä heidän avullaan, mutta toisinkin olisi voinut käydä.

---

Läpi harmaan kiven

31.1.2014 klo 18.36, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainitsin aiemmassa merkinnässä kvanttifysiikan ilmiöstä nimeltä tunneloituminen. Kvanttifysiikka (kuten myös suhteellisuusteoria) paljastaa, että maailma on pohjimmiltaan hyvin erilainen kuin mitä arkikokemuksen perusteella kuvittelee. Todellisuudessa on kaikenlaista kummallista, kuten kvanttivärähtelyitä, virtuaalisia hiukkasia ja Casimirin voimaa. Tunneloituminen on eräs näistä arkijärjelle vieraista asioista. Se on kvanttifysiikassa keskeinen ilmiö, ja on vastuussa raskaiden atomiydinten radioaktiivisuudesta. Palohälyttimien toiminta perustuu juurikin radioaktiivisuuteen, eli tunneloitumista hyödynnetään melkein joka kodissa.

Tunneloituminen liittyy hiukkasten kvanttimekaaniseen käyttäytymiseen. Asia on helpointa ymmärtää tarkastelemalla ensin klassista mekaniikkaa. Klassisessa mekaniikassa kappaleilla on kahdenlaista energiaa: liike-energiaa ja potentiaalienergiaa. Liike-energia on sitä isompi mitä nopeammin kappale liikkuu. Jos tarkastellaan kappaleen liikettä Maapallon gravitaatiokentässä, niin potentiaalienergia on negatiivinen ja itseisarvoltaan sitä isompi, mitä alempana kappale on. Kokonaisenergia säilyy, joten jos kappale siirtyy alemmas, niin sen potentiaalienergiasta tulee negatiivisempi ja liike-energia kasvaa. Vesivoimaloiden energiantuotto perustuu tähän gravitaatiokentän energian hyödyntämiseen. Vastaavasti ilmaan heitetyllä kappaleella pitää olla tarpeeksi suuri liike-energia, jotta se pääsisi nousemaan tietylle korkeudelle. Jos talon pihalla on korkea aita, niin pihalla olevalla pallolla pitää olla tarpeeksi liike-energiaa aidan ylittääkseen, jotta se pääsisi toiselle puolelle.

Kvanttimekaniikassakin hiukkasella on liike-energiaa ja potentiaalienergiaa, ja niiden summa on vakio. Mutta toisin kuin klassisen mekaniikan kappaleella, kvanttimekaniikan hiukkasella ei ole määrättyä paikkaa. On vain todennäköisyys sille, että hiukkanen on tietyssä paikassa kun sitä sieltä etsitään. Tämä todennäköisyys ei ole missään täysin nolla, aina on joku pieni mahdollisuus että hiukkanen löytyy mistä sitä ikinä etsiikään. Jos hiukkasen paikka on eri mittauskerroilla erilainen, voidaan sanoa, että se on siirtynyt. Kyse ei kuitenkaan ole liikkeestä: hiukkanen ei ole matkannut välissä olevan tilan halki. Mittausten välissä sillä kun ei ole ollut mitään määrättyä sijaintia.

Sellaisen hiukkasen, joka on voimakkaasti sidottu toiseen hiukkaseen, todennäköisyys löytyä mistään muualta kuin sidoskumppaninsa läheltä on erittäin pieni. Esimerkiksi molekyylin osana olevat atomiytimet löytyvät yleensä suunnilleen samoilta paikoilta. Samoin arkisen mittakaavan kappaleiden tapauksessa todennäköisyys kvanttimekaaniselle siirtymälle on äärimmäisen vähäinen. On periaatteessa mahdollista, että avaimet ovat siirtyneet keittiön pöydältä jääkaappiin käymättä välissä olevan tilan kautta, mutta hajamielisyys on verrattoman paljon luultavampi selitys.

Mahdollisuus siirtyä paikasta toiseen kulkematta välissä olevan tilan halki johtaa kiinnostaviin seurauksiin. Toisin kuin klassisessa fysiikassa, kvanttimekaniikassa pallon ei tarvitse ylittää aitaa päästäkseen toiselle puolelle, joten sillä ei tarvitse olla aidan korkeudelle nousemiseen tarvittavaa energiaa. Tunneloituminen tarkoittaa tällaista siirtymistä paikasta toiseen tavalla, joka olisi klassisessa mekaniikassa esteiden takia mahdotonta.

