Kosmokseen kirjoitettua

Fysiikkaa runoilijoille ja kosmologiaa

17.8.2022 klo 13.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luennoin taas tänä syksynä kurssin Fysiikkaa runoilijoille Helsingin yliopistolla. Sen voi suorittaa myös Avoimessa yliopistossa. Ilmoittautuminen kurssille on auki.

Luennot ovat paikan päällä maanantaisin kello 14-16 ja tiistaisin kello 12-14, alkaen tiistaina 6. syyskuuta. Luennoille ovat tervetulleita myös yliopiston ulkopuoliset. Luentoja ei nauhoiteta eikä striimata.

Kurssilla kuvataan fysiikan teorioiden kehitystä ja sisältöä fyysikon näkökulmasta, ja avataan niiden käsitteitä ja maailmankuvallista merkitystä. Aiheina ovat Newtonin klassinen mekaniikka, suhteellisuusteoria, kvanttifysiikka, kosmologia, ja lopussa muutama lyhyesti yritykset kohti kaiken teoriaa. Kurssi ei edellytä esitietoja fysiikasta eikä sisällä laskemista.

Kurssin sivuilla on palautetta edellisten vuosien opiskelijoilta sekä neuvoja kurssin käymiseen, tässä poiminta:

”Kurssi oli todella antoisa, kiitos! Tällaisia tieteenalojen välisiä kädenojennuksia kaivattaisiin enemmän. Tuntuu, että noin yleisesti ottaen fysiikasta kiinnostunut humanisti voi joko tyytyä populaarikirjallisuuteen tarjoamaan pintaraapaisuun tai vaihtoehtoisesti aloittaa fysiikan opiskelun aivan a:sta; välimuotoa on vaikea löytää. Tämä kurssi täytti tämän puutteen erinomaisesti.”

Luennoin syksyllä myös Ursalle kosmologiasta kurssin kerran paikan päällä Tieteiden talolla ja kerran etänä. Edellisinä vuosina liput on myyty loppuun nopeasti, eli jos haluaa mukaan, niin kannattanee ostaa pian. Kurssien sisältö on sama, Ursan sivujen kuvauksen mukaan kumpikin kurssi

”tarjoaa napakan katsauksen moderniin kosmologiaan, sen oleellisimpiin teorioihin sekä hieman myös kosmologian historiaan. Kurssilla käsitellään mm. maailmankaikkeuden historia, ison mittakaavan rakenteet, kosmisen mikroaaltotausta, pimeä aine, pimeä energia ja kosminen inflaatio.”

---

Yhteyksiä ja unelmia

11.8.2022 klo 21.53, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin heinä-elokuun vaihteessa matemaatikkojen ja fyysikoiden yhteisessä konferenssissa Palestiinassa. Konferenssi jatkoi vuonna 2008 alkanutta sarjaa, jossa järjestetään tapaaminen joka toinen vuosi eri yliopistossa Miehitetyillä palestiinalaisalueilla. Nyt vuorossa oli Birzeitin yliopisto, missä luennoin syksyllä 2018 kosmologiaa. Konferenssia edelsi järjestön Scientists for Palestine järjestämä opiskelijoille suunnattu kesäkoulu koneoppimisesta.

Konferenssiin osallistui palestiinalaisia Länsirannalta ja Gazasta –jälkimmäisestä etänä, koska Gaza on Israelin 15 vuotta kestäneen saarron alla– ja ulkomailta, sekä parikymmentä muuta ulkomaista kutsuttua puhujaa. Olin kutsuttujen joukossa ja konferenssin tieteellisessä komiteassa.

Kuten minulla on tullut tavaksi todeta, konferenssien tärkein anti on kohtaamiset ja keskustelut. Sen lisäksi, että kohtaa uusia tutkijoita ja kuulee odottamattomia näkökulmia, myös tapaa vanhoja tuttuja. Tohtoriksi valmistumisen ja pysyvän työpaikan saamisen välisinä vuosina tutkijat matkaavat maasta toiseen kisällien tapaan, joten kollega- ja ystäväpiiri kasvaa ja hajaantuu ympäri maailmaa; konferenssit kokoavat väkeä yhteen.

Palestiinalaisten kohdalla tämä korostuu, koska miljoonat heistä ovat pakolaisina ympäri maailmaa, ja Israel estää heitä muuttamasta kotimaahansa, koska he kuuluvat väärään etniseen ryhmään. Fysiikassa yksi ongelma on se, että Länsirannan yliopistoissa ei ole alan tohtoriohjelmaa, joten pitää lähteä ulkomaille jos haluaa tehdä väitöskirjan. Oli mukava tavata taas opiskelijoita, jotka olivat käyneet kosmologiakurssini vuonna 2018 ja kuulla mitä he ovat tehneet valmistuttuaan maisteriksi, mutta ikävä havaita, että kaikki jotka olisivat halunneet jatkaa opintojaan eivät olleet niin tehneet.

Nuoremmat opiskelijat kysyivät, koska tulisin luennoimaan kurssin uudelleen. Israel on tehnyt siitä entistä vaikeampaa tiukentamalla rajoituksia, joilla se eristää miehitettyä Länsirantaa muusta maailmasta. Luennoitsijan täytyy jättää hakemus Israelin miehityshallinnolle, jonka sotilaat päättävät, onko luentojen aihe oleellinen palestiinalaisille ja onko luennoitsija pätevä. Lisäksi ulkomaisille luennoitsijoille on 100 hengen yläraja: useampi ei saa tulla opettamaan, vaikka Länsirannalla asuu kolme miljoonaa palestiinalaista.

Miehityshallinnon sallimissa puitteissa osassa Länsirantaa paikallishallintona toimivan Palestiinalaishallinnon opetusministeri Marwan Awartani avasi konferenssin. Awartani piti epämuodollisen puheen, missä hän muisteli menneitä ja patisti yliopistolaisia yhteistyöhön kouluopettajien kanssa. Opettajille on yliopistoissa järjestetty kesäkouluja tietojen päivittämiseksi, ja hän kehotti fyysikkojen ja matemaatikkojen seuroja perustamaan omia jaostoja opettajille, jotta näillä olisi tiiviimpi yhteys yliopistoihin ja tieteeseen.

Tämä ei ollut ulkopuolisen lausunto: Awartani on taustaltaan matemaatikko, ja hän oli perustamassa ensimmäistä palestiinalaisten matemaatikkojen seuraa ja järjestämässä ensimmäistä palestiinalaista matematiikan konferenssia. Awartani myös valitti, että useampia opiskelijoita pitäisi saada kiinnostumaan matematiikasta ja luonnontieteistä ja niihin liittyvästä kriittisestä ajattelusta.

Tieteellisen ohjelman avasi Cambridgen yliopiston ja Texas A&M -yliopiston Edriss Titi, joka puhui siitä, miten turbulenssin tutkiminen yhdistää fysiikkaa ja matematiikkaa. Turbulenssi on nesteissä ja kaasuissa esiintyvä kaoottinen ilmiö, jossa energiaa siirtyy isosta mittakaavasta pieneen ja syntyy pyörteitä. Turbulenssi on tärkeä osa monia fysiikan käytännön sovelluksia (esimerkiksi polttomoottorien palamisessa ja lentokoneiden liikkeissä), ja sen ymmärtämisessä on vielä merkittäviä aukkoja.

Matemaatikko kun on, Titi kuitenkin käsitteli turbulenssia esimerkkinä ilmiöstä, jota tutkittaessa löydetyt matemaattiset rakenteet ovat kiinnostavampia kuin sovellukset, joita varten asiaa mallinnetaan. Hän vertasi tätä siihen, miten persialainen matemaatikko Muhammad ibn Musa al-Khwarizmi kehitti 800-luvulla algebran ratkaistakseen islamilaiseen perintölakiin liittyviä ongelmia.

