Kosmokseen kirjoitettua

Taivaan merkit

31.10.2022 klo 13.16, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainitsin viime kuussa, että kosmisen mikroaaltotaustan perusteella tiedämme, että pimeä aine (jos sitä on olemassa) on tähtiä vanhempaa. Merkinnän kommenteissa pyydettiin avaamaan sitä, miten kosmisesta mikroaaltotaustasta voi päätellä tällaisia asioita. Tämä onkin hauska aihe.

Varhaisina aikoina maailmankaikkeuden aine oli hiukkaskeittoa. Kun avaruus laajenee, keiton lämpötila laskee. Kun maailmankaikkeus saavutti 380 000 vuoden iän, lämpötila laski alle 3 000 kelvinin. Tällöin keiton valohiukkasten energia ei enää riittänyt atomiytimien ja elektronien välisen sidoksen rikkomiseen, joten ne yhtyivät atomeiksi.

Tätä ennen valo, elektronit ja ytimet olivat tiukasti kytköksissä, kun valo poukkoili elektronien sähkövarauksista, ja maailmankaikkeus oli läpinäkymätön. Atomit ovat sähköisesti neutraaleja, joten niiden muodostuttua valo ei juuri vuorovaikuta aineen kanssa, ja on siitä lähtien matkannut jokseenkin esteettä halki maailmankaikkeuden.

Tämä valo tunnetaan nimellä kosminen mikroaaltotausta. Se on kirjaimellisesti valokuva maailmankaikkeudesta 380 000 vuoden iässä, ja näyttää tältä:

Kuvassa näkyy taivas mikroaaltoaallonpituudella, kun on poistettu Linnunradasta ja joistakin muista lähellä olevista lähteistä tuleva säteily. Punakeltaiset alueet ovat kirkkaampia ja siniset himmeämpiä; erot ovat muutaman sadastuhannesosan kokoisia. Näistä taivaan merkeistä voi lukea, millainen maailmankaikkeus oli nuorena.

Suoraviivaisin päätelmä on se, että valon ja tavallisen aineen tiheys oli 380 000 vuoden aikaan sama kaikkialla sadastuhannesosan tarkkuudella. Tarkempaa tietoa saa tutkimalla sitä, miten täplien kirkkaus riippuu niiden koosta. Vältän blogissa kuvaajien käyttämistä, mutta tätä en malta olla laittamatta:

Kuvassa on x-akselilla täplän koko taivaalla, ja y-akselilla se, paljonko kirkkaus poikkeaa keskiarvosta. Isoimmat täplät ovat 90 asteen kokoisia; Planck pystyy erottamaan pienimmillään vajaan asteen kymmenesosan kokoisia täpliä.

Kirkkaimpia ovat noin asteen kokoiset täplät. Tästä voi päätellä sen, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee. Sitä varten pitää tietää, miten täplät syntyvät.

Kun keskivertoa tiheämmät alueet varhaisina aikoina gravitaation takia tiivistyivät, valon paine työnsi niitä takaisin, mikä johti vuoroittaiseen tiivistymiseen ja harventumiseen. Edestakainen liike synnytti aaltoja, kuin järven pintaa vatkaava käsi. Aallot matkasivat nopeudella joka on noin puolet valonnopeudesta. Vanhimmat aallot olivat 380 000 vuoden aikaan ehtineet matkata 400 000 valovuotta, nuoremmat vähemmän. (Kuljettu matka on isompi kuin maailmankaikkeuden ikä kertaa nopeus, koska avaruus laajenee.)

Kappaleen kulmakoko taivaalla on sen pituus jaettuna sen etäisyydellä: mitä pienemmältä kappale näyttää, sitä kauempana se on. Kun siis tiedämme aaltojen pituuden ja kulmakoon, voimme päätellä kuinka kaukaa kosminen mikroaaltotausta on nykypäivään asti matkannut. Jos valon ja aineen eron hetkeä siirtäisi kauemmas tai lähemmäs, niin kaikkien täplien koko taivaalla muuttuisi tasaisesti. Tästä voi mitata etäisyyden tarkasti.

Koska tämä etäisyys riippuu siitä, miten maailmankaikkeus on laajentunut, kosmisesta mikroaaltotaustasta voi päätellä maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden. Kosmologian tämän hetken merkittävin ristiriita ennusteiden ja havaintojen välillä onkin se, että tällä tavalla saa eri tuloksen kuin mittaamalla laajenemisnopeuden suoraan siitä, miten nopeasti lähellä olevat galaksit meistä etääntyvät.