Tunneloituminen on yleensä hyvin epätodennäköistä. Se on sitä todennäköisempää, mitä suurempi on paikkojen potentiaalienergian ero (pallon on helpompi tunneloitua pihalta, jos aidan toisella puolella maanpinta on alempana) ja sitä vähemmän todennäköistä, mitä kauemmas pitää siirtyä (paksumman aidan läpi on vaikeampi tunneloitua). Mutta jos kokeilee tarpeeksi monta kertaa, eli odottaa tarpeeksi kauan, niin lopulta pallo siirtyy.

Atomiydinten radioaktiivisuudessa on kyse tunneloitumisesta. Atomiydin koostuu protoneista ja neutroneista. Ydinvoima vetää protoneita ja neutroneita yhteen ja estää niitä pakenemasta ytimestä. Mutta ydinvoiman kantama on melko lyhyt, joten jos protoni pääsee tarpeeksi kauas ytimestä, niin se on vapaa. Niinpä atomiytimeen sidottu protoni tunneloituu lopulta pois, ja ytimeen jää vähemmän protoneita. Toisin sanoen ydin muuttuu eri alkuaineeksi, ja säteilee poistuneet hiukkaset ympäristöönsä. Usein poistuneiden hiukkasten liike-energia on iso, mikä tekee radioaktiivisista aineista ihmisille vaarallisia, koska nopeat hiukkaset vahingoittavat ihmiskehon soluja. Tunneloitumisen epätodennäköisyys on sen takana, että joillakin radioaktiivisilla aineilla kestää kauan hajota.

Eräs kosmologian keskeisistä kysymyksistä, Higgsin kentän vakaus, liittyy sekin tunneloitumiseen. Tällä hetkellä Higgsin kenttä on asettunut kaikkialla näkemässämme avaruudessa rauhalliseen tilaan, jossa se ei liiku minnekään. Mutta Higgsin kentällä saattaa olla joku tila, jossa sen potentiaalienergia olisi vielä alhaisempi, jonne se voisi siis tunneloitua. Tämän seurauksena aine sellaisena kuin sen tunnemme tuhoutuisi välittömästi ja lisäksi maailmankaikkeus romahtaisi. Ei tiedetä, onko Higgsin kentän tila täysin vakaa, mutta joka tapauksessa sen elinikä on paljon pidempi kuin maailmankaikkeuden ikä, joten asiasta ei muiden kuin hiukkaskosmologien tarvitse kantaa huolta.

Pikku-uutisia: Suhteellisuusteorian tutkija Stephen Hawking on ilmaissut näkemyksensä eräästä mustiin aukkoihin liittyvästä spekulatiivisesta seikasta. Tästä on uutisoitu laajalti; asiasta kiinnostuneille voi suositella Matt Strasslerin blogikirjoitusta.

---

Kohti näkymätöntä valoa

13.1.2014 klo 16.32, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoittaessani parallaksista mainitsin punasiirtymästä, ja koska se on kosmologiassa keskeinen käsite, selitän sitä hieman.

Kosmologinen punasiirtymä tarkoittaa sitä, että kaukaisista kohteista tulevan valon aallonpituus on isompi kuin mitä se oli silloin, kun valo lähti matkaan. Alkuperäinen aallonpituus on mahdollista päätellä siitä, että eri alkuaineet lähettävät valoa vain tietyillä aallonpituuksilla – nämä aallonpituudet on alkuaineiden sormenjälkiä, kaikille erilaisia ja helposti tunnistettavia. Jos mitataan samasta kohteesta tulevaa valoa useilla eri aallonpituuksilla, niin voidaan erottaa, mistä alkuaineesta on kyse, koska ne ovat kaikki venyneet samalla tavalla. Sormenjäljen tunnistaa kyllä, olipa kuva isompi tai pienempi, kunhan se venyy tasaisesti.