Muussa ohjelmassa fysiikan ja matematiikan puheet olivat erikseen. Fysiikan aiheissa oli laaja kirjo: säieteorian uudesta muotivirtauksesta kaksiulotteisiin materiaaleihin, joita voidaan käyttää muuttamaan hiilidioksidia metanoliksi; uusista Higgsin hiukkasista tuulivoimaloiden tehokkuuden arviointiin. Oli mukava huomata, että mukana oli paljon gradun tai väitöskirjan tekijöitä puhumassa työstään. Konferensseihin osallistuminen ja oman työn esittäminen on tärkeä oppimisen väline.

Eri aloja yhdistävissä konferensseissa (myös Suomen Fysiikan päivillä) on usein se ongelma, että suurin osa puheista on laadittu oman alan tutkijoille. Koska tutkimus on hyvin erikoistunutta, on raskasta ja vaikeaa yrittää seurata kaukana omasta alasta olevia esityksiä, vaikka aihe kiinnostaisikin. Toisaalta joskus voi ilmetä hyödyllisiä yhteyksiä. Esimerkiksi konferenssissa oli kokeellisten fyysikkojen puheita perovskiitti-mineraalin käytöstä tehokkaampien ja ympäristöystävällisempien aurinkokennojen valmistamisessa, ja paikalla olleiden teoreetikkojen osaamisesta voi olla hyötyä tuon paljolti kokeisiin perustuvan tutkimuksen viemisessä eteenpäin.

Jocelyn Bell Burner Oxfordin yliopistosta puhui etänä otsikolla ”Naisena (astro)fysiikassa”. Bell Burner löysi ensimmäiset pulsarit vuonna 1967 ollessaan Antony Hewishin jatko-opiskelija. Löydöstä myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 1974, mutta Bell Burner ei ollut palkinnonsaajien joukossa. Muun muassa tähtitieteilijä Fred Hoyle, joka ensimmäisten joukossa ymmärsi että pulsarit ovat supernovien jäänteitä, arvosteli päätöstä. Bell Burner on itse ollut sitä mieltä, että päätös johtui ennemmin siitä, että hän oli opiskelija kuin siitä että hän on nainen, ja on sanonut ymmärtäneensä sen. Bell Burnerin taustasta ja pulsarien löytämisestä voi kuulla enemmän New York Timesin minidokumentista, mihin häntä haastateltiin vuonna 2018.

Konferenssissa Bell Burner ei puhunut tuosta menneisyydestä, mutta kävi läpi siitä, miten hänen aikanaan naiset kasvatettiin palvelemaan muita ja arvioimaan menestymistään aviomiehensä kautta, ja millaisia esteitä naispuolisten tieteilijöiden tiellä vieläkin on. (Lisää aiheesta täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä.)

Puheessaan Bell Burner esitteli kansainvälisen tähtitieteellisen järjestön IAU:n tilastoja naisten osuudesta tähtitieteilijöistä ei maissa. Hän totesi osuuden kasvaneen hitaasti ajan myötä. Hän myös kiinnitti huomiota siihen, että monet maat joissa naisten osuus on isoin ovat etelässä. Maista, joissa on yli 100 IAU:n jäsentä eniten naisia on Argentiinassa (41%), Italiassa (31%), Etelä-Afrikassa (29%) sekä Indonesiassa ja Ranskassa (26%). Suomessa osuus on 20%, Ruotsissa 16%, ja Bell Burnerin asuinmaassa Iso-Britanniassa 18%.

Mahdollisiksi syiksi Bell Burner ehdotti sitä, että näissä maissa tähtitiede olisi vähemmän arvostettua, eikä siksi kiinnostaisi miehiä niin paljon, ja että lastenhoitoon olisi helpommin saatavilla palkattua apua ja tukea isovanhemmilta. Hän suositteli vasta ilmestynyttä kirjaa The Sky Is for Everyone, johon on koottu naistähtitieteilijöiden kertomuksia urastaan. (Tähän blogiin saattaa jossain vaiheessa ilmestyä arvostelu kirjasta.)

Ilmiö ei rajoitu tähtitieteeseen. Esimerkiksi tässä palestiinalaisessa konferenssissa naisten osuus oli isompi kuin yleensä vastaavissa eurooppalaisissa konferensseissa, ja Birzeitin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan dekaani ja konferenssin pääjärjestäjä Wafaa Khater on nainen. (Birzeitissakin kyllä ylivoimainen enemmistö professoreista ja muista korkeamman aseman fyysikoista on miehiä.)

Toinen asia mitä Bell Burner korosti oli se, että tieteen esittämisessä jää yleensä liian pieneen rooliin se, miten tärkeitä ovat mielikuvitus, intuitio ja unelmat, jotka auttavat kehittämään ideoita siitä mitä tehdä ja miten.

---

Kello tähden pinnalla

29.6.2022 klo 21.35, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kun mainitsin että kosminen mikroaaltotausta muodostui maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuotta vanha, kommenteissa kysyttiin miten tämä ajankohta tiedetään niin tarkasti, kun maailmankaikkeuden nykyinen ikä tunnetaan paljon huonommin.

Maailmankaikkeudessa ei ole yhtä kelloa, jonka viisarien asennosta voisi suoraan katsoa paljonko aikaa on kulunut. Jos tiedetään miten jotkut kappaleet –vaikkapa tähdet tai galaksit– kehittyvät, niin sellaisen iän voi arvioida ulkonäön perusteella. Jos pystyy lisäksi päättelemään, kuinka kauan maailmankaikkeuden alusta kesti siihen, että kappale muodostui, saa selville kuinka vanha maailmankaikkeus oli silloin kun siitä meille nyt saapuva valo lähti matkaan.

Usein iän määrittäminen on kuitenkin epäsuorempaa, eikä varhaisina aikoina ennen tähtien ja muun rakenteen muodostumista ole mitään kappaleita nähtäväksi. Niinpä yksi keskeinen tapa ajan mittaamiseen on maailmankaikkeuden lämpötilan ja iän suhde. Koska aine jäähtyy avaruuden laajetessa, kahden tapahtuman lämpötilan vertailu kertoo paljonko maailmankaikkeus on niiden välillä laajentunut.

Esimerkiksi kosmisen mikroaaltotaustan lämpötila on nykyään 2.7 K. Kosminen mikroaaltotausta syntyi kun aine oli jäähtynyt niin paljon, että atomit muodostuvat, minkä tiedetään tapahtuvan 3000 kelvinin lämpötilassa. Tästä voidaan päätellä, että avaruus on venynyt 1 100-kertaiseksi mikroaaltotaustan matkaan lähdöstä tähän päivään.

Jos tiedetään, millaista ainetta maailmankaikkeudessa on, niin yleinen suhteellisuusteoria ennustaa miten maailmankaikkeus laajenee. Tällöin siitä paljonko avaruus on venynyt voidaan lukea maailmankaikkeuden ikä.

Myöhäisinä aikoina tulee vastaan se ongelma, että tällainen iänmääritys on vain yhtä varma kuin tietomme siitä, miten avaruus laajenee. Harmillisesti suurin mysteeri kosmologiassa on se, mikä aiheuttaa muutaman viimeisen miljardin vuoden aikana tapahtuneen kiihtyvän laajenemisen, ja miten laajenemisnopeus on tismalleen muuttunut.

Varhaisina aikoina ainesisältö kuitenkin tunnetaan, joten lämpötilan ja iän yhteys on selvä. Koska hiukkasfysiikan pohjalta tiedetään tarkasti, mitä kussakin lämpötilassa tapahtuu, voidaan maailmankaikkeuden vaiheet ajoittaa tarkasti.