Entäpä se pimeä aine? Aaltojen pituus taivaalla kertoo vain etäisyyden, mutta niiden korkeudesta voi lukea monta seikkaa. Mitä vahvemmin tiheiden alueiden gravitaatio varhaisina aikoina vetää ainetta puoleensa, eli mitä enemmän massaa niissä on, sitä voimakkaampia aallot ovat. Toisaalta näkyvä aine (eli elektronit ja atomiytimet) törmäilee koko ajan valoon, mikä hidastaa sen liikkeitä kitkan tavoin, ja vaimentaa aaltoja. Pimeällä aineella ei ole tällaista ongelmaa.

Mitä enemmän on pimeää ainetta, sitä korkeampi on pisimmän aallon aallonhuippu, ja mitä enemmän on näkyvää ainetta, sitä matalampi se on. Yhdestä huipusta ei siis voi päätellä erikseen pimeän aineen ja tavallisen aineen määrää, koska niitä molempia sopivasti kasvattamalla korkeus pysyy samana.

Mutta pimeä aine ja näkyvä aine vaikuttavat eri tavalla kuvassa näkyviin eri huippuihin. Kuvassa ei ole erotettu aallonharjoja ja -pohjia: siinä näkyy vain paljonko kirkkaus poikkeaa keskiarvosta, ei onko alue keskivertoa kirkkaampi vai himmeämpi. Joka toinen huippu vastaa itse asiassa aallonharjaa ja joka toinen aallonpohjaa.

Näkyvän aineen kitka syventää aallonpohjia ja laskee aallonhuippuja, kun taas pimeän aineen gravitaatio vahvistaa molempia. Niinpä ottamalla huomioon sekä ensimmäisen että toisen huipun korkeuden voi päätellä sekä pimeän aineen että näkyvän aineen tiheyden. Huippujen korkeuksien suhteesta voi lukea, että pimeää ainetta on noin viisi kertaa niin paljon kuin näkyvää ainetta.

Pimeä aine esitettiin alun perin selittämään sitä, miksi näkyvä aine galakseissa ja galaksiryppäissä liikkuu nopeammin kuin mitä sen oma gravitaatio pystyy selittämään. Tarvittiin ainetta, jota ei voi nähdä, eli joka ei juuri vuorovaikuta valon kanssa. Vapaus valosta osoittautui sittemmin avaimeksi myös kosmisen mikroaaltotaustan täplien ymmärtämiseen. Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten oikeansuuntaiset ideat ratkaisevat myös uusia ongelmia ilman erillistä säätämistä – eli tekevät onnistuneita ennustuksia.

Ainoa vaihtoehto pimeälle aineelle on se, että gravitaatio käyttäytyisi eri tavalla kuin mitä yleinen suhteellisuusteoria ennustaa. On kuitenkin vaikea selittää, miksi kosmisen mikroaaltotaustan muodostumisen aikaan gravitaatio olisi kuusi kertaa odotettua vahvempi, mutta Aurinkokunnassa ei ole nähty poikkeamia yleisen suhteellisuusteorian ennusteista, vaikka niitä on mitattu sadastuhannesosan tarkkuudella. Yksikään ehdokas uudeksi gravitaatioteoriaksi ei ole pystynyt edes jälkikäteen selittämään kosmisen mikroaaltotaustan kaikkien huippujen korkeuksia, saati ennustamaan niitä.

Kosmisen mikroaaltotaustan analyysi on oikeasti monimutkaisempaa kuin vain huippujen korkeuksien ja aineen tiheyksien vertaaminen. Mikroaaltotaivaan merkeistä voi lukea fotonien ja neutriinojen tiheyden, testata kosmisen inflaation ennustetta siitä, millainen aaltojen lähteinä toimivien ylitiheiden alueiden jakauma on, ja paljon muuta.

Kosminen mikroaaltotausta on ehkä antoisin yksittäinen kosmologinen havainto: se sisältää paljon tietoa, sitä voidaan mitata tarkasti, ja sen teoreettinen tarkastelu on suoraviivaista. On paljon helpompi mallintaa pieniä aaltoja kaasussa kuin vaikkapa törmääviä mustia aukkoja.

Seuraavaksi halutaan mitata tarkemmin kosmisen mikroaaltotaustan fotonien polarisaatiota, eli sitä, mihin suuntiin ne värähtelevät. Tuloksia on odotettavissa kymmenen vuoden kuluessa japanilaiselta satelliitilta LiteBIRD sekä kansainvälisiltä maanpäällisiltä teleskooppihankkeilta Simons-observatorio ja CMB-S4.

---

Lomittuneilla fotoneilla

4.10.2022 klo 21.31, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti tänään, että vuoden 2022 Nobelin fysiikan palkinnon saavat Alain Aspect, John F. Clauser ja Anton Zeilinger ”lomittuneilla fotoneilla tehdyistä kokeista, jotka osoittivat Bellin epäyhtälön rikkoutumisen ja olivat kvantti-informaatiotieteen edelläkävijöitä”. Kuten tavallista, tiedeakatemia julkaisi erikseen suurelle yleisölle ja fyysikoille suunnatut taustoitukset.