Valon aallonpituuteen vaikuttaa kaksi seikkaa: valonlähteen ja havaitsijan välinen nopeus ja maailmankaikkeuden laajeneminen. Ensiksi mainittu tunnetaan nimellä Dopplerin ilmiö, ja sen voi havaita arkielämässä ääniaaltojen kohdalla: ambulanssin sireeni kuulostaa erilaiselta ambulanssin tullessa vastaan ja mennessä pois, koska äänen taajuus muuttuu. Asiaa voi havainnollistaa miettimällä veden aaltoja: niitä vastaan uidessa kohtaa aallonharjoja useammin kuin silloin jos ui poispäin, eli aallon taajuus on isompi.

Toisin kuin Dopplerin ilmiö, maailmankaikkeuden laajeneminen aina kasvattaa aallonpituutta: koska avaruus laajenee, valo venyy. Mitä kauemmin valo on avaruudessa, sitä enemmän se ehtii venyä, eli kaukaa matkaavan valon aallonpituus on kasvanut enemmän. (Sellaisten alueiden, joissa avaruus romahtaa, esimerkiksi muodostuvien galaksiryppäiden, läpi kulkiessa valon aallonpituus kutistuu eli sinisiirtyy. Mutta tällaisten alueiden osuus maailmankaikkeudesta on hyvin pieni.) Kosmologisilla etäisyyksillä kosmologinen punasiirtymä on paljon isompi kuin Dopplerin ilmiö. Tällä oli suuri merkitys siinä, että maailmankaikkeuden ymmärrettiin laajenevan, ja se auttaa erottamaan kosmologisen punasiirtymän Dopplerin ilmiöstä.

1900-luvun alkupuolella ajateltiin, että maailmankaikkeus on ikuinen ja staattinen. Jos emme ole erityisessä paikassa maailmankaikkeudessa, niin suunnilleen yhtä moni galaksi liikkuisi meitä kohti ja meistä poispäin. Niinpä galakseista tuleva valo olisi Dopplerin ilmiön takia puolessa tapauksista punasiirtynyt, ja puolessa sinisiirtynyt. Siirtymät olisivat myös riippumattomia galaksien etäisyydestä meistä, jos galaksien liike on jokseenkin samanlaista kaikkialla.

Vuonna 1929 Edwin Hubble huomasi kuitenkin, että lähes kaikkien galaksien meille tuleva valo on punasiirtynyt, poikkeuksena vain jotkut lähellä olevat galaksit. Lisäksi punasiirtymä on sitä isompi, mitä kauempana galaksi on. Kaksi vuotta aikaisemmin Georges Lemaître oli selittänyt maailmankaikkeuden laajenemisen johtavan tällaiseen ilmiöön, ja hän myös määritti etäisyyden ja punasiirtymän mitatusta suhteesta, kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee. Hubble sen sijaan ei koskaan hyväksynyt maailmankaikkeuden laajenemista, vaikka hänet tunnetaankin ”laajenevan maailmankaikkeuden isänä” ja Lemaîtren teoreettisesti ja kokeellisesti määrittelemä laajenemisnopeutta kuvaava vakio tunnetaan Hubblen vakiona.

Maailmankaikkeuden laajenemisesta on nykyään suuri määrä erilaista todistusaineistoa, mutta etäisyyden ja punasiirtymän suhde on yhä kiinnostava tutkimuskohde. Punasiirtymä kertoo, paljonko maailmankaikkeus on laajentunut sen jälkeen, kun valo lähti kohteesta. Niinpä kaikki saman punasiirtymän omaavat kohteet taivaalla ovat yhtä vanhoja, eli punasiirtymä on ajan mitta. Kun mitataan eri punasiirtymällä olevien kohteiden etäisyyksiä, voidaan laskea etäisyyden muutos ajan kuluessa, eli se, miten maailmankaikkeus laajenee. Nämä tutkimukset johtivat vuonna 1998 yllättävimpään löytöön kosmologiassa sitten 1920-luvun: maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt viimeisen muutaman miljardin vuoden aikana.

