Kosmokseen kirjoitettua

Merkkejä muinaisuudesta

25.3.2022 klo 17.29, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 12. huhtikuuta kello 18.30 Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa (Kirkkotallintie 6) otsikolla Merkkejä muinaisuudesta – mitä jos pimeä aine on mustia aukkoja?. Puhun myös oman tutkimukseni kulusta aiheen parissa.

Tilaisuuden järjestää Kirkkonummen komeetta. Siihen on vapaa pääsy.

---

Myös me, kierros 3/We too, round 3

20.3.2022 klo 23.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

(The decision of the University of Turku to hire Christian Ott and then cancel the hire, has attracted international attention, so this post is both in Finnish and English. The English version is below the Finnish text. See also these two earlier posts on the topic.)

(Tämä on jatkoa kahdelle aiemmalle merkinnälle.)

Minut sekä ystäväni ja kollegani Till Sawala on haastettu oikeuteen epäiltyinä törkeästä kunnianloukkauksesta ja törkeästä yksityiselämää koskevan tiedon levittämisestä. Syynä on se, että kun astrofyysikko Christian Ott päätettiin palkata Turun yliopistoon, toimme esille hänen häirintätaustaansa ja arvostelimme päätöstä.

Turun yliopisto tiedotti 1. helmikuuta 2018 päättäneensä palkata Ottin maaliskuun alusta alkaen kahdeksi vuodeksi. Ott oli lähtenyt Caltechin yliopistosta 31. joulukuuta 2017 sen todettua hänen syyllistyneen sukupuoleen perustuvaan häirintään kahta naispuolista jatko-opiskelijaa kohtaan. Helmikuun 7. päivä Turun yliopisto perui palkkauspäätöksen, tiedeyhteisön vastustettua sitä.

Caltechin tapauksen yksityiskohdista voi lukea tästä, tästä ja tästä. Caltechissä opiskellut ja asiasta yli 30 Ottin tapaukseen liittyvän henkilön kanssa puhunut Casey Handmer on myös kirjoittanut siitä katsauksen. Hän avaa tapahtuman taustoja ja kulttuuria, jossa häiritsijöiden suojeleminen on tavallista. (En ole kaikista hänen toimintaehdotuksistaan samaa mieltä.) Turun tapauksesta voi lukea näistä kahdesta merkinnästäni.

Huhtikuussa 2019 poliisi aloitti esitutkinnan minusta, Till Sawalasta ja Turun yliopiston Jari Kotilaisesta. Meitä epäiltiin törkeästä kunnianloukkauksesta ja törkeästä yksityiselämää koskevan tiedon levittämisestä koskien Ottin tapausta. (Kotilainen pudotettiin pois epäillyistä esitutkinnan aikana.)

Kesäkuussa 2020 syyttäjä päätti, että ei nosta syytettä minua ja Tilliä vastaan. Hän perusteli tätä sillä, että emme ole sanoneet Ottista mitään valheellista ja olimme kirjoittaneet vain hänen toiminnastaan julkisessa virassa tai vastaavassa tehtävässä. Lain mukaan ”kunnianloukkauksena ei pidetä arvostelua, joka kohdistuu toisen menettelyyn politiikassa, elinkeinoelämässä, julkisessa virassa tai tehtävässä, tieteessä, taiteessa taikka näihin rinnastettavassa julkisessa toiminnassa ja joka ei selvästi ylitä sitä, mitä voidaan pitää hyväksyttävänä”.

Syyttäjä totesi myös, että tapausta ”on käsitelty erittäin laajasti eri medioissa”. Esille tuomamme seikat olivatkin yleistä tietoa. Ottista häiritsijänä olivat kirjoittaneet vuodesta 2016 alkaen Nature, Science, Scientific American, Huffington Post, Vice, Washington Post ja Wired, monien muiden julkaisujen ohella.

Apulaisvaltakunnansyyttäjä ja valtionsyyttäjä päättivät kuitenkin maaliskuussa 2021 avata esitutkinnan uudelleen. Tällä viikolla minä ja Till saimme tietää, että meitä vastaan on nostettu syytteet. Ott hakee meiltä yli sadantuhannen euron korvauksia, ja syyttäjä vaatii meille tuntuvia sakkoja tai ehdollista vankeutta.

Ott haastoi myös Turun yliopiston oikeuteen. Hän vaati yliopistoa maksamaan 25 vuoden palkat sekä vahingonkorvauksia ansionmenetyksestä, julkisuuden aiheuttamasta kärsimyksestä, matka- ja majoituskustannuksista ja oikeudenkäyntikuluista – yhteensä pitkälti yli miljoona euroa. Ottin mukaan on Turun yliopiston syytä, että hän ei saa enää alaltaan töitä, koska palkkauksen peruminen on johtanut häntä koskevien ”virheellisten huhujen leviämiseen maailmalla”. Turun Sanomat esitti Ottin uhrina ja julkaisi artikkeleita, joissa oli harhaanjohtavia ja virheellisiä väitteitä.

Yliopisto vetosi puolustuksessaan muun muassa siihen, että se oli jo tarjonnut Ottille kahden vuoden palkan – eli summan, jonka hän olisi saanut, ellei palkkausta olisi peruttu. Yliopiston mukaan päätös purkaa Ottin työsopimus ei perustunut hänen häirintätaustaansa (”menneisyyttä koskeviin huhuihin”) vaan siihen, että Ottin palkkaamista “vastustettiin voimakkaasti sekä yliopiston sisällä että sen ulkopuolella” sekä ”yliopiston saamalle vihamieliselle palautteelle ja kielteiselle ilmapiirille sekä muuttuneille olosuhteille”.

Maaliskuun 4. päivä 2022 Varsinais-Suomen käräjäoikeus antoi päätöksensä, joka on luettavissa tässä. Oikeus määräsi yliopiston maksamaan Ottille työsopimuksen perusteettomasta päättämisestä 20 kuukauden palkan sekä osan matka- ja majoituskuluista. Muut vaatimuksen hylättiin. Ott on ilmoittanut valittavansa hovioikeuteen. Tuomio on jokseenkin samanlainen kuin oikeusjutussa, jonka Ott nosti Tukholman yliopistoa vastaan, koska tämäkin oli perunut Ottin palkkauksen.

Minun ja Tillin oikeusistunto on 3. toukokuuta. Prosessiin voi mennä paljon aikaa, vaivaa ja rahaa, etenkin jos se jatkuu käräjäoikeudesta eteenpäin. Esimerkiksi toimittaja Johanna Vehkoon tapauksessa korkeimpaan oikeuteen asti menneen absurdin kunnianloukkaussyytteen käsittely kesti yli viisi vuotta.

Tapaus muistuttaa siitä, että vaikka tieteessä on kyse väitteiden järjestelmällisestä ja kriittisestä arvioinnista tosiasioiden pohjalta, tiedeyhteisö koostuu ihmisistä, ja siinä esiintyy samanlaisia ongelmia kuin kaikissa yhteisöissä. Häirintä, perättömien kanteiden tekeminen häirintään puuttuvia ihmisiä vastaan, kiusaaminen, ahdistelu, syrjintä, ja muut inhimilliset ongelmat kaikki vaikuttavat toimintaympäristöön ja tieteen tekemiseen.

Ainakaan tämä oikeusjuttu (toisin kuin Ottin häirintä) ei kohdistu opiskelijoihin, jotka ovat tutkijayhteisössä heikoimmassa asemassa, vaan kahteen pidemmälle edenneeseen tutkijaan. Toivon mukaan tapauksen saama julkisuus kiinnittää huomiota pääasiaan –häirintään– ja edesauttaa toimia sitä vastaan.

* * *

Me and my friend and colleague Till Sawala are going on trial for severe defamation and severe spreading of information in a manner than violates privacy. The reason is that when University of Turku decided to hire the astrophysicist Christian Ott, we discussed his harassment background in public and criticised the decision.

University of Turku made public on February 1 2018 that it had decided to hire Ott for two years from the beginning of March. On December 31 2017 Ott had left Caltech after it had found him guilty of gender-based harassment of two female graduate students. On February 7 University of Turku cancelled the hire, after opposition from the science community.

Details of the Caltech case have been reported here, here ja here. Casey Handmer, who studied at Caltech and spoke with more than 30 people involved in the case has also written an overview of it. She discusses the background and the culture where harassers are routinely protected. (I don’t agree with all of her recommendations.) Details on the Turku case can be found in these two blog entries by me.

In April 2019 the police opened a preliminary investigation of me, Till Sawala and Jari Kotilainen at the University of Turku. We were suspected of severe defamation and severe spreading of information in a manner than violates privacy. (Kotilainen was dropped from the list of suspects during the preliminary investigation.)

In June 2020 the prosecutor decided that he will not press charges against me and Till, on the grounds that nothing we said about Ott was false, and we had written about him only as concerns his actions in public office or its equivalent. According to Finnish law, “criticism that is directed at a person’s activities in politics, business, public office, public position, science, art or in comparable public activity and that does not obviously exceed the limits of propriety does not constitute defamation”.