Esimerkiksi neutriinot vuorovaikuttavat muiden hiukkasten kanssa sitä heikommin, mitä vähemmän niillä on energiaa, eli mitä alhaisempi niiden lämpötila on – lämpötilahan mittaa hiukkasten liike-energiaa. Kun hiukkaspuuron lämpötila laskee alle kymmenen miljardin asteen, neutriinojen vuorovaikutuksista tulee niin heikkoja, että ne kytkeytyvät irti maailmankaikkeuden muusta aineesta ja matkaavat vapaasti. Teoriasta voimme laskea, että tämä lämpötila vastaa yhden sekunnin ikää.

Ensimmäisten noin kahden ja kolmenkymmenen minuutin välillä kevyiden alkuaineiden –vedyn, heliumin ja litiumin– ytimet syntyvät protoneista ja neutroneista. Protonien, neutronien ja ydinten käytöksen määräävä ydinfysiikka riippuu herkästi lämpötilasta ja maailmankaikkeuden laajenemisesta.

Jos maailmankaikkeudessa ei olisi neutriinoita, avaruus laajenisi verkkaisemmin, jolloin lämpötila laskisi hitaammin ja helium-4:ää syntyisi vähemmän. Toisaalta jos olisi olemassa tuntemattomia neutriinojen kaltaisia hyvin heikosti vuorovaikuttavia hiukkasia, laajenemisnopeus olisi isompi, ja syntyisi enemmän helium-4:ää. Samoin jos olisi tuntemattomia protonien ja neutronien kanssa vuorovaikuttavia hiukkasia, ne voisivat sotkeutua ydinten muodostumiseen. Ensimmäiset minuutit ovat hiukkasfysiikan laboratorio.

Erilaisten ydinten määrä muuttuu ensimmäisten minuuttien hiukkaskeitossa kun ne syntyvät, törmäilevät ja hajoavat. Kun ydinreaktiot lämpötilan laskiessa sammuvat, ydinten määrät pysähtyvät kuin kellojen viisarit. Jos nyt mitatut ydinten pitoisuudet kaikki vastaavat ennusteita, voimme todeta, että käsityksemme tapahtumien ajoituksesta pitää paikkansa. Jos pitoisuudet näyttävät eri lukemaa, on syytä miettiä uudelleen, mitä on oikein tapahtunut.

Tällä hetkellä on mahdollista mitata kevyen neljän ytimen (deuterium, helium-3, helium-4 ja litium-7) pitoisuudet. Vedyn ja heliumin määrän voi selvittää tiiraamalla kaasupilviä, joissa on vain vähän raskaampia alkuaineita. Raskaammat ytimet syntyvät tähdissä: niiden puute on merkki siitä, että kaasua ei ole juuri prosessoitu, joten ydinten pitoisuudet ovat jokseenkin samat kuin mitä ne olivat ensimmäisen puolen tunnin jälkeen. Litiumin määrä mitataan vanhojen tähtien pinnoilta.

Muut luvut sopivat ennusteisiin, mutta litium-7:ää on vain kolmannes odotetusta määrästä. Syynä voi olla uudet hiukkaset tai muu toistaiseksi tuntematon fysiikka. Arkisemmin tämä voi johtua siitä, että litiumia tuhoutuu tähdissä odotettua tehokkaammin. Toissaviikon konferenssissa Physics of the Early Universe esittämässään katsauksessa kevyiden alkuaineiden syntyyn Oleg Ruchayskiy korosti sitä mahdollisuutta, että ydinfysiikan mittaukset siitä, miten ytimet vuorovaikuttavat ovat olleet epätarkkoja, ja voi olla että ongelma poistuu kun ne kaikki päivitetään.

Olipa ratkaisu mikä tahansa, johtopäätöksemme varhaisten aikojen tapahtumista ja niiden ajoituksesta ovat samaan aikaan epäsuoria ja täsmällisiä: luemme tähtien pinnan koostumuksesta, mitä ensimmäisten minuuttien aikana tapahtui sekuntien tarkkuudella.

---

Ravistelu ja romukoppa

23.6.2022 klo 19.46, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Osallistuin viime viikolla etäkonferenssiin Physics of the Early Universe. Alun perin tapahtuman oli tarkoitus olla kosmologiaosuus isossa venäläisten yliopistojen ja tutkimusinstituuttien järjestämässä etäkonferenssissa Quarks-22. Venäjän hyökättyä Ukrainaan järjestäjät ilmoittivat peruvansa Quarks-22:n, koska tämänhetkisessä tilanteessa niin isoa kansainvälistä konferenssia ei voi järjestää.

Kosmologiaosion järjestäjät erikseen tuomitsivat Venäjän hyökkäyksen. He järjestivät osuutensa omana (venäläisistä instituuteista erillisenä) tapahtumanaan, jossa minäkin mielelläni puhuin tutkimuksestani. Jotkut puhujat aloittivat esityksensä tuomitsemalla Venäjän aloittaman sodan ja ilmaisemalla tukensa sen ukrainalaisille uhreille sekä sen venäläisille vastustajille.

Konferenssissa näkyi kosmologian kirjo. Ensimmäinen päivä alkoi puheilla maailmankaikkeudesta vailla alkua, madonreikinä tunnettujen aika-avaruuden ohituskaistojen mahdollisesti aiheuttamista ongelmista, entropian maksimoimisesta selityksenä maailmankaikkeuden tasaisuudelle (vaihtoehtona kosmiselle inflaatiolle), ja muilla spekulatiivisilla ideoilla.

Suurin osa tutkimuksesta on pientä säätämistä toimiviksi todettujen teorioiden liepeillä. On tervettä, että kaikki eivät tyydy tähän, vaan pohtivat myös vähemmän suosittuja ideoita ja esittävät vaihtoehtoja, vaikka niissä olisikin ratkaisemattomia ongelmia. Havaintovetoisilla aloilla kuten kosmologiassa on yleensä hyvät perusteet sille, miksi joistakin ideoista on tullut yleisesti hyväksyttyjä, mutta hyvätkin syyt voivat olla väärin, joten ajatuksia on syytä ravistella.

Spekulatiivisia ideoita kuunnellessa tuntuu siltä, että täytyy olla valppaana, että osaa pitää mielen yhtä aikaa avoimena ja epäilevänä. Samalla ne muistuttavat siitä, miten tärkeää on, että havainnot pitävät teoreetikot oikeassa kurssissa.

On vaikea sanoa, mitkä ideat johtavat edistykseen, etenkin kun samalla ihmisellä voi olla sekä oivaltavan hyödyllisiä että umpikujaan vieviä ideoita. Älykkyys tai kokemus eivät takaa oikeellisuutta. Lisäksi virheellistä ideaa varten kehitetty laskennallinen menetelmä tai fysikaalinen idea voi osoittautua oikeaksi, eli pitää varoa heittämästä pois pesuvettä lapsen mukana.

Suurin osa konferenssista oli lähellä havaintoja ja tunnettua fysiikkaa. Kaikkia kosmologian keskeisiä aiheita käsiteltiin: inflaatiota, pimeää ainetta, pimeää energiaa, baryogeneesiä, galaksien jakaumaa isossa mittakaavassa, mutta enimmäkseen liikuttiin hiukkasfysiikan tienoilla.

Paljon puhuttiin siitä mahdollisuudesta, että Higgsin kenttä on vastuussa kosmisesta inflaatiosta ja siten maailmankaikkeuden rakenteen siemenistä. Tämä yksinkertainen malli on noussut kosmologian keskiöön, semminkin kun se sopii vuosi vuodelta parantuviin havaintoihin yhtä erinomaisesti kuin 15 vuotta sitten, jolloin Fedor Bezrukov ja Mikhail Shaposhnikov sen esittivät. Monet kilpailevat mallit on sen sijaan jouduttu heittämään romukoppaan uusien havaintojen myötä.