Nimi punasiirtymä tulee siitä, että ihmisaivot esittävät valon aallonpituuden väreinä, ja pidempi aallonpituus vastaa punaisempaa väriä. Mitä kaukaisempia kohteita katsoo, sitä punaisemmilta ne näyttävät, kunnes ne lopulta siirtyvät ihmissilmän näkymättömiin. Kosminen mikroaaltotausta on maailmankaikkeuden vanhinta valoa. Muodostuessaan maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuoden ikäinen se oli näkyvän valon ja infrapunavalon alueella, mutta nyt sen aallonpituus on venynyt tekijällä 1090, eikä mikroaaltoja näe silmin. Maailma on täynnä näkymätöntä ja kylmää valoa.

Päivitys 1 (14/01/14): Kosmisen mikroaaltotaustan syntymäaika korjattu.

Päivitys 2 (29/03/15): Edwin Hubblen havaintojen vuosiluku korjattu.

---

Sattuman siemenet esillä

8.1.2014 klo 19.58, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Pidin marraskuussa 2011 Suomalaisen Teologisen Kirjallisuusseuran symposiumissa esityksen ”Sattuman siemenet” nykykäsityksestämme maailmankaikkeudesta. Sen pohjalta kirjoittamani artikkeli on nyt ilmestynyt kirjassa ”Ihminen, uskonto ja luonnontieteet”. Muiden kirjoittajien otsikoina ovat mm. ”Galilei ja tieteellinen vallankumous”, ”Jättääkö tiede tilaa hengellisyydelle?” ja ”Yhdysvaltalaisen kristillisen oikeiston maailmankatsomus”. Oman tekstini viimeinen kappale on tämä:

 ”Kaikkien rakenteiden, kuten planeettojen tai ihmisten, yksityiskohdat ja koko olemassaolo on sattuman seurausta. Suurinta osaa maailmankaikkeuden aineesta ei pysty näkemään eikä koskemaan. Maailmankaikkeuden mittakaavat ovat niin pituuksien kuin aikojenkin suhteen inhimilliselle kokemukselle vieraita. Varhaisessa maailmankaikkeudessa kaikki tapahtuu äärimmäisen nopeasti ja erittäin pienillä etäisyyksillä, myöhempinä aikoina kosmologinen kehitys on niin hidasta ja tapahtuu niin suuressa mittakaavassa, että ihmiskunnan, saati yksittäisen ihmisen, elinaikana kaikki on oleellisesti paikallaan. Kosmologian paljastama kuva maailmankaikkeudesta on tyystin epäinhimillinen.”

---

Näkökulman muutoksia

23.12.2013 klo 00.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Seurasin Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen tähtitieteilijöiden kanssa torstaina 19.12. kun Gaia-satelliitti lähti Maapallolta kello 11.12 Suomen aikaa. Satelliittien laukaisussa on oma jännityksensä: jos hiukkaskiihdyttimen kanssa tulee paha ongelma, niin laitteen voi korjata kuntoon ja käynnistää uudelleen. (Näin kävikin LHC:lle vuonna 2008, kun yhdeksän päivää käynnistyksen jälkeen tapahtui vakava onnettomuus.) Mutta jos kantoraketti räjähtää tai satelliitin ohjaussuihkut eivät toimi, niin menetys on peruuttamaton. Gaian tapauksessa kaikki sujui suunnitelmien mukaisesti. Naapuriblogista voi lukea Gaia-tiimin johtaja Timo Prustin kokemuksista laukaisusta, ja Tiedetuubi kertoo aiheesta lisää.

Gaia on rakennettu tähtitieteen tarkoituksiin: se mittaa miljardi tähteä, eli noin prosentin kaikista Linnunradan tähdistä, sekä lukuisia asteroideja, Aurinkokunnan ulkopuolisia planeettoja ja muita lähitienoiden kappaleita. Gaialla on suuri merkitys tähtitieteelle, yksityiskohtia voi lukea Tähdet ja avaruus -lehden uusimmasta numerosta 7/2013.

Kosmologia kuitenkin tutkii maailmankaikkeutta kokonaisuutena, eikä lähiavaruuden kappaleiden paremmasta ymmärtämisestä yleensä ole siinä paljon hyötyä. Gaia on kuitenkin myös kosmologisesti mielenkiintoinen, koska se mittaa etäisten kohteiden parallaksia ennennäkemättömän tarkasti.