The prosecutor also noted that the case has been very widely discussed in different media. Indeed, the facts we highlighted were common knowledge. Ott had been discussed as a harasser since 2016 by alkaen Nature, Science, Scientific American, Huffington Post, Vice, Washington Post ja Wired, among many other publications.

However, in March 2021 the deputy prosecutor general and a state prosecutor decided to reopen the preliminary investigation. This week me and Till were informed that we have been charged. Ott demands over 100 000 euros in damages, and the prosecutor is calling for heavy fines or a prison sentence on probation.

Ott has also sued the University of Turku. He wanted the university to pay his salary for 25 years, as well as damages for loss of income, suffering due to publicity, travel and accommodation costs and trial costs – over a million euros altogether. Ott argued that it is the University of Turku’s fault that he can’t get a job in his field anymore, because cancelling the hire has led to “false rumours spreading around the world” about him. The newspaper Turun Sanomat presented Ott as the victim and published articles with misleading and false claims. (In Finnish.)

In its defence, the university appealed to the fact that it had already offered to pay Ott full two years’ salary – the sum he would have gotten had the hire not been cancelled. The university said that the decision to cancel the hire was not based on his harassment background (“rumours about his past”), but on the fact that the hire was “strongly opposed both inside and outside the university” and “hostile feedback to the university and negative atmosphere as well as changed circumstances”.

On March 4 2022 the district court of Southwest Finland gave its ruling, available here. (In Finnish.) The court ordered the university to pay Ott 20 months salary for terminating his contract without cause, as well as some travel and accommodation costs. The court ruled against Ott’s other demands. Ott has said he will complain to the appeals court. The ruling is along the same lines as in the case that Ott brought against the University of Stockholm for cancelling his hire.

Me and Till will go on trial on May 3. The process can take a lot of time, energy and money, especially if it goes to higher courts. For example, in the case of the journalist Johanna Vehkoo, an absurd defamation case went all the way to the supreme court, taking five years.

This case is a reminder of the fact that even though science is about evaluating claims systematically and critically, the scientific community consists of people, and has the same kind of problems as any other community. Harassment, retaliating with baseless lawsuits against people who tackle harassment, bullying, abuse, and other human problems all affect the environment where science is made.

At least this lawsuit (unlike Ott’s harassment) does not target students, who are in the most vulnerable position in the research community, but two more advanced researchers. Hopefully publicity for the case will help to bring attention to the main issue –harassment– and spur action against it.

---

Yhden merkin varassa

25.2.2022 klo 23.32, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Suhteellisuusteorialla on vaikean teorian maine. Gravitaatiota kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa tämä on ansaittu: sen ymmärtäminen vaatii hienostuneen matemaattisen koneiston omaksumista. Suppea suhteellisuusteoria on kuitenkin aika yksinkertainen. Vaikeinta on se, että pitää luopua vanhoista aikaa ja avaruutta koskevista käsityksistä.

Suppean suhteellisuusteorian ytimessä on nimen mukaisesti suhteellisuus. Sama pätee kuitenkin myös Isaac Newtonin kehittämään klassiseen mekaniikkaan. Erona on se, mikä on suhteellista ja mikä ei.

Suure on suhteellinen, jos sen arvo on erilainen eri havaitsijoille. Esimerkiksi tasainen nopeus on suhteellista niin klassisessa mekaniikassa kuin suppeassa suhteellisuusteoriassa. Ohi kiitävän junan nopeus on laiturilla seisovan ihmisen suhteen 100 kilometriä tunnissa, mutta junassa istuvan koiran suhteen junan nopeus on nolla.

Suhteellisen vastakohta on absoluuttinen. Esimerkiksi nopeuserot ovat absoluuttisia: sekä laiturilla seisojalle että junassa istujalle junan ja yllä liitävän lentokoneen välinen nopeus on 400 km/t.

Millään kokeella ei voi erottaa, onko jokin kappale paikallaan vai liikkuuko se tasaisella nopeudella, koska tämä riippuu havaitsijasta. Sen sijaan muutoksia nopeudessa ja nopeuseroja voi mitata.

Klassisessa mekaniikassa vastaavasti paikka on suhteellinen mutta paikkavälit ovat absoluuttisia. Ei ole mitään erityistä avaruuden keskipistettä, jokainen voi asettaa sen minne haluaa. Mutta kappaleiden etäisyydet ovat samoja kaikille. Sama juttu ajanhetken ja aikavälien kanssa. Ajan nollakohdaksi voi valita hetken 2022 vuotta sitten tai eilisen, oman maun mukaan, mutta aikavälit ovat absoluuttisia.

Klassisessa mekaniikassa etäisyydet noudattavat Pythagoraan lausetta. Jos vaikkapa kynän kärjen ja pään välinen etäisyys on x-suunnassa x ja y-suunnassa y, niin kynän pituudelle L pätee L² = x² + y². Jos kääntää koordinaatistoa, niin x muuttuu ja y muuttuu, mutta L ei muutu. Toisin sanoen etäisyydet x-suunnassa ja y-suunnassa ovat suhteellisia, mutta kokonaisetäisyys –eli pituus– on absoluuttinen.

Laajennetaan nyt tarkastelua siten, että tarkasteltavat pisteet voivat olla eri ajanhetkinä. Esimerkiksi voidaan kysyä, mikä on etäisyys sen pisteen välillä, missä kynä irtoaa kädestäni ja sen pisteen välillä, missä se iskee lattiaan. Klassisessa mekaniikassa mitataan vain etäisyyksiä paikassa ja ajassa erikseen. Voidaan siis laskea käteni ja lattian välinen etäisyys paikassa ja irrottamisen ja lattiaan kolahtamisen välinen etäisyys ajassa.

Suppeassa suhteellisuusteoriassa yhdistetään etäisyys ajassa ja paikassa etäisyydeksi aika-avaruudessa. Jos tapahtumien etäisyys ajassa on t, niiden etäisyydelle aika-avaruudessa M pätee M² = – c² t² + x² + y², missä c on valonnopeus. (Tarkemmin sanottuna, etäisyyden M neliö on tuon lausekkeen itseisarvo.)

Vältän yhtälöitä tässä blogissa, koska niiden käyttöön tottumattomalle yhtälöt vaikeuttavat lukemista sen nopeuttamisen sijaan. Tein nyt poikkeuksen havainnollistaakseni sitä, miten yksinkertainen suppea suhteellisuusteoria on. Koko teoria nimittäin seuraa siitä, että tuo etäisyys M aika-avaruudessa on absoluuttinen, eivät etäisyydet ajassa ja paikassa erikseen.

Erona klassiseen mekaniikkaan on siis vain se, että aika- ja paikkaetäisyyksiä mitataan yhdessä, ja aikavälin edessä on miinusmerkki plusmerkin sijaan. Tällä pienellä matemaattisella erolla on isoja fysikaalisia seurauksia.

Aivan kuten etäisyydet x-suunnassa ja y-suunnassa ovat klassisessa mekaniikassa suhteellisia, aikavälit ja paikkavälit ovat suppeassa suhteellisuusteoriassa suhteellisia. Klassisessa mekaniikassa avaruuden kiertäminen muuttaa x– ja y-etäisyyksiä. Vastaavasti suppeassa suhteellisuusteoriassa nopeuden vaihtaminen muuttaa aika- ja paikkaetäisyyksiä. Koska nopeus on suhteellista, myös aika- ja paikkavälit ovat suhteellisia.

Tämä on esimerkki symmetrian merkityksestä fysiikassa. Klassisessa mekaniikassa fysiikan lait ovat samat riippumatta siitä, mihin suuntaan avaruudessa katsoo. Toisin sanoen klassinen mekaniikka on symmetrinen kierroissa – eli muunnoksissa, jotka eivät muuta pituuksia. Suppea suhteellisuusteoria on vastaavasti symmetrinen muunnoksissa, jotka eivät muuta aika-avaruuden etäisyyksiä. Symmetria on tärkein näitä teorioita määrittävä tekijä.

Suppea suhteellisuusteoria on kokeellisesti tarkasti varmennettu, ja sen pätevyys on järkevän epäilyn ulkopuolella. Sen ilmiöt ovat kuitenkin arkijärjen vastaisia: mitä nopeammin kappaleet liikkuvat, sitä lyhyempiä ne ovat, ja sitä hitaammin niiden kellot kulkevat; myös samanaikaisuus on suhteellista. Kaikki tämä outous palautuu yhteen miinusmerkkiin.

Taivasta täyttämässä

16.2.2022 klo 23.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

1600-luvulla eläneen tähtitieteilijä Johannes Keplerin havainnoilla oli keskeinen rooli sen osoittamisessa, että Maa kiertää Aurinkoa. Kepler oli myös vakuuttunut siitä, että maailmankaikkeus on äärellinen. Hän esitti todisteeksi sen, että jos maailmankaikkeus olisi ääretön, niin tähdet täyttäisivät taivaan.