Mainittakoon myös Christof Wetterichin työ asymptoottisen turvallisuuden nimellä tunnetun idean parissa. Wetterich pyrkii selittämään samaan aikaan inflaation ja pimeän energian yhdistämällä gravitaation ja hiukkasfysiikan melko yksinkertaisella tavalla. Idea ei ole saanut yhtä suurta suosiota kuin Higgs-inflaatio, mutta on vaikuttavaa, että sen perusteella Wetterich yhdessä Shaposhnikovin kanssa ennusti oikein Higgsin hiukkasen massan ennen sen löytymistä.

Mustat aukot ja gravitaatioaallot, yhdessä tai erikseen, ovat kuuma aihe ja hyvin edustettuina. Nostan esille ystäväni ja yhteistyökumppanini Daniel Figueroan työn siitä, miten eri alkeishiukkaset saattavat varhaisina aikoina jättää ainutlaatuisen jäljen gravitaatioaaltotaustaan. Niinpä gravitaatioaaltoja mittaamalla voitaisiin löytää uusia hiukkasia energioilla, joihin hiukkaskiihdyttimet eivät yllä. Idea yhdistää hiukkasfysiikan pienen ja kosmologian ison mittakaavat hieman samaan tapaan kuin kosminen inflaatio.

Ongelmana on sopivien havaintolaitteiden puute. Vuonna 2037 taivaalle nousevaksi kaavailtu gravitaatioaalto-observatorio LISA voi havaita osan varhaisen maailmankaikkeuden gravitaatioaalloista, mutta monien niistä aallonpituus voi olla liian pieni LISA:n miljoonien kilometrien käsivarsille.

Näiden ideoiden sortteeraamisessa ja uusien kehittelemisessä ovat oleellisia konferensseissa käytävät epämuodolliset keskustelut, joita jää etätapaamisista kaipaamaan, kuten myös vanhojen ja uusien ystävien tapaamista. Tiede etenee yhtä lailla henkilökohtaisen jutustelun kuin tarkan laskemisen ja huolellisten havaintojen kautta.

---

Äänen jalanjäljet

31.5.2022 klo 15.55, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kosminen mikroaaltotausta on yksi tärkeimpiä kosmologisia havaintoja. Se näyttää millainen maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden ikäisenä, 14 miljardia vuotta sitten.

Varhaisina aikoina lämpötila oli niin korkea, että atomit eivät pysyneet kasassa: kun negatiivisesti varattu elektroni ja positiivisesti varattu ydin yhtyivät, fotoni heti rikkoi niiden siteen. Fotoneista, elektroneista ja ytimistä koostuvassa keitossa kulki värähtelyjä –eli ääniaaltoja– noin kolmanneksella valonnopeudesta. Kun maailmankaikkeus laajenee, lämpötila laskee, ja 380 000 vuoden iässä lämpötila oli niin matala, että fotonit eivät enää pystyneet estämään atomien muodostumista. Kun aineesta tuli sähköisesti neutraalia, se ei enää ollut kytköksissä valoon, joka on siitä pitäen matkannut lähes esteettä halki maailmankaikkeuden.

Valo ja aine olivat tiukasti kytköksissä toisiinsa, ja niiden ero oli nopea. Niinpä siellä mistä näemme tulevan enemmän mikroaaltoja oli fotonien lisäksi myös enemmän elektroneja ja ytimiä. Aineen vapauduttua valon ikeestä nämä tihentymät kasvoivat gravitaation takia, ja niihin muodostui galakseja ja muita rakenteita. Tämän takia kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyvistä aalloista pitäisi jäädä jälki myös galaksien jakaumaan.

Yksi hankaluus on se, että suurin osa aineesta ei koostu elektroneista ja ytimistä, vaan on pimeää ainetta. Pimeä aine vuorovaikuttaa hyvin heikosti valon kanssa. Siksi sen jakauma varhaisina aikoina on erilainen kuin näkyvän aineen: näkyvä aine liikkuu yhdessä valon kanssa, pimeä aine tiivistyy yksinään. Näkyvän aineen erottua valosta pimeä aine vetää näkyvää ainetta puoleensa, ja galaksit muodostuvat pimeän aineen tihentymiin. Niinpä aaltokuvio ei näy galaksien jakaumassa yhtä selkeänä kuin kosmisessa mikroaaltotaustassa.

Toisin kuin valo, joka kulkee lähes suoraan avaruudessa, ainehiukkaset klimppiytyvät, mikä sumentaa kuvaa niiden alkuperäisistä paikoista. Galaksien sisällä aine on myllertynyt niin perinpohjaisesti, että on mahdotonta selvittää, mistä kukin hiukkanen on tullut.

Mutta koska maailmankaikkeuden ikä on äärellinen ja aine liikkuu äärellisellä nopeudella, ainehiukkaset ovat ehtineet kulkea vain äärellisen matkan. Ainehiukkasten ja galaksien tyypillinen nopeus on noin tuhannesosa valonnopeudesta, joten ne ovat ehtineet siirtyä alkuperäisiltä paikoiltaan muutama miljoonaa valovuotta. Isommilla etäisyyksillä galaksien jakauma on säilyttänyt alkuperäisen muotonsa.

Tätä voi verrata valokuvaan, jonka kaikkia pikseleitä siirretään sattumanvaraisesti muutaman millimetrin. Pienet yksityiskohdat sumentuvat, mutta isossa mittakaavassa kuvasta saa selvää.

Ennen kuin aineen aaltoilu lakkasi valon ja aineen irrotessa, aallot ehtivät matkata noin 400 000 valovuotta. Sittemmin galaksien etäisyydet ovat maailmankaikkeuden laajenemisen takia venyneet vähän yli tuhatkertaisiksi. Galaksien jakaumassa pitäisi siis näkyä renkaita, joiden halkaisija on noin viisisataa miljoonaa valovuotta, sekä lyhyempiä renkaita, jäänteinä aalloista jotka ovat matkanneet isoimman etäisyyden tai vain osan siitä.

Nämä aallot tunnetaan nimellä baryoniset akustiset oskillaatiot (baryon acoustic oscillations). Sana baryoninen viittaa atomiytimistä ja elektroneista koostuvaan aineeseen, ja akustinen oskillaatio on hieno tapa sanoa ääniaalto. Ne havaittiin ensimmäisen kerran vuonna 2005, ja niiden ominaisuudet sopivat yhteen kosmisen mikroaaltotausten kanssa.

Näistä ääniaaltojen jalanjäljistä galaksien jakaumassa tuli pian tärkeä kosmologian työkalu. Niillä voi tehdä enemmän kuin vain tarkistaa, saako saman tuloksen kuin kosmisesta mikroaaltotaustasta. Vaikka signaali on sumeampi kuin kosmisessa mikroaaltotaustassa, galaksien jakaumassa on se etu, että sitä voi mitata kolmessa ulottuvuudessa.

Valo ja aine irtosivat 380 000 vuoden aikaan niin nopeasti ja kosminen mikroaaltotausta muuttuu niin hitaasti, että se on meille oleellisesti kaksiulotteinen taivaankartta. Galakseja voimme sen sijaan havaita eri etäisyyksillä.

Kun maailmankaikkeus laajenee, galaksien jakaumaan painautuneet aallot venyvät. Vertaamalla sitä, miltä aallot näyttävät lähellä ja kaukana meistä voi siksi mitata, miten maailmankaikkeuden laajenemisnopeus on muuttunut.

Galaksien jakauman ääniaaltojen jäljet kantavat tietoa sekä varhaisesta maailmankaikkeudesta että myöhemmistä vaiheista. Tämän takia niillä on tärkeä rooli yrityksissä selvittää, mistä johtuu se, että eri havainnot vaikuttavat antavan ristiriitaisia tuloksia siitä, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee nyt. Tämä on tällä hetkellä merkittävin ennusteiden ja havaintojen ero kosmologiassa. Joko havaintojen tulkinnassa on jokin systemaattinen virhe tai sitten on olemassa jotain tuntematonta fysiikkaa, jota ei ole osattu ottaa huomioon.

