Kosmokseen kirjoitettua

Äänen jalanjäljet

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Toinen donitsi

16.5.2022 klo 12.06, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Kaikenlaisiin aihetta koskeviin kysymyksiin saa vastauksia 30. toukokuuta.

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

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

Kasvu vastaan kehitys

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

Kummajaisesta käyttötavaraksi

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

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

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

---

Kylmä jälki

11.4.2022 klo 09.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Vastavuoroinen suhde

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

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.