Mitä kauempana tähdet ovat, sitä himmeämmiltä ne näyttävät. Mutta mitä kauemmas menee, sitä enemmän tähtiä on, ja jos tähdet ovat jakautuneet tasaisesti, niiden lukumäärä kasvaa samaa tahtia kuin mitä kirkkaus laskee. Se johtopäätös, että äärettömässä maailmankaikkeudessa yötaivaan pitäisi olla yhtä kirkas kuin Auringon pinta, tunnetaan nimellä Olbersin paradoksi asiasta 200 vuotta Keplerin jälkeen kirjoittaneen Heinrich Olbersin mukaan. (On tavallista, että asioita ei nimetä niitä ensimmäiseksi pohtineiden mukaan.)

Emme tiedä onko maailmankaikkeus ääretön. Mutta koska maailmankaikkeuden ikä on äärellinen ja valo matkaa äärellisellä nopeudella, näemme vain äärellisen etäisyyden päähän, ja lisäksi tähtiä on ollut olemassa vain äärellisen ajan.

Toinen syy yötaivaan mustaan on se, että näemme vain pienen osan valon (eli sähkömagneettisen säteilyn) aallonpituuksista. Näkyvää valoa lähettäviä tähtiä on harvassa, mutta esimerkiksi mikroaaltotaivas on kauttaaltaan kirkas. Kosmiset mikroaallot näyttävät millainen maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden iässä. Jos haluaa nähdä myöhempiä aikoja, pitää tarkastella muita aallonpituuksia.

Vetykaasu on erityisen kiinnostava radiolähetin. Vetyatomi koostuu protonista ja elektronista. Kummallakin on ominaisuus nimeltä spin, eli ne käyttäytyvät kuin pyörisivät jonkin akselin ympäri. Vetyatomin toiseksi yksinkertaisimmassa tilassa protoni ja elektroni pyörivät samaan suuntaan, ja yksinkertaisimmassa tilassa ne pyörivät vastakkaiseen suuntaan. Kun vetyatomiatomi siirtyy samansuuntaisesta tilasta yksinkertaisimpaan tilaan, se lähettää valoa, jonka aallonpituus on 21 cm, eli radioaallon.

Maailmankaikkeuden atomeista 90% on vetyä, ja vetykaasua on kaikkialla, sielläkin missä ei ole tähtiä. Niinpä 21 cm säteily on erinomainen tapa saada selville mitä maailmankaikkeudessa tapahtuu. Tämä säteily on (gravitaatioaaltoja ehkä lukuun ottamatta) ainoa viestintuoja ajalta kosmisen mikroaaltotaustan syntymisen ja tähtien syttymisen välillä – eli maailmankaikkeuden ensimmäisen noin 100 miljoonan vuoden aikana.

Tänään Phil Bull Queen Mary University of Londonista puhui 21 cm säteilystä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa. Radiotähtitiedettä on tehty 1930-luvulta asti, mutta se on näkyvän valon tai mikroaaltojen havaitsemista jäljessä. Asian voi ilmaista myös niin, että kyseessä on nouseva ala.

Ennen viime vuosia taivasta on tarkkailtu radioaallonpituuksilla joko pieneltä alueelta tarkkaan (niin että näkee kaukana olevia ja siksi himmeitä kohteita), tai sitten laajalta alueelta niin että näkee vain lähellä olevia tai poikkeuksellisen kirkkaita kohteita.

Nykykosmologiassa halutaan kattava kuva tapahtumista, mikä edellyttää sitä, että katsoo yhtä aikaa laajasti ja syvälle. 2000-luvulla tämä on tullut teknologisesti mahdolliseksi. Nykyiset 21 cm teleskoopit näkevät noin maailmankaikkeuden ensimmäisen miljardin vuoden ikään asti.

Koska kaukaiset radiolähteet ovat heikkoja, kuvista eivät erotu esimerkiksi yksittäiset kaukaiset galaksit tai vetypilvet, vaan isompien kokonaisuuksien säteily. Mutta vaikka radioaaltokartat ovat epätarkkoja, niistä näkee ison mittakaavan rakenteen ja sen kehityksen siinä mielessä selvemmin kuin näkyvästä valosta, että vetykaasu on tasaisemmin jakautunut. Havaintoja ei tehdä vain niistä poikkeuksellisista paikoista, missä sattuu olemaan galakseja, vaan kaikkialta. Lisäksi vetykaasu noudattaa pimeän aineen jakaumaa tarkemmin kuin galaksit, ja suurin osa maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta.

Iso ongelma on se, että kosminen 21 cm säteily on noin tuhat kertaa heikompaa kuin Linnunradan ja muiden galaksien lukuisten tähtitieteellisten kohteiden lähettämät radioaallot. Vielä isompi ongelma on ihmisten laitteiden tuottama säteily; erityisesti kännykät tukiasemineen ovat iso häiriön lähde.

Jos kosminen signaali tulisi kaikkialta samalla 21 cm aallonpituudella, roskat olisi helppo suodattaa: heitettäisiin vain pois kaikki signaalit, missä on mukana muita aallonpituuksia. Mutta koska maailmankaikkeus laajenee, säteily venyy. Miljardin vuoden iässä 21 cm pituisena lähteneen säteilyn aallonpituus on nykyään noin puolitoista metriä, ja myöhemmin syntyneen jotain tältä väliltä, lähtöhetkestä riippuen.

Bull on mukana MeerKAT-koeryhmässä, joka mittaa 21 cm säteilyä Etelä-Afrikassa. MeerKATin antennit tulevat osaksi parhaillaan rakennettavaa kansainvälistä SKA-teleskooppia. MeerKAT ja muut kokeet ovat jo setvineet maailmankaikkeuden historiaa yhdistämällä 21 cm säteilyn kartat mittauksiin galakseista. Koska galaksidata on parempaa, on helpompaa lisätä siihen 21 cm havainnot kuin käyttää niitä yksin.

Bull arvioi, että kestää ainakin 3-5 vuotta ennen kuin pelkistä 21 cm havainnoista saadaan luotettavia kosmologisia tuloksia. Hänen mukaansa juuri se, että ala on kosmista mikroaaltotaustaa ja gravitaatiolinssejä jäljessä tekee siitä mielenkiintoisen, koska saa olla mukana kehittämässä jotain uutta

21 cm kokeet eivät vielä näe niin kauas kuin infrapunavaloon painottunut teleskooppi JWST. Radioteleskooppeja kuitenkin rakennetaan koko ajan lisää, teknologia kehittyy ja tutkijat ymmärtävät paremmin millaiset teleskoopit ovat sopivimpia. Kun 21 cm teleskoopit pääsevät vauhtiin, ne näkevät asioita, mitä mitkään muut kokeet eivät voi havaita.

Kaukaisemman tulevaisuuden mahdollisuutena Bull mainitsi Cosmic Visions -projektissa pohditun mahdollisuuden rakentaa kraatteriin Kuussa ritilä, jota käytettäisiin radioteleskooppina. Näin pääsisi eroon sekä ihmisten tuottamasta radiosaasteesta että Maan ilmakehästä, joka imee osan radioaalloista.

Koska kosmiset rakenteet kuten galaksit kasvavat ajan myötä, varhaisina aikoina ne olivat yksinkertaisempia. Niinpä kauas katsoessa saa selvemmän kuvan siitä, millaisia olivat kosmisen inflaation aikana ensimmäisen sekunnin perukoilta syntyneet rakenteen siemenet, ennen kuin gravitaatio sotki ainetta galakseiksi ja muuksi puuroksi.

Yksi kosmologian isoimpia kysymyksiä on, miksi maailmankaikkeuden laajeneminen on viimeisen muutaman miljardin vuoden aikana kiihtynyt. Asian selvittämisessä on tärkeää saada tarkkoja havaintoja maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta myös varhaisilta ajoilta. Voi olla, että käsissämme on nyt vain osa palapeliä.

Päivitys (17/02/22): Korjattu typo: neutronista -> elektronista.

---

Parhaaksi katsomallaan tavalla

31.1.2022 klo 13.05, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin vuonna 2019 siitä, että Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta kehotti tutkijoita kirjoittamaan ilmaiseksi artikkeleita Tekniikan Maailmaan. Tiedekunnan viestintäosasto perusteli tätä muun muassa sillä, että ”monet rahoittajat edellyttävät tulosten laajaa julkaisua ja yhteiskunnallista vaikuttavuutta” ja että artikkelit parantavat yliopiston julkisuuskuvaa.

Totesin seuraavasti:

”Suotavaa olisi, että Helsingin yliopistokin puolustaisi tutkijoiden oikeutta korvaukseen tekemästään työstä sen sijaan, että se myötävaikuttaa sellaisen yhteiskunnan rakentamiseen, missä ihmisten odotetaan tekevän kaupallisille tahoille työtä palkatta.”

Yliopisto on kuitenkin mennyt vielä oudompaan suuntaan.