Fyysikot tykkäävät arvella Nobelin palkintoja omalle alalleen, mutta olen vuosia kuullut niidenkin, jotka eivät työskentele kvanttimekaniikan perusteiden ja kvantti-informaation parissa kyselevän koska siitä myönnetään Nobelin palkinto Alain Aspectille ja muille avaintutkijoille.

Nyt palkitun tutkimuksen ytimessä on se, miten kvanttimekaniikka eroaa klassisesta mekaniikasta, ja samalla arkiajattelusta. Kvanttimekaniikan mukaan todellisuus ei ole määrätty: asioilla on todennäköisyydet olla eri tavoin, sen sijaan että ne olisivat yhdellä tavalla.

Erwin Schrödinger, yksi kvanttimekaniikan löytäjistä, päätti havainnollistaa kvanttimekaniikan tätä piirrettä ajatuskokeella missä on kissa, mikä on varmistanut sen, että idea on levinnyt laajalle. Schrödingerin kissa on sekoituksessa kuollutta ja elävää, olematta kumpaakaan. Schrödinger esitti ajatuskokeen vuonna 1935 osoittaakseen, että koska johtopäätös kissan tilasta on outo, kvanttimekaniikan pitää olla puutteellinen. Nykyään asia nähdään toisin päin: koska kvanttimekaniikka pitää niin suurella tarkkuudella paikkansa, todellisuus on outo.

Kaksoisrakokokeessa on kokeellisesti mitattu jäljet siitä, että hiukkasta kvanttimekaniikassa kuvaava todennäköisyysaalto samaan aikaan kulkee eri reittejä, sen sijaan että hiukkasella olisi määrätty rata. On kuitenkin esitetty niin kutsuttuja piilomuuttujateorioita, joiden mukaan hiukkasten tila on itse asiassa koko ajan määrätty, me vain emme tiedä mikä se on, ja ne pystyvät selittämään kaksoisrakokokeen tuloksen siinä missä kvanttimekaniikka.

John Bellin vuonna 1964 esittämällä epäyhtälöllä on ollut keskeinen rooli siinä, että kvanttimekaniikan outous on hyväksytty ja piilomuuttujateorioiden suosio on jäänyt vähäiseksi. Tämä epäyhtälö on Aspectin, Clauserin ja Zeilingerin työn pohjalla. Olen kirjoittanut Bellin epäyhtälöstä tarkemmin täällä, ja sitä valaistaan myös tiedeakatemian taustamateriaalissa. Askel askeleelta seurattavan selkeän selityksen voi lukea Tanya Bubin ja Jeffrey Bubin sarjakuvasta Totally Random.

Jos luodaan kaksi fotonia, joiden polarisaatio (eli värähtelysuunta) on vastakkainen, niin mittaamalla yhden polarisaation tietää heti toisenkin polarisaation. Tätä ominaisuutta sanotaan lomittumiseksi. (Englanniksi entanglement, kirjaimellisesti yhteenkietoutuminen.) Kvanttimekaniikan mukaan fotonin tila ei ole määrätty ennen kuin sitä mitataan. Piilomuuttujateorioissa fotonien tilat ovat koko ajan määrätyt, emme vain ennen mittaamista tiedä mitkä ne ovat.

Bell hahmotti, että nämä kaksi mahdollisuutta voi erottaa kokeellisesti mittaamalla eri fotonien polarisaatiota eri suunnissa ja tutkimalla tulosten tilastollista riippuvuutta. Missä tahansa teoriassa, jossa fotonien tila on aina määrätty, tämä riippuvuus toteuttaa Bellin epäyhtälön. Kvanttimekaniikassa epäyhtälö rikkoutuu, koska lomittuneen systeemin osat ovat kytköksissä toisiinsa rajattoman pitkien etäisyyksien yli vahvemmin kuin teoriassa, missä systeemin tila on koko ajan määrätty (eikä voida viestiä yli valonnopeudella).

Bellin epäyhtälö on kvanttimekaniikan sääntöjen suoraviivainen seuraus. Noiden yksinkertaisten sääntöjen vieraudesta arkiajattelulle kertoo paljon se, että kesti vuosikymmeniä niiden löytämisestä 1920-luvulla siihen, että Bell esitti nyt nimeään kantavan epäyhtälön.