Parallaksi tarkoittaa sitä, että kohteiden sijainti näyttää erilaiselta, kun niitä tarkastellaan eri paikasta. ESAn sivuilla on asiasta havainnollinen selitys. Kun katsoo ojennetun käden pystyssä olevaa peukaloa ensin vasemmalla silmällä ja sitten oikealla, niin peukalo näyttää olevan eri kohdassa. Jos tietää silmien välisen etäisyyden, niin paikan muutoksesta voi laskea etäisyyden peukaloon: mitä isompi muutos, sitä pienempi etäisyys. Tarkkailemalla useiden näkyvissä olevien esineiden paikan muutosta pystyy selvittämään niiden kaikkien etäisyydet ja saa kolmiulotteisen kuvan ympäristöstä.

ESAn esimerkissä vasemmalla ja oikealla silmällä katsominen rinnastetaan mittausten tekemiseen Maapallolta sen ollessa Auringon vastakkaisilla puolilla. Tämä matka on 300 miljoonaa kilometriä, eli kosmologisesti katsottuna mitättömän pieni, noin sadasmiljardisosa etäisyydestä lähimpään galaksiin. Jos lähin galaksi olisi kymmenen metrin päässä, vastaava etäisyys olisi atomin levyinen. Gaia on niin tarkkanäköinen, että se pystyy erottamaan tätä vastaavan paikan muutoksen, mutta vain juuri ja juuri. (Voi itse asiassa olla, että tämä muutos on hieman liian pieni Gaialle.) Kosmologisiin etäisyyksiin on siis vaikea päästä. Kaksi seikkaa kuitenkin auttaa: Linnunradan liike muiden galaksien suhteen ja kaukana olevien kohteiden suuri määrä.

Ensinnäkin, Maapallo liikkuu Linnunradan mukana suhteessa kaukaisiin galakseihin 369 kilometriä sekunnissa. Tämä on mitattu nopeutemme suhteessa kosmiseen mikroaaltotaustaan. Koska galaksit ovat syntyneet kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyvistä epätasaisuuksista, ne ovat keskimäärin levossa kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, joten tämä on myös nopeutemme galaksien suhteen. Maapallo siis liikkuu kaukaisiin galakseihin nähden 12 miljardia kilometriä vuodessa, eli 78 kertaa Auringon ja Maapallon välin.

Toisekseen, Gaian odotetaan mittaavan puoli miljoonaa kvasaaria ja kolme miljoonaa galaksia kosmologisilla etäisyyksillä. Vaikka yhden kohteen parallaksi olisi pieni, niin kun tarkastellaan suurta määrää kohteita joiden paikka muuttuu samalla tavalla, saadaan kuva niiden yhteisestä paikan muutoksesta. (Gaia mittaa myös kohteiden punasiirtymän, joten tiedetään, mitkä kohteet ovat yhtä kaukana – kirjoitan punasiirtymästä joskus toiste!)

Näiden kahden asian takia Gaia saattaa pystyä mittaamaan parallakseja kohteista jotka ovat miljardien valovuosien päässä. Tämä on Gaian kykyjen äärirajoilla. Gaian kaavaillaan tekevän mittauksia viisi vuotta, ja kosmologinen data julkistetaan kokonaisuudessaan kolme vuotta mittausten loppumisen jälkeen, eli voi olla että vasta vuonna 2022 selviää, miten hyvin Gaia kosmologisissa mittauksissa onnistuu.

Mitä kosmisen parallaksin mittaamisella sitten saavutetaan? Kosmologisia etäisyysmittauksia on tehty 1920-luvulta asti, ja nykyään niitä on jo suoritettu tarkemmin kuin mihin Gaia kykenee. Juuri etäisyyksien tarkka selvittäminen vei vuonna 1998 siihen johtopäätökseen, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, mistä myönnettiin vuonna 2011 Nobelin palkinto. Nuo mittaukset kuitenkin perustuivat supernovien kirkkauteen: mitä himmeämpi kohde, sitä kauempana se on. Arkiskaalassa on aivan sama, mittaako kohteen etäisyyden kirkkaudesta, parallaksista tai vaikka näennäisestä koosta. Kosmologiassa tilanne on toinen.