Huomasin toissaviikolla tähtitieteilijä Mikko Tuomen mainitsevan Twitterissä, että kaupallinen julkaisija nimeltä MustRead pyysi häntä kirjoittamaan heille ilmaiseksi. Mikäs siinä, ei ole kummallista, että yritys haluaa välttää palkkakuluja.

Outoa on se, että Helsingin yliopisto on leikissä mukana.

Kyseessä ei tällä kertaa ole vain yhden tiedekunnan linjaus. Keskushallinnon viestintä on syyskuussa tiedottanut, että Helsingin yliopisto on viiden muun korkeakoulun tavoin tehnyt sopimuksen MustRead Akatemian kanssa, ja kannustaa tutkijoita kirjoittamaan sinne. (Yliopiston avoimuuskäytännön mukaisesti tiedote ei ole ulkopuolisten luettavissa.)

Tiedotteen mukaan ”Mustread Akatemia on journalistinen, Suomen keskeisille päättäjille ja vaikuttajille suunnattu media”, joka ”tarjoaa tuoretta tutkimustietoa päättäjille helposti luettavassa muodossa”.

Tiedotteessa ei mainita palkkioista, mutta kysyttäessä viestintä varmisti, että kirjoittajille ei makseta mitään. Sen sijaan Helsingin yliopisto maksaa MustReadille siitä, että se julkaisee tutkijoiden sille ilmaiseksi kirjoittamia tekstejä.

Pyysin Helsingin yliopistolta nähtäväkseni MustReadin kanssa solmitun sopimuksen. Se on nyt luettavissa täällä. (Hämmentävää kyllä, sopimus on solmittu vasta puolitoista kuukautta sen jälkeen, kun siinä sovittu maksullinen toiminta on aloitettu.) Yliopisto kuitenkin poisti sopimuksesta tiedot siitä, kuinka paljon se MustReadille maksaa. Yliopisto perusteli hinnan salaamista sillä, että muuten joku voisi tarjota yliopistolle samaa palvelua halvemmalla (lihavointi lisätty):

”MustReadin ilmoittaman mukaan hintatieto on liikesalaisuus, koska sen päätyminen kilpailijoiden käsiin voisi aiheuttaa yritykselle merkittävää vahinkoa. Yrityksen kanta ei sido yliopistoa, vaan yliopiston pitää arvioida, voiko tietoa objektiivisesti pitää yksityisen liikesalaisuutena. Tässä tapauksessa yliopiston arvio on, että tieto on yksityisen liikesalaisuus (laki viranomaisten toiminnan julkisuudesta 24 § 1 mom 20 k). Sopimuksen muut ehdot ovat julkista tietoa, ja hintatiedon päätyminen julkiseksi tekisi kilpailijoille helpoksi esimerkiksi tarjota vastaavaa palvelua hieman alempaan hintaan.”

Kerrottuani haluavani valittaa salauspäätöksestä julkisia hankintoja koskevan lain nojalla yliopisto kertoi, että sopimuksen arvo on alle 60 000 euroa, eli se ei ole julkisia hankintoja koskevan lain piirissä.

Helsingin yliopiston strategian mukaan yliopiston ydintehtävien toteuttaminen perustuu avoimuuteen, ja yliopisto on tunnettu ”avoimista, akateemisen vapauden ja yhteisöllisten ja demokraattisten vaikutusmahdollisuuksien mukaisista toimintatavoistaan”. (Tiedonsaannista ja yrityssuhteista yliopistolla voi lukea entisen Helsingin yliopiston hallituksen jäsenen Thomas Wallgrenin kirjeestä muille silloisille hallituksen jäsenille.)

Sopimuksen mukaan järjestelyn tarkoituksena on ”vahvistaa tutkijoiden ja yhteiskunnan vuoropuhelua”. Tutkitun tiedon merkitys on yhteiskunnassa entistä isompi, ja on tärkeää, että se huomioidaan poliittisessa päätöksenteossa kattavammin. Osoittaisi puutteellista ymmärrystä yhteiskunnallisesta päätöksenteosta pitää ongelman ytimenä sitä, että päättäjillä ei ole tietoa saatavilla ja tilanne korjaantuu heille artikkeleita pyytämättä kirjoittamalla. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, etteikö tällainen popularisointi ja tärkeiden tutkimustulosten ja -kysymysten esille tuominen olisi arvokasta ja hyödyllistä.

Sitä suuremmalla syyllä siitä tulee saada korvaus. Jos yliopiston palkkalistoilla oleva tutkija puhuu vaikkapa yliopiston avoimessa tilaisuudessa tai kirjoittaa yliopiston julkaisuun, tämän voi katsoa kuuluvan hänen työtehtäviinsä. Sisällön tuottaminen kaupalliselle yritykselle on eri asia.

Kysyin miten yliopisto oikeuttaa sen, että se maksaa siitä, että kaupallinen toimija teettää tutkijoilla palkatonta työtä. Yliopiston viestintä vastasi, että yliopistolaisten tehtäviin kuuluu yhteiskunnallinen vuorovaikutus, ja ”jokainen toteuttaa sitä työajallaan parhaaksi katsomallaan tavalla”. Viestintä rinnasti MustRead Akatemiaan kirjoittamisen Tiedekulman tapahtumiin osallistumiseen ja siihen, että yliopiston viestintä kirjoittaa yliopiston kanavissa julkaistavia uutisia. Kysymykseen siitä, eikö kaupallisten toimijoiden yliopiston mielestä tarvitse maksaa yliopistolaisille heidän työstään, viestintä ei vastannut.

Ilmeisesti yliopisto ei tunnista eroa siinä, että kirjoittaa yliopistolle (tai muulle yleishyödylliselle voittoa tavoittelemattomalle taholle) tai kaupalliselle toimijalle – tekstien tekijänoikeudet muuten jäävät MustReadille, eivät kirjoittajille.

Se, että yliopisto esittää ilmaisen työn tekemiselle yritykselle tapana toteuttaa yliopiston työntekijöiden velvollisuuksia on jo sinänsä ongelmallista. Se, että yliopisto maksaa tästä yritykselle, osoittaa, että se ymmärtää rahallisen korvauksen merkityksen, mutta ei katso sen kuuluvan yliopistolaisille. Yliopistojen työilmapiiristä on viime vuosina puhuttu paljon. Tällainen asenne sitä tuskin parantaa.

Olen usein kirjoittanut siitä, miten tieteellisten lehtien kustantaminen on järjestetty kaupallisten kustantajien ehdoilla tavalla, joka merkittävästi haittaa tieteen tekemistä. (Ks. täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä.) Yliopistoilla olisi tärkeä tehtävä uusien ei-kaupallisten lehtien tukemisessa ja julkaisemisen bisnesmallin hylkäämisessä.

Tässä onkin käynyt toisin päin. Kuten Mikko Tuomi toteaa, ”tieteellisen julkaisemisen kyseenalaiset käytännöt ovat siis leviämässä tiedeviestintään: tutkijat tekevät työn, yliopisto maksaa, ja raha ja työ menevät kaupallisen toimijan liikevoitoksi”.

Järjestely osoittaa kaikkiaan huonoa harkintakykyä. Viestinnän mukaan kyseessä on vuoden kestävä kokeilu. Kaikki ottavat joskus harha-askelia, oleellista on se, miten tunnistaa ja korjaa virheensä. Yliopisto voi alkaa maksaa kirjoittajille jo nyt (ja takautuvasti), lopettaa tällaisten sopimusten tekemisen, ja ruveta puolustamaan tutkijoiden oikeutta korvaukseen työstään. (Ammattiliitto Tieteentekijöiden liiton palkkiosuosituksiin voi tutustua täällä.)

Yliopisto mainostaa mielellään arvojaan, mutta oikeasti ne määrittyvät teoilla, eivät julkilausumilla. Se, miten Helsingin yliopisto nyt muuttaa toimintaansa kertoo paljon siitä, millainen se on.

Perintö lukkojen takana

11.1.2022 klo 00.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Tänään tulee kuluneeksi yhdeksän vuotta Aaron Swartzin kuolemasta. Swartzilla oli merkittävä rooli RSS-syötteiden, Creative Commons -lisenssin ja Reddit-sivuston kehittämisessä, sekä Yhdysvaltojen internet-sensuurilakialoitteen SOPA kaatamisessa. Swartz muistetaan kuitenkin parhaiten työstä, joka koitui hänelle kuolemaksi: tieteellisten artikkelien saatavuuden parantamisesta.

Swartz latasi vuosina 2010-11 JSTOR-tietokannasta koneelleen miljoonia tieteellisiä artikkeleita MIT-yliopiston kirjaston verkon kautta, johon hänellä oli pääsy ja josta ne olivat saatavissa. Ei tiedetä, mitä Swartz aikoi artikkeleilla tehdä: oliko tarkoituksena tutkia niitä vai tuoda ne avoimesti saataville. Swartz oli aiemmin käyttänyt toista artikkelitietokantaa tilastolliseen tutkimukseen, ja oli toisaalta laittanut miljoonia oikeusasiakirjoja avoimesti verkkoon. FBI oli tutkinut Swartzia jälkimmäisen takia, ja lopettanut todettuaan, että toiminnassa ei ollut mitään laitonta.