Teknologista kekseliäisyyttä taasen kuvaa se, että jo vuonna 1972, kahdeksan vuoden kuluttua, Clauser kollegoineen osoitti kokeellisesti, että Bellin epäyhtälö rikkoutuu kvanttimekaniikan ennustamalla tavalla. Tiedeakatemia mainitsee, että yksi ongelma Clauserin tiellä oli se, että hän oli kokeellinen astrofyysikko, joka oli palkattu tekemään radiotähtitiedettä. Clauser sai kuitenkin sovittua, että saa käyttää puolet ajastaan Bellin epäyhtälön testaamiseen. Tämä muistuttaa joustavuuden merkityksestä tutkimusaiheiden muuttamisessa nykyaikoina, missä tutkijoiden oletetaan tietävän tutkimuksensa kulun viisi vuotta etukäteen.

Tiedeakatemia kirjoittaa suurelle yleisölle suunnatussa taustoituksessa, että Clauserin tulosten mukaan ”kvanttimekaniikkaa ei voi korvata millään piilomuuttujateorialla”. Tämä ei ole ihan totta. Tutkijoille suunnattu teksti on huolellisempi, ja siinä selitetään, että tällaisessa piilomuuttujateoriassa tiedon täytyisi kulkea valoa nopeammin (mikä on ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa). Itse asiassa vasta Aspectin ja kollegoiden kehittyneemmät kokeet osoittivat, että tiedon pitäisi kulkea valoa nopeammin, jotta piilomuuttujateoria voisi selittää tulokset.

Bellin epäyhtälöön liittyvä tutkimus on avannut oven kvanttimekaniikan perusteiden hedelmälliselle soveltamiselle teknologiaan. Tiedeakatemia korostaakin perusteluissaan kvanttitietokoneiden ja kvanttikryptografian kasvavaa merkitystä. Näillä aloilla lomittumiseen liittyvien kvanttimekaniikan piirteiden ymmärtäminen ja käyttäminen teknologisesti –missä erityisesti Zeilinger on kunnostautunut– on avainroolissa. Jos Bell ei olisi kuollut vuonna 1990, hänetkin olisi luultavasti palkittu Nobelilla.

Nobelin palkinnot keskittävät paitsi suuren yleisön myös tiedeyhteisön huomiota ja houkuttelevat tutkijoita palkitulle alalle. Gravitaatioaaltojen suora havaitseminen vuonna 2015 ja palkitseminen Nobelilla 2017 ovat tehneet niistä muodikkaan tutkimuskohteen, jota mietitään monissa muissakin yhteyksissä kuin siinä, mikä johti palkintoon. Ehkäpä tämän vuoden palkinto lisää suosiota Bellin epäyhtälön rikkoutumisen ja muiden kvantti-ilmiöiden tutkimiseen myös kosmologiassa.

Kosmisesta inflaatiosta, mikä on ensimmäisenä yhdistänyt kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian tavalla joka on ennustanut kokeiden tuloksia yksityiskohtaisesti oikein, ei olekaan vielä myönnetty Nobelin palkintoa, vaikka jotkut kosmologit ovat sellaista povanneet.

Logiikasta ruuveihin

30.9.2022 klo 15.21, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yläasteella tai lukiossa opiskelevat kysyvät minulta joskus miten tullaan fyysikoksi. Tähän on helppo vastata: suorittamalla koulun fysiikan ja matematiikan kurssit (koodaamisesta on myös apua) huolella ja hakemalla yliopistoon opiskelemaan fysiikkaa. Yliopistossa saa selville, mistä fysiikassa oikeastaan on kyse ja onko se oma ala.

Jatkokysymys miten tullaan hyväksi fyysikoksi on sitten vaikeampi. Yliopisto-opintojen osalta ehkä tärkein asia mihin voi itse vaikuttaa on se, että on innostunut, omistaa opinnoille niille tarvittavan ajan, ja valitsee gradu- ja väitöskirjaohjaajansa huolella. Fysiikan teorioiden sisällön omaksumisen (mihin yliopiston kurssit lähinnä keskittyvät) lisäksi tutkijan työssä tarvitaan erilaisia taitoja, joista monet oppii vain tekemällä kuten käsityössä.

Hiukkasfysiikassa ja kosmologiassa (saati fysiikassa laajemmin) on erilaisia aloja, joissa tarvitaan eri taitoja ja ajattelutapoja.

On matemaattisen fysiikan nimellä kulkevaa tutkimusta, joka on matemaattisesti huolellista ja kehittynyttä, mutta usein kaukana havainnoista. Yhdestä suunnasta se sulautuu matematiikkaan. Jotkut matemaattiset fyysikot ovatkin matematiikan laitoksilla töissä, ja yhteisössä lähempänä matemaatikkoja kuin muita fyysikoita.