Havainnot kosmisesta mikroaaltotaustasta ja galaksien jakaumasta ovat sopusoinnussa keskenään, mutta ristiriidassa joidenkin muiden havaintojen kanssa. Jotkut ovat pitäneet tätä vihjeenä siitä, että ristiriidan voi ratkaista peukaloimalla sitä, miten aallot kulkevat varhaisessa maailmankaikkeudessa. Mikroaaltotausta ja galaksien jakauma eivät nimittäin mittaa laajenemisnopeutta suoraan, vaan suhteessa varhaisten aikojen aaltojen pituuteen. Jos aallot silloin kulkivat lyhyemmän matkan, niin nykyisen laajenemisnopeuden pitää olla isompi, jotta taivas näyttäisi samalta.

Toistaiseksi mikään selitys ei ole vakuuttanut kosmologien enemmistöä, ja apua odotetaan ennemmin tarkemmista havainnoista kuin teoreetikkojen pohdinnoista. Avainasemassa on Euroopan avaruusjärjestö ESAn Euclid–satelliitti, jonka on määrä nousta taivaalle ensi vuonna. Sen ohjelmaan kuuluu gravitaatiolinssien lisäksi galaksien jakauman ja erityisesti ääniaaltojen jäljen mittaaminen.

---

Toinen donitsi

16.5.2022 klo 12.06, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Viime torstaina Event Horizon Telescope (EHT) -tutkimusryhmä julkisti ensimmäisen kuvan Linnunradan keskustassa lymyävästä mustasta aukosta. Samalla julkaistiin ryhmän ensimmäiset tutkimustulokset siitä. Vuonna 2019 ryhmä oli tuonut julki kuvan ja tulokset galaksin M87 keskustan mustasta aukosta. Molemmat kuvat perustuvat vuonna 2017 tehtyihin havaintoihin.

EHT-ryhmän jäsen Heino Falcke puhuu etänä havaintojen tekemisestä ja merkityksestä Helsingin yliopiston Exactumin Linus Torvalds -salissa (Pietari Kalmin katu 5). Tapahtumaa voi seurata myös etäyhteyksin. (Tiedote täällä, Zoom-linkki tässä.) Paikan päällä ovat Kaj Wiik Tuorlan observatoriosta Turun yliopistosta ja Esko Keski-Vakkuri Helsingin yliopistosta. Wiik on EHT-ryhmän jäsen ja puhuu suomalaisten yliopistojen osuudesta projektissa, Keski-Vakkuri on tutkinut mustien aukkojen kvanttifysiikkaa ja puhuu niiden teoriasta. Puhujat myös vastaavat yleisön kysymyksiin. Minä juonnan tilaisuuden.

(Päivitys: Tilaisuuden nauhoitus on tässä. En juontanutkaan tilaisuutta sairastumisen takia.)

EHT:n kuvan rakentaminen ja analysoiminen Linnun radan mustasta aukosta kesti kolme vuotta kauemmin kuin galaksin M87 tapauksessa, koska Linnunradan musta aukko on pienempi. Sen massa on noin neljä miljoonaa Auringon massaa ja säde noin 12 miljoonaa kilometriä. Galaksin M87 keskustan mustan aukon massa on seitsemän miljardia Auringon massaa. Mustien aukkojen säde on verrannollinen niiden massaan, joten galaksin M87 musta aukko on vastaavasti noin tuhat kertaa niin paksu kuin Linnunradan lajitoverinsa. Linnunradan musta aukko on kuitenkin myös noin tuhat kertaa lähempänä meitä, vain noin 26 000-27 000 valovuoden päässä.

Molempien mustien aukkojen koko taivaalla on siis Maasta katsottuna suunnilleen sama: yhtä iso kuin Kuussa olevan donitsin reikä. Linnunradan mustan aukon kuvan kokoaminen kesti kauemmin siksi, että sen ympäristö muuttuu nopeammin. Mustan aukon lähellä aine kiertää lähes valonnopeudella. Mitä pienempi aukko, sitä lyhyemmässä ajassa aine pyörii sen ympäri ja sitä nopeammin kuva muuttuu. Galaksissa M87 tyypillinen aika muutokselle on viidestä päivästä kuukauteen, Linnunradan aukon tapauksessa 4-30 minuuttia. Nyt julkaistut tulokset perustuvat 32 tunnin havaintoihin. Tässä ajassa galaksin M87 jättiläinen ei juuri muutu, mutta aine ehtii kiertää Linnunradan mustan aukon monta kertaa.

Se, että mustan aukon tienoo käy läpi monta kierrosta havaintojen aikana vaikeuttaa tarkan kuvan ottamista. Toisaalta sen takia saadaan edustavampi otos systeemin kehityksestä. Näin voidaan olla varmempia siitä, että kuvassa näkyvät rakenteet ovat tyypillisiä eivätkä ohimeneviä piirteitä, joita vain sattui olemaan näköpiirissä kun kuva otettiin.

Uusi kuva näyttää päällepäin samanlaiselta kuin kolme vuotta sitten paljastettu: hohtava donitsi, jonka keskellä on musta alue. Näennäisen yksinkertaisen kuvan takana on monimutkainen prosessi.

EHT koostuu ympäri maailmaa olevista antenneista, jotka mittaavat Linnunradan keskustasta tulevaa sähkömagneettista säteilyä millimetrin aallonpituudella. Antennien havainnot nivotaan yhteen niin että ne toimivat kuin yksi Maapallon kokoinen teleskooppi. Mitä isompi teleskooppi, sitä tarkempi kuva – jos haluttaisiin nähdä vielä pienempiä yksityiskohtia, osa havaintolaitteista pitäisi lähettää avaruuteen.

Koska EHT-teleskooppeja on vain muutamassa paikassa eikä kaikkialla Maapallolla, ne kuvaavat vain osan kohteestaan. Kun Maa pyörii, teleskooppien katsoma kohta taivaalla muuttuu, ja kunkin teleskoopin näköala piirtää viivan taivaalle. Näiden viivoja pohjalta pitää sitten tehdä paras mahdollinen arvaus siitä, miltä kohde näyttää. Tieteellisessä artikkelissa on esitetty erilaisia vaihtoehtoja kuvalle, joista julkisuustarkoituksia varten on valittu yksi.

Havaintoa tulkitaan vertaamalla sitä malleihin siitä, miten hiukkaskeitto liikkuu ja vuorovaikuttaa mustan aukon ympärillä, ja miten ympäristön tähdistä vuotaa ainetta mustaan aukkoon. Linnunradassa on se etu verrattuna galaksiin M87, että Linnunradan keskustasta on paljon havaintoja eri aallonpituuksilla. Esimerkiksi tähtien liikkeet mustan aukon ympärillä on mitattu huolella, ja sen massa on määritetty niistä tarkasti. Näistä havainnoista myönnettiin vuonna 2020 Nobelin palkinto. Lähimmän tähden pienin etäisyys mustasta aukosta on noin tuhat kertaa mustan aukon säde, kun taas EHT:n erotuskyky riittää havaitsemaan noin neljän säteen kokoisia tapahtumia.

EHT:n analyysi alleviivaa sitä, miten tärkeää on yhdistää eri havaintoja samasta kohteesta, mikä on yksi nykyisen astrofysiikan ja kosmologian tärkeitä piirteitä. Tässä tapauksessa eri havaintoja on niin paljon että yksikään EHT-ryhmän tutkimista malleista mustalle aukolle ja sen ympäristölle ei pysty selittämään niitä kaikkia. EHT:n ja muiden havaintolaitteiden havainnot sopivat mallien ennusteisiin erikseen, mutta eivät yhdessä. Keskeinen ongelma on se, että mustan aukon ympäristö on rauhallisempi kuin mitä mallit ennustavat.