Swartz oli mukana kirjoittamassa vuonna 2008 julkaistua Guerrilla Open Access Manifestoa, missä arvosteltiin ihmiskunnan tieteellisen perinnön pitämistä suuryritysten omaisuutena ja kehotettiin tuomaan artikkeleita julkisesti saataville:

”There is no justice in following unjust laws. It’s time to come into the light and, in the grand tradition of civil disobedience, declare our opposition to this private theft of public culture.”

JSTOR ja MIT eivät lopulta halunneet viedä Swartzia oikeuteen, mutta MIT ei myöskään tukenut häntä. Yhdysvaltojen viranomaiset uhkasivat laittaa Swartzin vuosikymmeniksi vankilaan tehdäkseen hänestä varoittavan esimerkin, samaan tapaan kuin Julian Assangesta, joka on hänkin edistänyt demokratiaa parantamalla dokumenttien saatavuutta.

Kamppailu syytteitä vastaan kulutti loppuun Swartzin taloudelliset ja henkiset varat, ja hän teki itsemurhan. Swartzin elämästä on vapaasti katsottavissa kelpo dokumentti The Internet’s Own Boy: The Story of Aaron Swartz.

Tällä hetkellä vapaan julkaisemisen sissimanifestin ajatuksia toteuttaa kazakstanilaisen Alexandra Elbakyanin perustama tietokanta Sci-Hub. Sivusto aloitti toimintansa alkuvuodesta 2011, muutama kuukausi sen jälkeen, kun Swartz oli ladannut JSTOR-artikkeleita. Nyt Sci-Hubissa on yli 88 miljoonaa tieteellistä artikkelia vapaasti saatavilla. Suurin osa on otettu kustantajien sivuilta ja laitettu avoimesti esille vastoin heidän tahtoaan.

Sci-Hubissa on saatavilla niin uusia kuin vanhoja artikkeleita avoimesti ja helposti, ja laajemmin kuin missään muualla. Vauraiden maiden yliopistojen tutkijat pääsisivät osaan artikkeleista käsiksi myös kirjastonsa kautta, mutta silloinkin kun se on mahdollista, artikkelien etsiminen on usein vaivalloista, kirjastojen ja kustantajien käyttöliittymät monasti kömpelöitä, ja käytetyt formaatit toisinaan epäkäytännöllisiä.

Sci-Hubista löytyy kaikki suoraan yhden hakurivin kautta kätevässä pdf-formaatissa. Sci-Hub on käytännöllinen varsinkin, kun tekee töitä yliopiston verkon ulkopuolella, mikä on viime aikoina yleistynyt. Monille ympäri maailmaa Sci-Hub on kätevän sijaan korvaamaton, koska heidän instituuteillaan ei ole varaa kustantajien kohtuuttomiin hintoihin – tai he eivät ole osa mitään instituutiota.

Elbakyan on Sci-Hubilla tehnyt avoimen tieteen eteen enemmän kuin kukaan muu 2000-luvulla. Tämän takia hänkin on oikeusjuttujen kohteena.

Elbakyanin henkilökohtaista vapautta on suojannut se, että hän ei asu Yhdysvaltojen eikä sen liittolaisten alueella. Elbakyan on Yhdysvalloissa määrätty maksamaan 19.8 miljoonaa dollaria korvauksia, mutta hän ei ole osallistunut oikeudenkäynteihin, eikä hänen ole tarvinnut välittää tuomioista.

Vaikka pääsy Sci-Hub-tietokantaan on estetty monissa maissa, jotka pyrkivät turvaamaan suuryritysten voittoja tieteellisen tiedon saatavuuden kustannuksella, tätä on helppo kiertää, koska sillä on monta eri osoitetta. Artikkelien varastointia ollaan varmuuden vuoksi siirtämässä myös hajautettuun muotoon.

Tieteelliset kustantajat American Chemical Society, Elsevier ja Wiley ovat nostaneet uuden oikeusjutun, jossa ne vaativat Intiaakin estämään pääsyn Sci-Hubiin. Elsevier on sattumoisin erityisen pahamaineinen tieteellisten instituutioiden hyväksikäyttäjä.

Elsevier ja kumpp. ovat ryydittäneet kannettaan perättömillä väitteillä siitä, miten Sci-Hub uhkaa tieteellisen tiedon luotettavuutta, yksittäisten ihmisten henkilökohtaisten tietojen turvallisuutta sekä kirjastojen turvallisuutta – laittamalla avoimesti saataville julkisesti julkaistuja tieteellisiä artikkeleita alkuperäisessä muodossaan. Tällaisten tarinoiden keksiminen osoittaa, että kustantajat eivät itsekään luota asiansa oikeutukseen.

Poikkeuksellisesti Elbakyan on Intiassa osallistunut oikeuskäsittelyyn. Syynä on se, että maan lainsäädäntö tunnustaa opetuskäyttöön liittyvän rajoituksen tekijänoikeuksiin. Intian tuomioistuinten päätöksellä saattaa olla esimerkillisiä seurauksia tieteelle tekijänoikeuksien uudelleen arvioinnin kautta.

Tieteellisten artikkelien tekijänoikeudet ovatkin omituinen tapaus. Niiden kohdalla termi tekijänoikeus on harhaanjohtava, englannin sana copyright –kopiointioikeus– on oikeampi. Tieteelliset kustantajat eivät ole artikkelien tekijöitä, tilaajia tai maksajia. Ne eivät nykyään tee niiden eteen muuta kuin yhdistävät kirjoittajan, editorin ja vertaisarvioijat, joista ketkään (paitsi joskus editorit) eivät edes saa kustantajalta maksua työstään.

Nykyinen tieteellinen julkaisujärjestelmä on tuhoisa, se syö miljardeja euroja tieteestä joka vuosi. Olen kirjoittanut tieteellisen julkaisemisen ongelmista aiemmin suomeksi täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä. Viimeisin katsaukseni on julkaistu englanniksi avoimen ja ilmaisen tieteellisen edelläkävijälehden Open Journal of Astrophysics blogissa.

Tekijänoikeusjärjestelmää tarvitaan taiteellisen, teknologisen, ja journalistisen työn tekijöiden toimeentulon turvaksi, mutta nykyisen tieteellisen julkaisemisen saralle sitä ei ole tarkoitettu, eikä se palvele siinä yhteistä etua.

Järjestelmä on luotu aikana, jolloin lehtiä julkaistiin vain paperilla. Tieteelliset artikkelit olivat saatavilla kirjastojen hyllyillä, missä niitä saattoi kuka tahansa käydä lukemassa. Jos kirjastossa ei ollut jotain artikkelia, sen valokopion saattoi tilata toisesta kirjastosta.

Nyt tieteellisten kirjastojen hyllyvalikoimia karsitaan, ja artikkelit etsitään pääsääntöisesti verkosta. Koska kustantajilla on oikeus artikkeleihin, ne vaativat maksua niistä joka vuosi uudelleen, vanhan kertamaksun sijaan. Niinpä vaikka kaupalliset kustantajat lopettaisivat julkaisemisen tänään, tiedeyhteisö joutuisi maksamaan omien kättensä hedelmistä suuryrityksille hamaan ikuisuuteen.

Ongelmaa voi ratkoa monesta suunnasta. On oleellista tukea avoimia verkkoarkistoja kuten arXivia ja niitä käyttäviä avoimia lehtiä. On myös aiheellista kysyä, miksi tutkijat tekevät vertaisarvioijina ja editoreina ilmaista työtä suuryrityksille, joiden voitot menevät muiden taskuihin.

Julkaisemisjärjestelmää uudistava open access -liike on toistaiseksi painottanut yhteistyötä ja neuvotteluita suuryritysten kanssa, ja tulokset ovat jääneet vaatimattomiksi. Miksi yritykset vapaaehtoisesti siirtyisivätkään vähemmän voittoja tuottavaan käytäntöön, saati edistäisivät toimintamalleja, jotka tekevät ne tarpeettomiksi?

Mutta vaikka julkaisutapa uudistettaisiin, vanhojen artikkelien saatavuuden voi taata vain siirtämällä ne yritysten holveista julkiseksi omaisuudeksi. Tämä edellyttää suoraa toimintaa, tai lakimuutosten ajamista kansalaistottelemattomuuden keinoin. Aaron Swartzin sanoin, tieteellisen perintömme pitäisi kuulua kaikille, ei olla suuryritysten lukkojen takana.

Näkymä keski-ikään

20.12.2021 klo 23.19, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Perjantaina koittaa pitkään odotettu päivä: jouluaattona 24.12. kello 14.20 Suomen aikaa James Webb Space Telescope (JWST) nousee avaruuteen. JWST:stä kiinnostuneille voi suositella Natalie Wolchoverin monipuolista artikkelia Quantassa.