Toisessa suunnassa matemaattinen fysiikka muuttuu vähemmän täsmälliseksi teoreettiseksi fysiikaksi, jonka pääpaino on teorioiden ja mallien kehittämisessä määrättyjen ilmiöiden kuvaamiseen. Lähemmäs havaintoja mentäessä teoreettinen fysiikka puolestaan lomittuu fenomenologiaksi kutsuttuun fysiikan haaraan. Fenomenologiassa keskitytään siihen, millaisia havaintoja mallit tarkalleen ennustavat ja selittävät, ja verrataan niitä kokeiden tuloksiin. Siinä on tärkeämpää hallita teoreettisia menetelmiä sekä tuntea kokeita ja osata verrata niitä teoriaan kuin ymmärtää hienostuneen matematiikan yksityiskohtia.

Fenomenologia on silta teoriasta kokeelliseen fysiikkaan. Kokeellisessa fysiikassa pitää tuntea teorioiden lisäksi laitteiden rakentamista, toimintaa ja käytäntöä. Jos matemaattisen fysiikan rajalla on matematiikka, missä pitää hahmottaa loogisia yhteyksiä vailla kosketusta todellisuuteen, niin kokeellisen fysiikan rajalla on insinööritaito, missä pitää tietää miten ruuvit pannaan paikalleen.

Sen lisäksi, että eri aloilla tarvitaan erilaisia taitoja, niiden sisällä voi tehdä tutkimusta eri tyyleillä. Osassa teoreettista fysiikkaa kehitetään parempia menetelmiä ja teorioita, vaikkapa esitetään uudenlaisia pimeän aineen hiukkasia tai tapoja kuvata kosmisen inflaation kvanttivärähtelyjä. On myös tutkimusta, joka on hyvin spekulatiivista eikä pohjaa vankasti sen enempää havaintoihin kuin teoriaankaan. Siinä heitellään kaikenlaisia ideoita, ja alkuun ne voivat olla puolivillaisia ja käsittely epätäsmällistä; tärkeintä on uusien yhteyksien ja näkökulmien kehittäminen.

Koska tutkimusta ja taitoja on niin erilaisia, on vaikea arvioida tutkijoita yksiulotteisella hyvä-huono-akselilla. Tutkijoiden välillä on kyllä merkittäviä tasoeroja, ja on syytä myös hyväksyä se, että osa eroista on luontaisia, kuten urheilussa ja musiikissa. Olipa syynä perintötekijät tai lapsuuden kehitys, minusta ei voisi tulla yhtä taitavaa fyysikkoa kuin vaikkapa säieteoreetikko Edward Wittenistä, vaikka olisin kuinka omistautunut.

Kaikessa fysiikan tutkimuksessa on hyödyksi peräänantamattomuus yhdistettynä kykyyn arvioida omia ideoita kriittisesti ja luopua niistä. Teoreettisessa kosmologiassa onkin vahva kyseenalaistamisen ja väärässä olemisen kulttuuri. Yksi tärkeä taito on se, että osaa muodostaa selkeän käsityksen siitä, mitä tietää ja miksi, mitä ei tiedä, ja pystyy esittämään kantansa selkeästi. Ja sanottakoon että oman työn markkinoiminen rahoitushakemuksissa on nykyään yhä tärkeämpi taito.

Uutta tutkimusta julkaistaan joka päivä, ja on tärkeää pysyä ajan tasalla. Tieteellisiä artikkeleita pitää osata lukea sekä pintapuolisesti että syvään pureutuen. Kaikkeen edes oman alan tutkimukseen ei ole aikaa perehtyä, joten pitää pystyä saamaan käsitys siitä, mistä on kysymys, vaikka ei ymmärrä artikkelia tarkkaan. Toisaalta omaan tutkimukseen läheisesti liittyvien asioiden kohdalla on tärkeää osata käydä asiat läpi yksityiskohtaisesti.

Tärkeitä taitoja voisi listata enemmänkin. Niitä oppii tekemällä, eikä kukaan tiedä tai osaa kaikkea. Siksi on tärkeää osata tehdä yhteistyötä ja paikata omia heikkouksia muiden vahvuuksilla. Itse en esimerkiksi osaa koodata (on kauan siitä, kun olen edes oikolukenut toisten koodia) enkä hallitse data-analyysin yksityiskohtia. Muiden kanssa työskennellessä olen oppinut arvostamaan sitä mitä he osaavat, ja samalla näkemään sekä yhteistyökumppanien että itseni rajoitukset.

---

Vinouman korjaamista

27.9.2022 klo 23.14, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehteen Rihveli 2/2022 siitä, miksi fysiikassa on niin vähän naisia. Artikkeli Vinouman korjaamista on luettavissa tässä. Ote jutusta:

”Yhdysvalloissa vuonna 2012 tehty tutkimus havainnollistaa asiaa. Siinä 127 yhdysvaltalaiselle matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan jäsenelle eri yliopistoissa lähetettiin samanlainen hakemus, johon oli laitettu joko miehen tai naisen nimi. Arvioijat pitivät hakijaa pätevämpänä ja tarjosivat tälle korkeampaa palkkaa kun paperissa oli miehen nimi. Sillä ei ollut eroa, oliko arvioija mies vai nainen.”