Toisin kuin galaksissa M87, Linnunradan mustalla aukolla ei ole näkyvää hiukkassuihkua, ja se syö vain sadasmiljoonasosan Auringon massaa vuodessa. Koska aukon ympäristössä on vähemmän ainetta, se on läpinäkyvämpi ja helpompi mitata. Toisaalta ilman suihkua aukon pyörimissuuntaa ei saada erikseen mitattua.

Mallien kyvyttömyys selittää havaintoja ei ole sikäli vakavaa, että EHT-ryhmä ei ole käynyt kaikkia mahdollisuuksia läpi, esimerkiksi läheisten tähtien ja mustan aukon kiekon vuorovaikutusta on käsitelty varsin yksinkertaisesti.

Kuten galaksin M87 kuvaa, myös uusia havaintoja voi käyttää yleisen suhteellisuusteorian testaamiseen. Yksi keskeinen kysymys on se, onko donitsin reikä todella musta aukko. Lehdistötiedotteen ja tieteellisen artikkelin vertaaminen havainnollistaa tieteellisen esityksen ja myyntipuheen välistä eroa.

Tiedotteen mukaan ryhmän tulokset tarjoavat ”ylivertaista” todistusaineistoa siitä että kyseessä on musta aukko. Tieteellisessä artikkelissa taasen kerrotaan, että vaikka on ”ylivertaista” todistusaineistoa siitä, että Linnunradan keskustassa on paljon massaa hyvin pienessä tilassa, se onko kyseessä musta aukko on vielä auki.

On hieman vaikea sanoa, milloin kysymyksen voisi sanoa ratkaistuksi. Havainnot ovat täysin sopusoinnussa yleisen suhteellisuusteorian kanssa, mutta mihin tarkkuuteen pitäisi yltää?

Yleisen suhteellisuusteorian mustan aukon ennusteiden vertaaminen kilpailijan ennusteisiin kertoo, milloin havainnot pystyvät erottamaan ne toisistaan. Onkin esitetty kokonainen eläintarha vaihtoehtoja mustille aukoille. EHT:n havaintojen perusteella voidaan sulkea pois ainakin se, että Linnuradan keskustassa olisi bosonitähti mustan aukon sijaan, ja joitakin muitakin eksoottisia vaihtoehtoja, mutta ei kaikkia. Yksikään kilpailijoista ei kuitenkaan nouse yli muiden.

Toinen mahdollisuus on testata mustien aukkojen yleisiä ominaisuuksia ja todeta jossain enemmän tai vähemmän mielivaltaisessa vaiheessa, että nyt mahdolliset poikkeamat ovat niin pieniä, että kyseessä on musta aukko.

Mustien aukkojen keskeinen ominaisuus on se, että niillä on tapahtumahorisontti, eli pinta josta voi sujahtaa ongelmitta sisään, mutta jonka takaa ei voi koskaan palata. Tavallisten kappaleiden pinta sei sijaan joko heijastaa säteilyä, tai sitten imee sitä ja säteilee toisella aallonpituudella takaisin. Linnunradan keskustan kappaleesta ei näy sen enempää heijastunutta kuin mitään muutakaan säteilyä, vaikka siihen valuu koko ajan hiljakseen ainetta. EHT:n havainnot sulkevat pois sen vaihtoehdon, että tuo kappale imisi ja säteilisi sitten eri aallonpituudella kaiken säteilyn. Ne myös sulkevat pois sen, että se heijastaisi yli 30% siihen tulevasta säteilystä.

Kaikkiaan uusista havainnosta saadut rajat poikkeamille yleisestä suhteellisuusteoriasta ovat suunnilleen kaksi kertaa niin hyvät kuin galaksin M87 mustasta aukosta ja samaa luokkaa gravitaatioaaltohavainnoista saatujen rajojen kanssa. Tosin gravitaatioaallot testaavat yleistä suhteellisuusteoriaa monipuolisemmin, koska niiden yksityiskohtiin vaikuttaa sekä se miten niitä synnyttävät kappaleet kiertävät toisiaan että se millaisia aallot ovat ja miten ne etenevät. Valokuvat mustista aukoista eivät testaa jälkimmäistä.

Vuonna 2017 EHT kuvasi Linnunradan keskustaa viisi yötä, ja nyt tehty analyysi perustuu vain kahteen. Yhtenä havaintoyönä, jota ei ole vielä analysoitu,  Linnunradan mustan aukon ympäristössä näkyi lieska, mikä on erityisen kiinnostavaa. Ryhmä teki havaintoja valon kirkkauden lisäksi myös sen polarisaatiosta, mikä kertoo mustan aukon tienoon magneettikentästä. (Galaksin M87 polarisaatiohavainnot onkin jo julkaistu.) Ryhmä on myös vuoden 2017 jälkeen tehnyt lisää havaintoja paremmilla laitteilla.

Uusien havaintojen avulla on tarkoitus saada selville mustan aukon rakenteen kehitys ajassa. Toisin sanoen kuvan sijaan on luvassa elokuva, joka näyttää, mitä noilla tienoilla oikein tapahtuu – tai siis tapahtui 26 000-27 000 vuotta sitten, vähän sen jälkeen kun neandertalilaiset olivat Maassa kuolleet sukupuuttoon.

Kaikenlaisiin aihetta koskeviin kysymyksiin saa vastauksia 30. toukokuuta.

Päivitys (17/05/22): Tuotu tiedote tilaisuudesta näkyvämmin esille ja lisätty Zoom-linkki.

Päivitys (22/06/22): Lisätty linkki Heino Falcken luennon nauhoitukseen.

Kasvu vastaan kehitys

26.4.2022 klo 22.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minkä takia maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt muutaman viime miljardin vuoden aikana? Tämä on yksi kosmologian suuria kysymyksiä, ja siihen tarjotaan yleensä kahta mahdollista vastausta.

Voi olla, että maailmankaikkeus on täynnä tuntematonta ainetta, jonka gravitaatio on hylkivä. Tai sitten gravitaatio onkin sellainen, että isoilla etäisyyksillä aineen tai avaruuden osat hylkivät toisiaan, sen sijaan että vetäisivät puoleensa.

Edellinen vaihtoehto tunnetaan nimellä pimeä energia, jälkimmäisessä on kyse yleisen suhteellisuusteorian muokkaamisesta. (Kolmas vaihtoehto, jonka mukaan kiihtyvä laajeneminen johtuu kosmisten rakenteiden muodostumisesta, vaikuttaa nykyään epätodennäköiseltä.)

Tällä hetkellä lähes kaikki havainnot sopivat yhteen sen kanssa, että kiihtyvä laajeneminen johtuu tyhjön energiasta tai kosmologisesta vakiosta. Tyhjön energia on yksinkertaisin pimeän energian muoto: se on tyhjään tilaan liittyvää energiaa, ja sitä on yhtä paljon kaikkialla ja aina. Kosmologinen vakio taasen on yksinkertaisin tapa muokata yleistä suhteellisuusteoriaa: se johtaa siihen, että tyhjän avaruuden osat hylkivät toisiaan samalla tavalla kaikkialla ja aina. Matemaattisesti tyhjön energia ja kosmologinen vakio ovat identtisiä, ja lepsut kosmologit käyttävät termejä joskus sekaisin.

Vain nämä yksinkertaisimmat vaihtoehdot ovat samanlaisia: monimutkaisempien pimeän energian ja muokatun gravitaation vaikutus eroaa toisistaan. Tämän eron etsiminen on yksi ensi vuonna taivaalle laukaistavan Euroopan avaruusjärjestö ESAn Euclid–satelliitin tavoitteista.