Teleskooppia on suunniteltu yli 30 vuotta, se on 14 vuotta myöhässä, ja projekti on ylittänyt alkuperäisen budjettinsa 20-kertaisesti. JWST:n hinta on nyt noin kymmenen miljardia, samaa suuruusluokkaa kuin maailman suurimman tieteellisen koelaitteen, CERNin LHC-kiihdyttimen.

Viivytykset ja kustannusten paisuminen ei ole isojen kokeiden kohdalla poikkeuksellista, etenkin kun kyse on avaruuteen menevästä teknologiasta. Vuonna 1990 aloittanut JWST:n edeltäjä Hubble Space Telescope oli laukaistaessa ylittänyt budjettinsa kuusinkertaisesti, ja sen pääpeilissä oli iso hiomavirhe, jonka korjaaminen maksoi paljon lisää.

JWST on hienostuneempi ja vaikeampi laite, jonka hintaa kasvattaa sekin, että teleskooppi on liian iso mahtuakseen sellaisenaan rakettiin. Teleskooppi avautuu vasta avaruudessa kahden viikon aikana matkalla havaintoasemaansa, joka on puolentoista miljoonan kilometrin päässä Maasta suoraan poispäin Auringosta, tähtitieteen ja kosmologian satelliittien keitaassa.

Yksi syy JWST:n kokoon on se, että teleskooppi ei havainnoi näkyvää valoa, vaan havainnoi pääasiassa infrapunavaloa. Infrapunavalon aallonpituus on isompi kuin näkyvän valon (minkä takia silmämme eivät sitä havaitse). Koska kuvan tarkkuus riippuu valon aallonpituuden ja teleskoopin koon suhteesta, infrapunateleskoopin pitää olla isompi kuin näkyvän valon teleskoopin.

Infrapunavalo läpäisee osan tomusta, jonka taakse ei näkyvällä valolla pysty katsomaan. Lisäksi se auttaa JWST:n tärkeässä tutkimuskohteessa, eksoplaneettojen ilmakehän koostumuksen mittaamisessa ja elämän merkkien etsimisessä. Tämä tehdään katsomalla miltä planeettaa kierrättävän tähden valo näyttää silloin, kun se kulkee planeetan ilmakehän läpi ja silloin kun se menee planeetasta ohi. Ilmakehän molekyylit imevät tehokkaasti eripituisia infrapuna-aaltoja, eli poistavat ne havaitsemastamme tähden valosta, jättäen siihen sormenjälkensä. Samasta syystä infrapunahavaintoja on vaikea tehdä Maan pinnalta.

Kosmologian kannalta infrapuna-alue on tärkeä keski-ikäisen maailmankaikkeuden ymmärtämiselle. Maailmankaikkeus on noin 14 miljardia vuotta vanha. Valon äärellisen nopeuden takia mitä kauemmas katsoo paikassa, sitä varhaisempiin aikoihin näkee. Meillä on hyviä havaintoja muutamalta viime miljardilta vuodelta – niitä on helppo havaita, koska kohteet ovat lähellä ja niitä on paljon. Meillä on myös hyviä havaintoja varhaisesta maailmankaikkeudesta muutaman ensimmäisen minuutin kohdalta kevyiden alkuaineiden kautta ja 380 000 vuoden kohdalta kosmisen mikroaaltotaustan kautta. Mutta siitä välistä, kymmenien tai satojen miljoonien vuosien ajalta, havaintomme ovat puutteelliset.

Yksi ongelma on se, että mitä varhaisempiin aikoihin katsoo, sitä himmeämpiä kohteet ovat, eli sitä kauemmin joutuu tuijottamaan samaa kohtaa taivaasta niiden kiilun näkemiseksi. Toinen ongelma on se, että keski-iässä ja sitä aiemmin galakseja ja muita aineklimppejä on vähemmän nähtäväksi, kun niitä ei ole vielä ehtinyt paljon muodostua.

JWST näkee galakseja ja tähtiä ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli noin 200 miljoonaa vuotta vanha, kenties galaksien ja tähtien ensimmäisen sukupolven. Maailmankaikkeuden laajenemisen takia valon aallonpituus on noilta ajoilta venynyt noin 20-kertaiseksi, joten galakseista ja tähdistä näkyvän aallonpituuden alueella matkaan lähtenyt valo on nykyään infrapunavaloa. Samaan tapaan valo, joka irtosi aineesta maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuotta vanha, on venynyt tekijällä 1090, joten se on nykyään mikroaaltoja. JWST:n infrapunahavainnot paikkaavat aukkoa varhaisen ajan mikroaaltojen ja myöhäisen maailmankaikkeuden näkyvän valon välillä.

On epäselvää, miten galaksit ovat kasvaneet niin aikaisin niin isoiksi kuin mitä on havaittu, ja miksi niiden keskustojen mustat aukot ovat niin raskaita. Varhaisten galaksien näkeminen suoraan auttaa selvittämään näiden mustien aukkojen syntyä: miten ne ovat ehtineet kerätä romahtaneista tähdistä niin paljon massaa, vai tarvitaanko kenties niiden siemeniksi muinaisia mustia aukkoja, jotka ovat muodostuneet kauan ennen kuin tähtiä oli olemassa.

Tähtien saralla yksi eksoottinen ehdotus on se, että ensimmäisten tähtien pääasiallinen energianlähde ei ollut atomiydinten fuusio, vaan niiden keskustaan kertyneen pimeän aineen annihilaatio, ja JWST auttaa hylkäämään tai vahvistamaan tämän idean.

Näiden muutaman mainitsemani tutkimuskohteen lisäksi JWST:llä toteutetaan monia havaintoprojekteja ja luodataan useita tähtitieteen ja kosmologian kysymyksiä. JWST, kuten Hubble-teleskooppi, on yleislaite ja kiinnostavinta on se, mitä ei osata odottaa.

Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, JWST aloittaa datan keräämisen kesällä. Teleskoopin on määrä toimia vähintään 5 ja toivottavasti ainakin 10 vuotta, ja usein satelliitit kestävät suunniteltua pidempään. Mutta ensin saa jännittää sitä, saadaanko laite laukaistua onnistuneesti taivaalle ja avautuuko se ongelmitta.

Päivitys (21/12/21): Korjattu, että JWST havaitsee myös näkyvää valoa.

---

Kehityskeskustelua

12.12.2021 klo 20.58, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Koska fysiikan tutkimuskysymykset ovat pitkälle erikoistuneita ja niiden setvimiseen käytetty matematiikan kieli on kovin erilainen hyvin inhimillisen ajattelun ja viestinnän välineiksi kehittyneet kielet (kuten suomi ja englanti), tutkimuksen ja sen populaarin esityksen välillä on kuilu. Tämän takia popularisoinnista ei ole juuri hyötyä tutkimuksen tekemiselle. Asian kääntöpuoli on se, että kun lähestyy fysiikkaa yleistajuisen selittämisen kannalta, tulee pohtineeksi sellaisia kysymyksiä, joita ei tutkiessa ajattele.

Esimerkki tästä on se, että kun valmistelin viime kuussa Harppi-festareille esitystä kosmisesta inflaatiosta, mietin pitäisikö minun sanoa, että fyysikot ovat löytäneet inflaation vai että he ovat kehittäneet sen.

Kehittämisen puolesta puhuu se, että fysiikan malleja ja teorioita ei voi suoraan havaita tai mitata kokeista kuin uusia saaria tai eläinlajeja. Lisäksi mallien ja teorioiden tekeminen on sosiaalista ja luovaa toimintaa, missä keksitään erilaisia ideoita, laitetaan tunnettuja palasia yhteen ja ehdotetaan uusia. Havainnoilla on touhussa joskus isompi ja joskus pienempi rooli. Toisinaan, kuten inflaation ja yleisen suhteellisuusteorian kohdalla, lähes kaikki havainnot tehdään vasta mallin tai teorian esittämisen jälkeen. Silloinkin kun havainnot ovat keskeisiä, niiden tehtävä on auttaa valitsemaan sopiva jatke tunnetuille teorioille.

Kehittämisestä sopisi puhua senkin takia, että suurin osa fyysikkojen malleista ja teorioista on väärin. On esitetty satoja erilaisia malleja siitä, miten inflaatio on täsmälleen tapahtunut: inflaatiosta vastuussa oleva kenttä voi vuorovaikuttaa eri tavalla ja johtaa erilaisiin ennusteisiin, tai kenttiä voi olla useita. Näistä malleista korkeintaan yksi kuvaa todellisuutta, tai koko idea inflaatiosta saattaa olla väärin. Tuntuisi oudolta sanoa, että voi löytää asian, jota ei ole olemassa.