Avaruus kehittyy merkittävästi valon matkatessa miljardeja vuosia, ja tämä vaikuttaa eri tavalla kirkkauteen ja parallaksiin. Niinpä vertaamalla kirkkautta ja parallaksia saadaan uusi näkökulma siihen, miten maailmankaikkeus kehittyy ja mikä saattaa olla kiihtyvän laajenemisen syynä. Pääasiallisen tutkimuskohteeni, rakenteiden vaikutuksen maailmankaikkeuden laajenemiseen, kannalta tämä on kiinnostavaa. Niinpä tutkailin parallaksia tämän vuoden viimeisessä tieteellisessä artikkelissani, joka tuli julki sopivasti Gaian taivaalle nousemisen jälkeisenä yönä. Tähän on hyvä päättää vuosi.

---

Hirvittäviä hyppäyksiä

16.12.2013 klo 02.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Huomasin YLEltä uutisen jonka mukaan ”Universumi voi romahtaa koska tahansa – tai sitten ei”. Jutun mukaan on mahdollista, että ”Muutos puristaisi kaiken aineen pieneksi supertiheäksi palloksi. Samalla maailmankaikkeus nykymuodossaan lakkaisi olemasta”. Tiedeuutisissa on tavallista törmätä artikkeleihin, joiden ihmeellisyydelle vetää vertoja vain niiden perättömyys, joten en ajatellut kirjoittaa aiheesta enempää. Kun kuitenkin tulin katsoneeksi asiaa tarkemmin, huomasin että taustalla onkin ihan mielenkiintoista tutkimusta.

YLE oli saanut jutun Tähdet ja avaruus –lehdestä, joka puolestaan oli poiminut sen sivustolta SpaceDaily.com. Kun aihe on vaikea eivätkä toimittajat ole käsittelemiensä asioiden asiantuntijoita, niin kertomus voisi helposti muuttua yhä uskomattomammaksi joka askeleella. Itse asiassa YLEn uutinen on kuitenkin kohtuullinen tiivistelmä SpaceDaily.comin artikkelista. Uutisen poskettomat väitteet ovat tosin kaukana siitä, missä itse tieteellisessä tutkimuksessa on kyse, mutta ne eivät ole SpaceDaily.comin toimittajan keksintöä. Kyseisen sivuston ”uutinen” on nimittäin sanatarkka kopio Eteläisen Tanskan yliopiston lehdistötiedotteesta.

Kuten olen aiemmin sanonut, toimittajia voi syyttää siitä, että he suhtautuvat tutkijoiden lehdistötiedotteisiin kritiikittömästi, mutta suurin osa paisuttelusta on yleensä tutkijoiden itsensä tekosia. (Esimerkkejä voi katsastaa Peter Woitin blogista Not Even Wrong.)

Tutkimus sinänsä on kiinnostava, se koskee Higgsin kenttää. Hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin kenttä täyttää koko avaruuden. Sitä voi verrata sähkökenttään, paitsi että sähkökentällä on voimakkuuden lisäksi suunta, Higgsin kentällä on vain voimakkuus. Higgsin kenttä on tällä hetkellä kaikkialla havaitussa maailmankaikkeudessa yhtä voimakas. Higgsin kentän voimakkuus ilmenee nykymaailmankaikkeudessa lähinnä siten, että tunnetut alkeishiukkaset saavat massansa vuorovaikuttamalla kentän kanssa. (Poikkeuksena Higgsin hiukkanen itse sekä mahdollisesti neutriinot, joiden massojen alkuperästä ei ole varmuutta.) Mitä voimakkaampi Higgsin kenttä on ja mitä vahvemmin hiukkanen vuorovaikuttaa sen kanssa, sitä suurempi hiukkasen massa on.

Varhaisessa maailmankaikkeudessa Higgsin kentän voimakkuus on ollut erilainen kuin nykyään, ja on mahdollista, että se muuttuu tulevaisuudessa. Kentän käytöksen määrää se, miten se vuorovaikuttaa itsensä ja muihin hiukkasiin liittyvien kenttien kanssa. Nämä vuorovaikutukset ovat niin monimutkaisia, että niitä ei pystytä laskemaan täysin tarkasti, teoriaa pitää aina yksinkertaistaa jotenkin. Oleg Antipinin ja muiden tutkimuksessa, joka on toiminut lehdistötiedotteen pohjana, esitetään uudenlainen tapa yksinkertaistaa vuorovaikutusten laskemista. Kysymys on siitä, mitä osia teoriasta otetaan mukaan ja mitä jätetään pois, ja Antipin ja kollegat esittävät hieman erilaista kirjanpitoa kuin mitä yleensä on käytetty.