Markkinoilla lienee satoja pimeän energian malleja, sekä maltillisempi määrä muokattuja gravitaatioteorioita kiihtyvän laajenemisen selittämiseksi. Kukin malli ennustaa, miten maailmankaikkeuden laajenemisnopeus on muuttunut miljardien vuosien aikana. Ennusteissa on yleensä enemmän tai vähemmän säätämisen varaa. Jos havaitaan maailmankaikkeuden laajenemisen poikkeavan tyhjön energian ennusteista tietyllä tavalla, tämä osoittaa monta mallia vääriksi, mutta vielä luultavasti löytyy sekä niin pimeän energian kuin muokatun gravitaation malleja, jotka sopivat havaintoihin. Jos havainnot olisivat niin yllättäviä, että kukaan ei olisi sattunut esittämään sopivaa mallia, niin teoreetikot sorvaisivat sellaisen parissa päivässä.

Koko muokatun gravitaation mahdollisuuden poissulkeminen on siis hankalampaa kuin yksittäisten mallien testaaminen. Se on kuitenkin mahdollista käyttämällä hyväksi sitä, että pimeä energia ja muokattu gravitaatio eivät vaikuta ainoastaan avaruuden laajenemiseen, vaan myös siihen, miten rakenteet kehittyvät.

Mitä nopeammin avaruus laajenee, sitä vaikeampi gravitaation on kasata ainetta rakenteiksi kuten galaksiryppäiksi. Tyhjön energia ja kosmologinen vakio eivät vaikuta rakenteiden kehitykseen muuten kuin muuttamalla laajenemisnopeutta. Mutta monimutkaisempi pimeä energia tai muokattu gravitaatio vaikuttaa rakenteiden muodostumiseen myös suoraan. On esimerkiksi vaikea muuttaa gravitaatiota siten, että se mullistaa avaruuden laajenemisen vaikuttamatta myös siihen, miten galaksit vetävät toisiaan puoleensa.

Vaikka säätäisi yhden pimeän energian mallin ja toisen muokatun gravitaatiomallin siten, että niiden vaikutus avaruuden laajenemiseen on tismalleen samanlainen, ne vaikuttavat eri tavalla rakenteiden kehitykseen. Niinpä vertaamalla avaruuden laajenemista ja rakenteiden kehitystä toisiinsa pystyy selvittämään, onko vastuussa outo aine vai kumma gravitaatio.

Euclid luotaa kolmanneksen taivasta miljardien valovuosien syvyyteen. Satelliitti havaitsee yli miljardi galaksia, ja mittaa valon taipumisesta johtuvan niiden muodon vinoutuman. Gravitaation muokkaaminen vaikuttaa siihenkin, miten kappaleet taivuttavat valoa, kun taas pimeä energia ei muuta sitä.

Rakenteiden kehityksen ja valon taipumisen tarkat mittaukset suurelle joukolle kohteita ovat vaativia. Niinpä emme vielä tiedä hyvin sitä, kuinka paljon laajenemisen ja rakenteisen kehityksen suhde voi poiketa yleisen suhteellisuusteorian ennusteesta – nykyiset virherajat ovat sadan prosentin luokkaa.

Euclidin tarkkojen mittausten odotetaan kaventavan poikkeamien mahdollista suuruutta kymmenen prosentin tiimoille. Tai sitten voi käydä niin, että havaitaan poikkeamia, ja pystytään niiden avulla erottelemaan pimeä energia ja muokattu gravitaatio toisistaan. Ei kuitenkaan ole takeita siitä, etteivätkö tyhjön energian ennusteet osu oikeaan Euclidin kohdallakin, eli että mitään poikkeamia ei nähdä – kosmologisten havaintojen tekeminen on pimeässä huutamista vastakaikua toivoen.

Mutta se, että tyhjön energian ennusteista on havaittu yksi laajenemisnopeuteen liittyvä tilastollisesti erittäin merkittävä poikkeama, joka huolellisen tarkastelun jälkeen on aina entistä vakaammalla pohjalla, viittaa siihen, että on uutta löydettävää. Se, että kyseistä poikkeamaa ei ole osattu selittää saa odottamaan Euclidin havaintoja sitä innokkaammin.

---

Kummajaisesta käyttötavaraksi

21.4.2022 klo 19.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen lehteen Rihveli 1/2022 mustien aukkojen olevasta kulta-ajasta otsikolla Kummajaisesta käyttötavaraksi. Artikkeli on tästä luettavissa. Ote:

On helppo selittää mikä musta aukko on: kyseessä on alue, jonka gravitaatio on niin voimakas, että mikään ei pääse sieltä pois. Mustat aukot ovat Albert Einsteinin ja David Hilbertin löytämän yleisen suhteellisuusteorian keskeinen ennustus, mutta niitä voi ymmärtää jo Isaac Newtonin gravitaatioteorian avulla.

---

Kylmä jälki

11.4.2022 klo 09.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Maailmanhistorian isoimman tieteellisen kokeen kolmas kausi on alkamassa. CERNin hiukkaskiihdyttimen Large Hadron Collider (LHC) suprajohtavat magneetit on jäähdytetty kahden kelvinin kylmyyteen, ja tänään, kolmen vuoden tauon jälkeen, on määrä laittaa hiukkassuihku taas kiertämään 27 kilometrin kehää sata metriä maan alla. Suihkut on tarkoitus ohjata törmäämään 10. toukokuuta, ja koedataa aletaan keräämään kesäkuussa.

Ensimmäisen kerran hiukkassäde kiersi LHC:n tunnelissa 10. syyskuuta 2008. Ei kestänyt kahta viikkoa, kun LHC jouduttiin sulkemaan, kun heikkolaatuinen magneetti ylikuumeni ja rikkoi säiliön, josta vapautui kuusi tonnia nestemäistä heliumia kiihdytintunneliin. Vian korjaamisen jälkeen kiihdytin käynnistettyä uudelleen noin vuoden kuluttua. Kokeita päästiin tekemään maaliskuussa 2010, vaikkakin vain puolella alun perin suunnitellusta törmäysenergiasta, jotta ongelma ei toistuisi.

4. heinäkuuta 2012 CERN julkisti LHC:n ensimmäisen löydön: koeryhmät ATLAS ja CMS olivat havainneet Higgsin hiukkasen. Tuon hiukkasen olemassaolon lähes 50 vuotta aiemmin selittäneet teoreetikot Peter Higgs ja François Englert palkittiin vuoden 2013 fysiikan Nobelilla, mutta sen löytäneet kokeelliset fyysikot sivuutettiin.

Higgs on toistaiseksi ollut myös LHC:n ainoa löytö – ainakin mitä tulee perustavanlaatuiseen fysiikkaan. Odotukset olivat suuret. 1970-luvulla kasaan saatuun hiukkasfysiikan Standardimalliin oli vuosikymmenten varrella rakenneltu useita laajennuksia. LHC:n kokeiden odotettiin erottelevan niiden välillä ja osoittavan uuden suunnan hiukkasfysiikassa. Toivotuin lahja oli supersymmetria, mutta myös ylimääräisillä ulottuvuuksilla ja teknivärillä oli kannattajansa. Jotkut jopa varautuivat siihen, että LHC:n törmäyksissä näkyisi niin paljon uusia ilmiöitä, että niitä olisi vaikea erottaa toisistaan.

LHC:n ensimmäinen kausi loppui helmikuussa 2013. Kahden vuoden päivittämisen ja parantelun jälkeen kiihdytin palasi kehään maaliskuussa 2015. Tekniikan puolesta toinen kausi sujui erinomaisesti. Törmäysten määrä saatiin kohotettua kaksinkertaiseksi alkuperäisiin suunnitelmiin verrattuna, vaikka energia jäikin yhä hieman suunniteltua alhaisemmaksi.