Ilmaisu löytäminen voi toisaalta olla sopiva siksi, että fysiikan teoriat kuvaavat todellisuuden piirteitä, jotka eivät riipu siitä, ovatko ihmiset vielä ymmärtäneet niitä vaiko eivät. Asiaa voi hahmottaa siten, että on olemassa äärettömän monta erilaista matemaattista rakennetta, eli tapaa yhdistää asioita loogisesti toisiinsa. Niistä kuitenkin vain yksi kuvaa todellisuutta, eli on fysiikkaa. (Tämä on yksinkertaistettu kuva. Oikeasti fysiikan eri alueiden kuvaamisessa käytetään monia matemaattisia rakenteita, jotka eivät välttämättä ole täsmällisesti yhteensopivia, mutta kuvaavat joitakin piirteitä tarpeeksi tarkasti. Ilmiö nimeltä emergenssi liittyy tähän.)

Fysiikan tutkimuksen voi käsittää luonnonlakien etsimisenä matematiikan maastosta havaintoja apuna käyttäen, ja siten on sopivaa puhua löytämisestä. Käytännössä tämä näkyy siten, että kun ollaan oikeilla jäljillä, niin asiat loksahtavat kohdalleen rakenteen ohjatessa ajattelua.

Esimerkiksi kosmisen inflaation haluttiin kestävän pitkään, jotta se ehtisi tasoittaa avaruuden ja tehdä siitä saman näköisen kaikkialla. Siksi esitettiin, että inflaatiota ajavan kentän arvo muuttuu hyvin hitaasti, jotta siltä kestää kauan heikentyä niin paljon, että inflaatio loppuu. Koska kenttä on melkein samanlainen koko inflaation ajan, myös sen kvanttivärähtelyt ovat melkein samanlaisia. Mitä varhaisemmin kvanttivärähtelyt syntyvät, sitä pidemmäksi ne ehtivät venyä avaruuden koko ajan laajetessa.

Niinpä inflaatio ennustaa oikein, että kvanttivärähtelyistä periytyvät kosmisessa mikroaaltotaustassa ja galaksien ison mittakaavan jakaumassa näkyvät epätasaisuudet ovat melkein samanlaisia niiden pituudesta riippumatta. Vielä tarkemmin, koska inflaation aikana kentän arvo laskee hitaasti, sen energiatiheys pienenee ja kvanttivärähtelyt heikkenevät vähän. Inflaatio siis ennustaa, että varhaisempina aikoina syntyneet eli pidemmiksi venyneet epätasaisuudet ovat hieman voimakkaampia, minkä havainnot ovat osoittaneet oikeaksi.

Pimeän aineen kohdalla on käynyt samoin. Pimeän aineen näkymättömyys on selitetty sillä, että se koostuu hiukkasista, joilla ei ole sähkövarausta. Tästä seuraa se, että ne eivät voi muodostaa molekyylejä ja siksi jäähtyä ja klimppiytyä yhtä tehokkaasti kuin tavallinen aine. Tämä selittää sen, että tavallinen aine on tiivistynyt galaksien keskustaan ja pimeä aine on levittäytynyt laajemmalle.

Samalla tulee selväksi, miksi galaksit muodostuvat niin varhain. Kosmisesta mikroaaltotaustasta näkyy, että 14 miljardia vuotta sitten tavallisen aineen tiheys oli sama kaikkialla sadastuhannesosan tarkkuudella. 14 miljardia vuotta on liian lyhyt aika sille, että noin pienistä epätasaisuuksista syntyisi galakseja. Koska pimeä aine ei vuorovaikuta valon kanssa, se ei näy suoraan kosmisessa mikroaaltotaustassa, ja sen tiheyserot ovat isompia kuin tavallisessa aineessa, ja nopeuttavat galaksien muodostumista pimeän aineen kasojen vetäessä tavallista ainetta puoleensa.

Ainoa vaihtoehto pimeälle aineelle on se, että gravitaatiolaki on erilainen kuin yleisessä suhteellisuusteoriassa. Tässä tapauksessa on kuitenkin pitänyt keksiä erilaisia ideoita eri havaintojen selittämiselle, sen sijaan että kaikki seuraisi suoraan yhdestä ideasta. Tämä on yksi syy siihen, miksi pimeää ainetta pidetään huomattavasti todennäköisempänä selityksenä.

On tietysti myös matemaattisia rakenteita, jotka jonkin aikaa näyttävät sopivan havaintoihin mutta osoittautuvat sitten vääriksi. Esimerkki tästä on suurten yhtenäisteorioiden kosmiset säikeet vaihtoehtona inflaatiolle.

Voisi sanoa, että väärätkin teoriat on löydetty matematiikan maastosta. Mutta minusta tuntuu silti, että löytämisestä sopii puhua vain oikeaksi osoittautuneiden teorioiden ja mallien kohdalla. Inflaatio on hyvin onnistunut idea, mutta sitä voi vielä järkevästi epäillä. Ehkä minun olisi Harppi-festareilla pitänyt puhua kehittämisestä eikä löytämisestä, vaikka tuntuukin siltä, että ollaan lähellä aikaa, jolloin tuo sana on paikallaan.

---

Mittaamaton sekunti

30.11.2021 klo 00.13, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Maailmankaikkeuden historia tunnetaan havaintojen puolesta varsin hyvin sekunnista eteenpäin. Vaikka ensimmäinen sekunti on inhimillisesti mitattuna lyhyt aika, sen aikana voi kosmologisesti tapahtua paljon. Esimerkiksi jos aksioneja on olemassa ja aksionisäikeitä muodostuu, niiden koko elämänkaari mahtuu muutamaan ensimmäiseen mikrosekuntiin.

Kosmologit hahmottavat varhaisen maailmankaikkeuden vaiheita ennemmin energian kuin ajan kautta. Koska maailmankaikkeus laajenee, varhaisempina aikoina aineen energiatiheys (energia jaettuna tilavuudella) oli isompi. Energiatiheys kertoo, mikä on hiukkasten ja niiden välisten reaktioiden tyypillinen energia.

Energialle on yläraja – inflaation energiaskaala oli korkeintaan 10^19 kertaa niin iso kuin energiaskaala ensimmäisen sekunnin aikaan ja 10^28 kertaa niin iso kuin nyt. Jos energiaskaala olisi ollut korkeampi, inflaation aikana syntyneet gravitaatioaallot olisivat niin vahvoja, että ne olisi jo havaittu.

Ensimmäinen sekunti saattaa siis pitää sisällään yli miljardi miljardia kertaluokkaa energioita. Mitä korkeammissa energioissa ollaan, sitä nopeammin maailmankaikkeus laajenee, ja sitä nopeammin energia laskee. Mutta reaktiot vastaavasti tapahtuvat sitä kiivaammin, mitä isompi energia on, joten lyhyeen ajanjaksoon sisältyy sitä enemmän tapahtumia.

Fysiikan tutkimuksessa on tähän mennessä tullut vastaan uudenlaisia ilmiöitä korkeampiin energioihin päästessä. Atomiytimien energiaskaala on noin miljoona kertaa isompi kuin molekyylien ja atomien; protonien ja neutronien energiaskaala on noin kymmenen-sata kertaa isompi kuin ytimien; ja korkein tunnettu energiaskaala, joka liittyy Standardimallin sähköheikkoon vuorovaikutukseen, on siitä tuhatkertainen.

CERNin LHC–kiihdytin kurkottaa sähköheikkoa skaalaa sata kertaa korkeampiin energioihin, ja yleisesti odotettiin, että se (ja jo LHC:tä edeltäneet kiihdyttimet, kuten Fermilabin Tevatron) veisi meidät tuntemattoman fysiikan äärelle, mutta tässä on kohdattu pettymys. Energian kasvattaminen kiihdyttimissä kymmen- tai satakertaiseksi vaatii vuosien panostuksen yhä kehittyneempiin laitteisiin. Varhaisessa maailmankaikkeudessa kaikki käydään läpi sekunnissa, mutta ongelmana on se, että havaintojen puolesta ollaan täysin sen varassa, mitä meille jää mitattavaksi.

Ensimmäisen sekunnin rajapyykki tunnetun ja tuntemattoman välillä määräytyy siitä, että silloin alkaa tapahtumasarja, jossa protonit ja neutronit yhtyvät kevyiksi atomiytimiksi, joiden suhteelliset määrät voi nykypäivänä mitata. (Ottaen huomioon sen, miten niitä on myöhemmin rikottu ja koottu tähdissä.) Sen sijaan esimerkiksi mikrosekunnin aikaan tapahtunut kvarkkien yhtyminen protoneiksi ja neutroneiksi ei luultavasti jätä tarpeeksi isoja kosmologisia jälkiä, että pystyisimme niitä erottamaan, vaikka tapahtuma on pystytty toistamaan kiihdyttimissä.

Tavallaan kolme neljästä kosmologian isosta kysymyksestä koskee varhaisten tapahtumien jälkiä. Pimeä aine, näkyvän aineen ja antiaineen epäsuhdan synty, ja rakenteen siemenet (jotka inflaatio selittää) ovat kaikki jäänteitä muinaisilta ajoilta. (Neljännen ison kysymyksen, maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen, kohdalla ei olla niin varmalla maaperällä, että osattaisiin sanoa, liittyykö sen selitys varhaisen maailmankaikkeuden tuntemattomiin tapahtumiin.)