Rajoituksia monesta suunnasta

26.9.2022 klo 00.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Luultavasti noin 80% maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta, joka on havaittu vain gravitaation kautta. Yksi vanhimpia ehdotuksia pimeäksi aineeksi on mustat aukot. Koska pimeä aine on vanhempaa kuin tähdet, nämä mustat aukot eivät ole voineet syntyä tähtien romahduksessa, vaan niiden täytyy olla peräisin muinaisesta maailmankaikkeudesta. Tämän takia ne voivat olla paljon tähtiä kevyempiä tai raskaampia.

Vaikka mustat aukot eivät säteile valoa, niitä voi havaita monella tapaa. Havaintokanavista juhlituin on kahden mustan aukon toisiaan kiertäessään ja toisiinsa sulautuessaan synnyttämät gravitaatioaallot, joista myönnettiin vuonna 2017 Nobelin palkinto. Gravitaatioaaltoja on havaittu nyt 90 kappaletta. Suurimmassa osassa ei ole mitään viitteitä siitä, että lähteenä olisi muuta kuin tähtien romahduksessa syntyneitä mustia aukkoja ja neutronitähtiä. Jokusessa havainnossa on näkynyt kappaleita, joiden alkuperä oudoksuttaa, mutta ei ole selviä todisteita siitä, että ne olisivat muinaisilta ajoilta.

Mutta sekin, että mitään ei ole löydetty on hyödyllistä tietoa. Jos kaikki pimeä aine olisi sen massaisia mustia aukkoja, että niiden lähettämät gravitaatioaallot osuvat gravitaatioaaltokokeiden LIGO ja Virgo havaintoalueelle, niin nämä kokeet olisivat ne nähneet. Tästä voi päätellä, että mustien aukkojen massan pitää olla pienempi kuin sadasosa Auringon massaa tai isompi kuin tuhat Auringon massaa.

Gravitaatioaaltojen lisäksi (oletettavasti) tähtien romahduksessa syntyneitä mustia aukkoja on havaittu niitä kiertävän aineen lähettämän kirkkaan säteilyn kautta. Koeryhmä Event Horizon Telescope julkaisi vuonna 2019 kuvan galaksin M87 keskustan jättimäisestä mustasta aukosta, jonka massa on kuusi miljardia Auringon massaa. Tämän vuoden toukokuussa oli vuorossa kuva sen lajitoverista Linnunradan keskustassa, jonka massa on neljä miljoonaa Auringon massaa.

Myös kevyempien mustien aukkojen ympärille kertyy säteilevää ainetta. Jos kaikki pimeä aine olisi mustia aukkoja, kertymäkiekkojen säteilyä tulisi niin paljon joka puolelta että se olisi havaittu, jos aukkojen massa on yhden ja tuhannen Auringon massan välillä. Jos massa on pienempi, kiekot ovat liian pieniä havaittavaksi. Jos massa on isompi, mustia aukkoja on liian harvassa.

Yksi todistusaineiston palanen pimeän aineen olemassaolon puolesta on se, että galaksit ja galaksiryppäät taivuttavat valoa enemmän kuin mitä näkyvä aine selittää. Myös pienemmät kohteet taivuttavat valoa. Jos meidän ja tähden välistä kulkee pienikokoinen mutta raskas kappale, se keskittää tähden valoa polttolasin lailla, joten tähden kirkkaus hetkeksi kasvaa. Se, että tällaista ylimääräistä tuiketta ei ole nähty, asettaa isoja rajoituksia sille, että kaikki aine koostuisi mustista aukoista. Näiden havaintojen puute sulkee pois massat Auringon massan miljardisosan tuhannesosasta tuhanteen Auringon massaan.

Mustat aukot häiritsevät tähtien ratoja paljon enemmän kuin sellainen pimeä aine, joka koostuu harvasta hiukkaskaasusta. Kun musta aukko kulkee tähden läheltä, se linkoaa tähden korkeampaan nopeuteen, siirtäen sille omaa liike-energiaansa. Tämän takia erityisesti kääpiögalaksit venyvät, kun niiden tähdet pääsevät liikkumaan yhä kauemmaksi keskustasta. Mustan aukon ohikulku voi myös hajottaa kaksoistähtijärjestelmän, kun yksi tähti mustan aukon vetämänä irtoaa toisen otteesta. Koska tällaista ei ole havaittu, mustat aukot eivät voi olla pimeää ainetta, jos niiden massa on Auringon massan ja kymmenen tuhannen Auringon massan välissä.