Tutkijat soveltavat artikkelissaan uutta menetelmää sen laskemiseen, miten Higgsin kenttä käyttäytyy, kun sen voimakkuus on hyvin suuri. Nykypäivänä Higgsin kenttä näyttää olevan stabiili. Tämä tarkoittaa sitä, että jos kentän voimakkuus muuttuu vähän, niin se palaa takaisin vanhaan arvoonsa. Kenttä lepää rauhassa kuin kivi kaivon pohjalla. On mahdollista, että jos kenttä olisi hyvin voimakas, niin se ei olisi enää stabiili, vaan se voimakkuus rupeaisi kasvamaan rajatta. Toisaalta voi olla, että hyvin voimakas kenttä olisi vielä stabiilimpi kuin nykyinen. Kummassakin tapauksessa kenttä saattaa hypätä hirvittävän ison välin hyvin suurelle arvolle, kuin kivi kaivosta viereisen syvemmän kaivon pohjalle, tai pohjattomaan kuiluun. (Kun asian ilmaisee näin, niin se kuulostaa kummalliselta, mutta kvanttimekaniikassa tällaista tunneloitumista tosiaan tapahtuu – aiheesta kenties myöhemmin lisää.)

Mitä merkitystä tällä sitten on? Jos Higgsin kentän arvo kasvaisi rajatta, niin siihen liittyvästä energiatiheydestä tulisi hyvin negatiivinen, mikä johtaisi maailmankaikkeuden romahtamiseen. Toisekseen, jos Higgsin kenttä on vastuussa varhaisen maailmankaikkeuden inflaationa tunnetusta tapahtumasta, niin siihen liittyvä kentän voimakkuus on hyvin suuri, ja kentän käytös pitää tuntea tarkkaan. 

Higgsin kentän stabiilius riippuu sen massasta ja vuorovaikutuksesta itsensä ja muiden hiukkasten kanssa. Standardimallissa Higgsin kenttä on suurilla voimakkuuksilla niin lähellä stabiilin ja epästabiilin rajaa, että tämänhetkisen mittaustarkkuuden rajoissa ei voida sanoa, kummalla puolella se on. Laskuihin vaikuttavat tunnettujen hiukkasten lisäksi kaikki muut hiukkaset. Lienee olemassa ainakin pimeän aineen hiukkanen, ja luultavasti useita muitakin toistaiseksi tuntemattomia hiukkasia, joten pelkästään Standardimallin hiukkassisällöllä tehdyt laskut, kuten Antipinin ja kollegoiden tutkimus, eivät ole viimeinen sana. Artikkelin johtopäätös joka tapauksessa on se, että approksimaatiot Higgsin kentän käyttäytymisestä eivät vielä ole tarpeeksi tarkkoja, että voitaisiin päätellä, mitä tapahtuu kentän ollessa hyvin voimakas.

Miten tästä on hypätty yliopiston lehdistötiedotteeseen, jonka mukaan hiukkasista voi koska tahansa tulla paljon raskaampia, aine puristua supertiheäksi palloksi ja maailmankaikkeus lakata olemasta?

Jos Higgsin kenttä siirtyisi epästabiiliin tilaan, niin tämä saattaisi tosiaan johtaa maailmankaikkeuden romahtamiseen, kuten mainittua. Mutta tästä lehdistötiedotteessa ei vaikuta olevan kysymys, vaan siitä, että kentän voimakkuus hyppäisi stabiiliin tilaan. Tällöin naiivisti ajateltuna hiukkasten massat (ja siten myös energiat) kasvaisivat. Mutta laskuissa Higgsin kentän tilan muuttumisesta ei ole otettu huomioon tätä – laskun koko idea on se, että maailmankaikkeus siirtyy tilaan, jossa kokonaisenergia on sama tai alempi, ei isompi. Jos hiukkasten massojen kasvun ottaisi huomioon, energia kasvaisi. Toisin sanoen, lehdistötiedotteen kuvaama hyppy on mahdoton. Tutkimuksessa ei mitään tällaisia väitteitä ole, romahtamisesta tai muusta maailmanlopusta ei siinä puhuta sanallakaan.