Lisäksi erilaisiin teoreettisiin ideoihin liittyy ennustuksia uudenlaisista merkeistä, joita ei ole vielä havaittu. Tällä hetkellä huomio on kiinnittynyt muinaisten aikojen gravitaatioaaltoihin, joita voi syntyä Higgsin kentän kuplista, aksionisäikeistä, tai muista tapahtumista. Gravitaatioaaltojen hyvä puoli on se, että koska ne vuorovaikuttavat niin heikosti, ne eivät syntynsä jälkeen juuri häiriinny maailmankaikkeuden tapahtumista, ja kantavat siksi ikuisuuteen tietoa kaikesta mitä on koskaan tapahtunut. Huono puoli on se, että koska gravitaatioaallot vuorovaikuttavat niin heikosti, niitä on vaikea havaita.

Kosmologien näkökulmasta ensimmäinen sekunti on mittaamaton alue, joka kätkee uumeniinsa vastaukset kysymyksiin maailmankaikkeuden koostumuksesta ja rakenteista, ja josta meillä on ristiriitaisia ja vajaita teoreettisia karttoja.

---

Vinot kuvat

13.11.2021 klo 17.36, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yksi tämän vuoden odotetuimpia kosmologisia havaintoja on tutkimusryhmän Dark Energy Survey (DES) ensimmäisen kolmen vuoden tulokset. DESin jäsen Elisabeth Krause puhui niistä viime viikolla etänä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa.

DES otti vuosina 2013-19 Chilessä Andeissa olevalla teleskoopilla kuvia galakseista. Ensimmäisen kolmen vuoden aikana se mittasi yli sadan miljoonan galaksin paikat ja muodot. Projektin pääasiallinen tarkoitus on selvittää, vastaavatko havainnot yksinkertaisimman pimeän energian mallin eli tyhjön energian ennustuksia.

Tyhjön energiaa on esitetty maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen selitykseksi 1990-luvun puolivälistä alkaen, ja havainnot ovat lähes kokonaan sopineet sen ennustuksiin. Tervetulleeksi ongelmaksi on kuitenkin noussut se, että kosmisesta mikroaaltotaustasta päätelty arvo maailmankaikkeuden laajenemisnopeudelle on hieman pienempi kuin läheisistä supernovista suoraan mitattu arvo.

Koska kosmologisten havaintojen analysoimisessa on vaikea varmistaa, että kaikki mahdolliset virhelähteet on otettu kunnolla huomioon, kahden havaintotavan ristiriidan ratkaisemiseksi on tärkeää verrata kolmannenlaiseen havaintoon. Galaksien paikat ja muodot ovat hyvä kolmas tie, koska niihin vaikuttavat tekijät tunnetaan hyvin, galakseja on paljon ja niitä on helppo havaita.

Krausen esitys havainnollisti sitä, miten monipolvisia nykyiset analyysit ovat, ja miten paljon vaivaa virheiden ruotimiseen nähdään. Yksi merkittävä mahdollinen virheiden lähde liittyy ihmisten tapaan hyväksyä helpommin sellaisia vastauksia, jotka ovat sopusoinnussa aiemmin tunnetun kanssa. Fysiikassa tämä voi johtaa siihen, että virheitä etsitään hanakammin silloin, kun tulokset poikkeavat mallin ennusteista. Vastaavasti jos kaikki näyttää vastaavan odotuksia, virheitä saatetaan jättää etsimättä.

Tämän välttämiseksi on yhä tavallisempaa, että havainnot analysoidaan sokkona, niin että tutkijat itsekin näkevät tulokset vasta kun analyysi on valmis. DESin tapauksessa sen mittaamiin asioihin kuten maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen lisätään sattumanvaraisesti luku, joka paljastetaan vasta kun on päätetty mitä kaikkia virheitä otetaan huomioon ja ratkaiseva analyysi on tehty.

Maailmankaikkeuden laajeneminen vaikuttaa siihen, kuinka paljon galakseja muodostuu ja miten ne ovat jakautuneet. Mitä nopeammin avaruus laajenee, sitä vaikeampi tiheiden alueiden on romahtaa galakseiksi. Lisäksi, mitä nopeammin avaruus laajenee, sitä kauemmas galaksit ovat meistä etääntyneet. Tämä etäisyys vaikuttaa siihen, miten niiden muodot vääristyvät valon taipumisen takia, minkä selvittämisessä DES on omimmillaan.

Ensimmäinen yleisen suhteellisuusteorian kokeellisesti testattu ennustus oli se, että gravitaatio vaikuttaa valon kulkuun. Kun valon taipuminen Auringon lähellä mitattiin vuoden 1919 auringonpimennyksen aikaan, yleisestä suhteellisuusteoriasta tuli tiedeyhteisössä hyväksytty, ja sen pääasiallisesta kehittäjästä Albert Einsteinista tuli tiedejulkkis. Kuten fysiikassa usein käy, tämä gravitaatiolinssi-ilmiö on siirtynyt teorian testaukseen käytetystä ainutlaatuisesta kokeesta jokapäiväiseksi työkaluksi.

Jos tarkalleen meidän ja valonlähteen välissä on iso massakeskittymä, kohteen kuva voi vääristyä kokonaan. Tätä kutsutaan vahvaksi gravitaatiolinssi-ilmiöksi. Tämä on poikkeuksellista, koska yleensä taivaalla näkyvät massat eivät ole sopivasti linjassa. Mutta koska ainetta on joka paikassa, kaikkien näkemiemme kosmisten kappaleiden kuvat ovat hieman vinoutuneita. Tätä kutsutaan heikoksi gravitaatiolinssi-ilmiöksi, ja se on yksi kosmologian merkittävimpiä uusia havaintoväyliä.

Jos galaksi olisi tismalleen pyöreä, niin heikon gravitaatiolinssi-ilmiön takia se puristuisi yhdestä suunnasta ja venyisi toisesta noin prosentin verran. Koska galakseilla on erilaisia muotoja ja näemme niitä eri kulmista, tätä ellipsiksi vääntymistä ei yksittäisen galaksin kohdalla voi erottaa (toisin kuin vahvaa gravitaatiolinssi-ilmiötä). Se tulee näkyviin vasta kun tarkastellaan isoa määrää galakseja ja katsotaan, mihin suuntaan ne ovat keskimäärin kallellaan. DES määrittää myös galaksien etäisyydet vain tilastollisesti, ei kaikille yli sadalle miljoonalle kohteelle erikseen.

DES pitää kirjaa galaksien kasautumisesta, muodon vinoutumisesta, ja näiden kahden riippuvuudesta toisistaan. Ensin koeryhmä tarkistaa, antavatko kaikki kolme havaintosarjaa yhtäpitävät tulokset laajenemisnopeudelle ja muille suureille, ja tämän toteamisen jälkeen ne yhdistetään isomman tarkkuuden saamiseksi. Osassa DESin havaintoja lähellä olevat galaksit näyttävät kasautuvan vahvemmin kuin muiden havaintojen perusteella odottaisi; tässä on luultavimmin kyse jostain niiden analyysiin liittyvästä ongelmasta.

Analyysiä oli tekemässä yli 200 ihmistä, ja se kesti noin neljä vuotta – kauemmin kuin datan kerääminen. Tulosten raportoiminen vei 29 artikkelia, satoja sivuja siis. Kuten nykyään lähes aina, oikean datan analysoimista edelsi suuri määrä simulaatioita, joilla testattiin, että menetelmät toimivat kuten pitää.

Pitkän työn tuloksena on se, että kaikki sopii yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa. Aiemmin vaikutti siltä, että galaksien kasaantuminen olisi heikompaa kuin mitä kosmisen mikroaaltotaussa näkyvien rakenteen siementen perusteella pitäisi. Ilmeisesti kyse oli kuitenkin vain sattumasta, koska näissä tarkemmissa havainnoissa ei tällaista eroa näy. Mitä laajenemisnopeuteen tulee, kun DESin laittaa yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, ristiriita supernovahavaintojen kanssa on nyt entistä jyrkempi.

Olen usein kirjoittanut väitetyistä, vihjatuista ja todellisista löydöistä, mutta niille pohjan luo huolellinen työ, jossa tarkennetaan jo tunnettua ja kehitetään menetelmiä löytämättä mitään uutta.

DES setvii parhaillaan lähellä olevien galaksien kasautumiseen liittyvää poikkeamaa, sekä analysoi kuusivuotiskauden jälkimmäisen kolmen vuoden havaintoja. Seuraava iso askel heikkojen gravitaatiolinssien ja pimeään energiaan liittyvien mittausten saralla on Euroopan avaruusjärjestö ESAn satelliitti Euclid, jonka odotettu taivaaseen nousemisen ajankohta on juuri siirtynyt ensi vuoden loppupuolelta vuoden 2023 alkupuolelle.