Mitä isompi on mustien aukkojen massa, sitä vähemmän ja sitä harvemmassa niitä on – ja sitä tehokkaammin tavallinen aine klimppiytyy mustien aukkojen ympärille. Siitä, että tällaista kasautumista ei nähdä, voidaan päätellä, että mustien aukkojen massan pitää olla pienempi kuin sata Auringon massaa, yhä olettaen, että kaikki pimeä aine koostuu niistä.

Jos mustien aukkojen massa on tarpeeksi pieni (alle 10^-12 eli tuhannesmiljardisosa Auringon massasta), niitä ei olisi vielä havaittu. Mutta Stephen Hawkingin esittämän ennusteen mukaan mustat aukot säteilevät kvanttimekaanisesti sitä voimakkaammin mitä pienempiä ne ovat.

Jos muinoin syntynyt musta aukko olisi kevyempi kuin 10^-16 (eli kymmenesmiljoonasmiljardisosa) Auringon massasta, niin se olisi ehtinyt säteillä kaiken energiansa pois. On tosin mahdollista, että kun aukon massa laskee alle mikrogramman, niin Hawkingin säteily lakkaa ja jäljelle jää pysyvä nokare. Mitkään havainnot eivät poissulje sitä, että pimeä aine koostuu tällaisista nokareista, ja minäkin olen sitä mahdollisuutta tutkinut.

Joka tapauksessa 10^-16 ja 10^-12 Auringon massan välissä on ikkuna, jossa kaikki pimeä aine voisi olla mustia aukkoja. Tämä vastaa asteroidien massaa, ja tällaiset mustat aukot olisivat suunnilleen atomin kokoisia.

Monet mainituista rajoista mustien aukkojen massoille menevät päällekkäin. Tämä on eduksi, koska kullakin havainnolla on omat epävarmuutensa.

Esimerkiksi mustien aukkojen tähtien ratoihin aiheuttaman häiriön suuruuteen vaikuttaa se, miten mustat aukot klimppiytyvät. Jos ne kerääntyvät keskenään kimpuiksi, kimppuja on harvemmassa kuin yksittäisiä mustia aukkoja, joten niiden aiheuttamat häiriöt ovat harvinaisempia. Lisäksi yllä on oletettu, että kaikilla pimeän aineen mustilla aukoilla on sama massa. Mustien aukkojen alkuperän selittävien mallien mukaan kuitenkin samalla syntyy monia erimassaisia mustia aukkoja.

Yksityiskohdista kiistellään, mutta vaikuttaa siltä, että ainoat mahdollisuudet ovat tosiaan asteroidien massaiset mustat aukot tai Hawkingin säteilystä jäljelle jääneet nokareet. Edelliset voisi havaita etsimällä röntgensädelähteiden tuiketta tähtien sijaan. Havaintoa tuskin tehdään –tai kaikkia asteroidimassoja saadaan poissuljettua– ennen kuin aikaisintaan 2030-luvulla. Vaikka sopivia havaintolaitteita on jo, kuten intialainen AstroSat-röntgensatelliitti, tällaisia mahdollisia mustia aukkoja ei taideta pitää niin tärkeänä kohteena, että niihin pian pantaisiin tarpeeksi havaintoaikaa.

Mustien aukkojen jahti osoittaa miten aivan erilaisia havaintoja voi käyttää saman asian luotaamiseen, eikä kannata keskittyä vain yhteen suuntaan. Se myös muistuttaa siitä, että löytöjen puute on itsessään arvokasta tietoa, joka ohjaa teoreettista tutkimusta kertomalla miten asiat eivät ainakaan ole.

---

Viisareina tähdet

27.8.2022 klo 22.29, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kirjoitin kesäkuussa maailmankaikkeuden iän määrittämisestä. Mainitsin, että jos ”tiedetään miten jotkut kappaleet –vaikkapa tähdet tai galaksit– kehittyvät, niin sellaisen iän voi arvioida ulkonäön perusteella”. Palaan nyt tähän iän arviointiin.

Maailmankaikkeudessa on galakseja, joiden kehityksen avulla mitataan aikaa. Kosmologeille on tullut tavaksi kutsua niitä kosmisiksi ”kronometreiksi” eli aikamittareiksi. Tälle on kyllä arkisempikin sana: kello.

Viisarikello kertoo, montako kertaa viisari on liikkunut sovitun nollakohdan jälkeen (eli viimeisimmän keskiyön tai keskipäivän). Kun tiedetään, kauanko yksi viisarin liike kestää, tämä lukumäärä kertoo paljonko aikaa on kulunut.

Kun aikaa mitataan galakseista, viisareina ovat tähdet. Tähtien elämänkaari tunnetaan hyvin: tähti muodostuu kaasupilvien romahtaessa ja kehittyy eri vaiheiden läpi valkoiseksi kääpiöksi, neutronitähdeksi tai mustaksi aukoksi, riippuen siitä kuinka massiivinen se on.