Sen sijaan fysiikkaan jouduttiin pettymään. LHC:n kokeet löysivät neljän ja viiden kvarkin sidottuja kimppuja (mikä on palauttanut mielenkiintoa heksakvarkkeihin, mahdollisiin kuuden kvarkin kimppuihin) ja tekivät tarkkoja mittauksia tunnettujen hiukkasten ominaisuuksista, mutta mitään perustavanlaatuista uutta ei näkynyt. Toista kautta kuvaa hyvin se, että eniten huomiota saanut tulos, joka poiki satoja tieteellisiä artikkeleita, osoittautui lopulta pelkäksi kohinaksi. Käteen jäi vain tiukempia rajoja: jos uusia hiukkasia on olemassa, niiden pitää olla yhä raskaampia tai heikommin vuorovaikuttavia, jotta niitä ei olisi havaittu.

Kun LHC aloittaa kolmannen kauden datan keräämisen kesäkuussa, on kulunut kymmenen vuotta Higgsin hiukkasen löytämisestä. Uuden fysiikan jäljet eivät enää tunnu lämpimältä. Jotkut ovat jopa puhuneet hiukkasfysiikan kuolemasta. Vaikka mahdollisesti uuteen fysiikkaan viittaavia merkkejä on eri kokeissa nähty, yksikään ei toistaiseksi ole varmistunut. Enemmän odotuksia kohdistuu tällä hetkellä astrofysiikan ja kosmologian kokeisiin, kuten joulukuussa alkavaan gravitaatioaaltokokeiden LIGO, Virgo ja KAGRA yhteiseen havaintojaksoon.

LHC on nyt tehokkaampi kone kuin koskaan ennen, ja kolmannen kauden odotetaan lähes kolminkertaistavan aiemmin kerätyn kokonaisdatamäärän. Lisäksi on viimein tarkoitus saavuttaa alkuperäinen maksimienergia. Myös ymmärrys laitteistosta ja data-analyysistä on kehittynyt, ja luvassa on monipuolisempia ja huolellisempia analyysejä kuin koskaan ennen. Ei ole mahdollista ennustaa, mistä uudet löydöt tulevat, ja jos LHC:n ulottuvilla on merkkejä tuntemattomasta, niiden havaitsemiseen on entistä paremmat mahdollisuudet.

Kolmas kausi jatkuu vuoden 2025 loppupuolelle, jonka jälkeen on luvassa kolmen vuoden tauko. Sen aikana on tarkoitus jälleenrakentaa LHC uudeksi kiihdyttimeksi nimeltä HL-LHC. HL-LHC:ssä on vahvemmat magneetit ja tehokkaampi jäähdytysjärjestelmä, jotta se pystyy törmäyttämään samassa ajassa kymmenen kertaa enemmän hiukkasia kuin LHC. Päätöksiä seuraavan sukupolven kiihdyttimistä ei ole vielä tehty, koska ei tiedetä olisiko niillä mitään löydettävää.

Päivitys (20/04/22): Aloitus viivästyi, suihkun on määrä käynnistyä perjantaina 22.4..

Vastavuoroinen suhde

30.3.2022 klo 01.45, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Fysiikkaa usein kehutaan sanomalla, että se on empiirinen tiede. Olen itsekin kurssillani Fysiikkaa runoilijoille nostanut empiirisyyden yhdeksi kolmesta fysiikkaa määrittelevästä piirteestä, teorioiden ja matemaattisen mallintamisen rinnalle.

Joskus empiirisyydellä tarkoitetaan vain sitä, että teorian ennustuksia verrataan havaintoihin. Empiirisyydessä on kuitenkin kyse monimutkaisemmasta ja vastavuoroisemmasta suhteesta teorian ja havaintojen välillä. Havaintoja ei käytetä vain teorioiden testaamiseen, vaan myös niiden rakentamiseen. Ja aivan kuten vain havainnot voivat varmentaa, mitkä teoriat pitävät paikkansa, ainoastaan teoriat voivat vahvistaa, mitkä havainnot ovat oleellisia.

Kosmisen inflaation löytäminen 1980-luvulla havainnollistaa asiaa. Keskeinen inflaatioideaan johtanut havainto on se, että maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta joka puolella. Ennen inflaation löytämistä tämä ei ollut sen enempää ristiriidassa minkään tunnetun teorian kanssa kuin yhdenkään niistä ennustus. Jos empiirisyyden käsittäisi vain ennustusten testaamisena, tällä havainnolla ei siis olisi mitään merkitystä.

Tutkijat kuitenkin päättivät nostaa havainnon seikaksi, joka kaipaa selitystä. Ratkaisuksi esitettiin se, että hiukkasfysiikan suuren yhtenäisteorian olomuodon muutokseen liittyvä tyhjön energia johtaa avaruuden laajenemisen kiihtymiseen varhaisina aikoina eli kosmiseen inflaatioon. Tämä kiihtyvä laajeneminen tasoittaa avaruuden.

Pian hahmotettiin, että inflaation aikana kvanttivärähtelyistä syntyy epätasaisuuksia aineen jakaumassa, ja nämä toimivat kaiken myöhemmän rakenteen siemeninä. Tämä teoreettinen oivallus ohjasi laskemaan täsmällisesti, millaisia siemeniä inflaatio synnyttää, sekä tekemään havaintoja kosmisesta mikroaaltotaustasta ja galaksien jakaumasta, joihin näitä ennusteita voi verrata.

Ongelmaa siitä, että maailmankaikkeus näyttää suuressa mittakaavassa samalta kaikkialla oli ensin yritetty tuloksetta ratkaista vain yleisen suhteellisuusteorian keinoin. Jotkut suhteellisuusteoreetikot vastustivatkin inflaatiota, koska he pitivät sen hiukkasfysiikan puolelta tulevia ideoita yleiselle suhteellisuusteorialle vieraina. Ehkä tunnetuin hiukkasfysiikan huonosta vaikutuksesta valittava suhteellisuusteorian taitaja on Nobelilla vuonna 2020 palkittu Roger Penrose, joka piti erityisesti olomuodon muutosta ongelmana.

Pian itse asiassa osoittautuikin, että teoria, jossa olomuodon muutokseen liittyvä tyhjön energia ajaa inflaatiota on ristiriidassa havaintojen kanssa. Ajatukselle suuresta yhtenäisteoriasta ei ole löytynyt havainnoista tukea, ja se on sittemmin mennyt pois muodista.

Oleellista oli kuitenkin se, että päädyttiin soveltamaan hiukkasfysiikan käsitteitä ja työkaluja kosmologiaan ja hylättiin puhtaan suhteellisuusteoreettinen lähestymistapa. Pian kehitettiinkin inflaatiolle lukuisia malleja, jotka sopivat havaintoihin ja ovat ennustaneet niitä erinomaisesti.

Tämä on esimerkki siitä, miten teoria voi olla hedelmällinen, vaikka se on väärin. Jos empiirisyyden ymmärtäisi naiivisti vain teorioiden testaamisena havaintojen kautta, virheellisillä teorioilla ei olisi empiiristä arvoa. Tutkimuksessa havaintoja kuitenkin käytetään myös teoreettisen ajattelun perusteiden uudelleen arvioimiseen.

Teknologian kehityksessä näkyy samanlainen vuorovaikutus. Uuden teknologian mahdollistamat havainnot johtavat uudenlaisiin teoreettisiin ideoihin, jotka osoittavat millaisia kokeita kannattaisi tehdä. Tätä varten puolestaan kehitetään teknologiaa, jota ei muuten olisi tultu ajatelleeksi.

Koska ymmärryksemme rakentuu aiemman ja osittain virheellisen tiedon pohjalle, empiirisyyden ytimessä oleva käsitysten pohtiminen havaintojen kautta on tärkeä tapa arvioida uudelleen ajattelun perusteita. Samasta syystä empiirisyyden osuutta tieteessä ei voi pelkistää yhdeksi metodiksi, jonka seuraaminen varmasti johtaisi edistykseen.