Lehdistötiedotteessa on mainittu yhteyshenkilönä tutkimuksen tekemiseen osallistunut jatko-opiskelija Jens Krog. Hän on myös ainoa henkilö, jota on lehdistötiedotteessa ”haastateltu”. Ei ole selvää, mikä osa tekstistä on hänen käsialaansa ja mikä kenties yliopiston tiedottajien. Ei liene syytä laittaa liikaa painoarvoa sille, että kyseessä on jatko-opiskelija, koska yhtä harhaanjohtavia tekstejä tulee vanhempienkin tutkijoiden nimissä. Yleinen käytäntö sitä paitsi on, että ennen väitöskirjan valmistumista jatko-opiskelijoiden synnit kuuluvat ohjaajien kannettavaksi, ja lehdistötiedotteen sisällön pitäisi olla kaikkien hyväksymä.

Tässä tapauksessa lehdistötiedote oli harhaanjohtava ja virheellinen. Mutta silloinkin kun tiedote kuvaa tutkimuksen sisältöä oikein, on ongelmallista, että toimittajat päättelevät pelkästään tiedotteen lähettämisestä, että jotain merkittävää on tapahtunut. Tämä onkin luonnollista – jos kysymys olisi sellaisesta pienestä askeleesta joita otetaan kymmeniä päivittäin, niin miksi juuri tästä olisi kirjoitettu tiedote? Esimerkiksi muka valoa nopeammiksi neutriinoiksi luullun mittausvirheen tapauksessa asia olisi pitänyt selvittää tutkimusryhmän tai laajemman tiedeyhteisön sisällä eikä uutisoida koko maailmalle.

Olen itse kerran joutunut tällaiseen tilanteeseen. Väitöskirjaopiskelijani Mikko Lavinnon ja Jagellon yliopistossa Krakovassa työskentelevän Sebastian J. Szybkan kanssa kehitimme kosmologisen mallin, jossa on alueita, jotka ovat sisältä isompia kuin ulkoa, tutkiaksemme rakenteiden vaikutusta maailmankaikkeuden laajenemiseen. Nimesimme ne Tardis-alueiksi, Oxford English Dictionaryyn Dr Who –sarjasta päätyneen sanan mukaan; sana tarkoittaa jotakin jonka sisäinen koko on isompi kuin ulkoinen. Nimen takia tutkimus sai huomiota netissä. Yhtä juttua varten toimittaja haastatteli minua, ja siitä tulikin ihan asiallinen. Ajattelin, että matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan tiedottajaa saattaisi kiinnostaa asian saama huomio, joten laitoin hänelle viestin. Puolitoista tuntia myöhemmin sain yllätyksekseni sähköpostissa lehdistötiedotteen luonnoksen. Soitin tiedottajalle ja sanoin, että parempi olla laittamatta tiedotetta, koska vaikka artikkeli on mielestäni hyvä ja kiinnostava, tiedotteen lähettäminen antaa liiallisen vaikutelman tutkimuksen merkityksestä. (Tiedottaja suhtautui asiallisesti, mutta voin kuvitella hänen miettineen, millaisia hölmöjä jotkut tutkijat ovat: miksi ottaa yhteyttä tiedottajaan, jos ei kerran halua, että tämä tiedottaa?)

Päävastuu tutkimuksesta tiedottamisesta asianmukaisesti on tutkijoilla itsellään. Higgsin hiukkasen löytymisen asiallinen uutisointi osoittaa, että tiedotusvälineet pystyvät esittämään tieteelliset läpimurrot oikeassa viitekehyksessä ja merkitykset paikalleen pistäen, jos niille tarjotaan siihen vankka pohja. Mutta toimittajienkin tulisi tehdä osansa ja etenkin ihmeellisten löytöjen kohdalla lehdistötiedotteiden tai muiden lehtien artikkelien kopioimisen sijaan selvittää miten asian laita todella on.