Niinpä galaksin iän voi määrittää katsomalla missä kehitysvaiheessa olevia tähtiä siinä on. Erityisesti vanhimmat tähdet ovat tärkeitä, koska ne antavat alarajan galaksin iälle. Galaksien valo sisältää valtavan otoksen erilaisten tähtien valosta – esimerkiksi Linnunradassa noin 100 miljardia tähteä.

Tässä on se hyvä puoli, että ei ole niin väliä mitä joillekin yksittäisille tähdille on tapahtunut – poikkeamat hukkuvat isoon otokseen. Varjopuoli on se, että tähtien kehityksen lisäksi pitää tietää, miten tähtien jakauma kehittyy galaksissa.

Tämän takia yritetään keskittyä galakseihin, jotka eivät ole yhtyneet toisiin galakseihin. Galaksien sulautuminen sekoittaa niiden tähdet keskenään, minkä takia on vaikeampi selvittää millainen tähtien jakauma oli alun perin ja miten se on kehittynyt. Lisäksi pyritään valitsemaan galakseja, joissa ei enää juuri muodostu uusia tähtiä, tähtiväestö vain vanhenee tasaisesti.

Sen lisäksi, että yhdessä galaksissa on paljon tähtiä, vaihtelua suitsitaan käyttämällä kellona yhden galaksin sijaan tuhansia galakseja eri puolilla taivasta. Tällöin mahdollisesti poikkeuksellisten yksittäisten galaksien vaikutus on vähäinen, ja satunnaisten vaihtelujen merkitys pienenee otoksen koon kasvaessa.

Galaksin valosta on helppo mitata punasiirtymä, joka kertoo paljonko avaruus on laajentunut sen jälkeen kun valo lähti matkaan. Kun verrataan sitä, miten eri galaksien punasiirtymä riippuu niiden iästä, saadaan selville, miten maailmankaikkeus laajenee ajan kuluessa. Tämä on yksi suorimpia tapoja mitata avaruuden laajenemisnopeutta ja sen muutosta.

Usein laajenemisnopeus sen sijaan päätellään mittaamalla galaksien punasiirtymiä ja etäisyyksiä. Etäisyyden ja punasiirtymän suhdetta verrataan jonkin kosmologisen mallin ennusteeseen, ja mallista sitten lasketaan miten avaruus on laajennut. Tällainen päätelmä laajenemisnopeudesta on epäsuora ja riippuu käytetystä kosmologisesta mallista. Isoin epävarmuus liittyy siihen, millaista olettaa pimeän energian olevan.

Laajenemisnopeuden määrittäminen kosmisten kellojen avulla ei riipu siitä millaista pimeä energia on, mutta se on herkkä sille, miten tähtisisällön kehitystä mallinnetaan. Galaksit ovat monimutkaisempia kappaleita kuin tähdet, ja niiden tähtiväestön synnystä ja kehityksestä on kilpailevia malleja. Mallit johtavat erilaisiin tuloksiin galaksien iästä ja siten maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta.

Jotkut suositut kehitysmallit ennustavat maailmankaikkeuden iän aivan pieleen. Voi sanoa, että laajenemisnopeuden kannalta tällä ei ole väliä, koska se riippuu vain siitä, miten ikä muuttuu punasiirtymän myötä, ei iän nollakohdasta. Kello voi mitata ajan kulumista tarkasti, vaikka se olisi väärässä ajassa. Mutta se, että malli ennustaa yhden asian väärin herättää epäilyksen siitä, osuuko oikeaan muissa asioissa.

Yksi kosmologian pohdituimpia kysymyksiä tällä hetkellä on se, että kosmisesta mikroaaltotaustasta päätelty avaruuden laajenemisnopeus on pienempi kuin lähellä olevien supernovien avulla mitattu. Kosmiset kellot sopivat paremmin yhteen supernovien tulosten kanssa kuin kosmisen mikroaaltotaustan, mikä viittaa siihen, että ristiriitaa ei voi ratkaista peukaloimalla mikroaaltotaustaa. Tilastolliset virherajat sekä tähtiväestön kehitysmallien epävarmuus ovat tosin vielä liian isoja, jotta tästä voisi tehdä varmoja päätelmiä.

Eteenpäin pääsemiseksi ei riitä että mitataan lisää galakseja, tarvitaan parempi ymmärrys niiden tähtiväestön kehityksestä. Tämä on esimerkki kosmologian ja tähtitieteen (hienommin sanottuna astrofysiikan) erosta. Tähtitieteilijät tutkivat galakseja niiden itsensä takia, kosmologit käyttävät niitä kelloina.

---

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.