Kosmokseen kirjoitettua

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.

---

Näkymätön valuvika

31.10.2021 klo 14.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tällä viikolla Malte Buschmann Princetonin yliopistosta puhui etänä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa aksionisäikeistä.

Aksionit olivat yksi ensimmäisiä ehdotuksia pimeäksi aineeksi. Kuten monet kiinnostavat pimeän aineen ehdokkaat, aksionit kehitettiin alun perin muihin tarkoituksiin, tässä tapauksessa värivuorovaikutusten teorian kauneusvirheen paikkaamiseksi. Pian kuitenkin hahmotettiin, että koska aksionit vuorovaikuttavat heikosti valon kanssa (eli ovat näkymättömiä), samoin kuin tavallisen aineen ja toistensa kanssa, ne ovat sopivat mainiosti pimeäksi aineeksi.

Toistaiseksi aksioneista –kuten muistakaan pimeän aineen ehdokkaista– ei ole mitään todisteita. Lukuisat kokeet ympäri maailmaa etsivät aksioneja käyttäen hyväksi sitä, että ne sekoittuvat valon kanssa. Esimerkiksi voi osoittaa lampulla seinää, jonka kummallakin puolella on magneettikenttä. Valo voi magneettikentässä muuttua aksioniksi, mennä seinän läpi ja muuttua toisella puolella takaisin valoksi, eli voi nähdä valon hohtavan seinän läpi. CERNin CAST-kokeen idea on samanlainen. Kokeessa on Aurinkoa kohti osoittava putki, jonka sisällä on magneettikenttä. Jos aksioneja on olemassa, niitä syntyy Auringossa ja matkaa sieltä Maapallolle, ja ne voivat putkessa muuttua valoksi.

Etsinnän ongelmana on se, että aksionit muuttuvat valoksi ja toisinpäin vain jos magneettikentän voimakkuus vastaa aksionin massaa. Niinpä magneettikenttä pitää säätää jokaiselle massalle erikseen, mikä tekee vaihtoehtojen läpikäymisestä hidasta.

Pimeän aineen massatiheys (paljonko massaa on kuutiometrissä) kuitenkin tiedetään, koska sen gravitaatiovaikutus on mitattu monin tavoin. Jos pimeä aine koostuu aksioneista ja tiedettäisiin niiden lukumäärätiheys (montako hiukkasta on kuutiometrissä), niin massatiheyden jakaminen sillä kertoisi aksionin massan, mikä nopeuttaisi sen löytämistä. Buschmann ja hänen yhteistyökumppaninsa juurikin laskivat, paljonko aksioneja on.

Aksioneihin liittyy useita mielenkiintoisia ilmiöitä, mikä on kaunis tapa ilmaista, että niiden lukumäärän laskeminen on vaikeaa. Aksionikenttä, kuten Higgsin kenttä, jäätyy tiettyyn muotoon lämpötilan laskiessa ajan myötä. Higgsin tapauksessa voi muodostua kuplia, joiden törmäykset synnyttävät gravitaatioaaltoja, mutta lopulta kenttä tasoittuu kaikkialla samanlaiseksi.

Aksionien tapauksessa kenttä sen sijaan jäätyy eri kohdissa eri suuntiin, ja alueiden väliin jää ohuita valuvikoja, joita sanotaan säikeiksi. Säikeet hajoavat viimeistään kvarkkien sitoutuessa protoneiksi ja neutroneiksi maailmankaikkeuden ollessa noin mikrosekunnin ikäinen, ja niistä jää jäljelle vain aksionihiukkasten aallokko. Tästä voi katsoa Buschmannin ja kumppaneiden simulaatioita säikeiden synnystä ja tuhosta.

Noiden parinkymmenen sekunnin simulaatioiden tekemisessä on iso työ niin ihmisellä kuin koneella (noin neljä miljoonaa CPU-tuntia, asiaa tunteville). Säikeiden paksuus on hiukkasfysiikan suuruusluokkaa, mutta niiden pituus on kosmisissa mitoissa. Tässä tapauksessa mittakaavojen ero on sama kuin jos pitäisi valovuoden alueella seurata yksittäisten atomiydinten sisärakennetta. Ongelma ratkaistaan siten, että simulaation aikana säädetään resoluutiota sen mukaan, missä kohtaa ollaan, käyttäen isoa tarkkuutta vain säikeiden lähellä.

Simulaatio osoittaa, että säikeiden hajoamisessa syntyvät aksionit muodostavat suurimman osan maailmankaikkeuden aksioneista, ja niiden massa on noin kymmenesmiljardisosa elektronin massasta. (Sivumennen sanoen, ne ovat aivan liian kevyitä, jotta sopisivat kokeen XENON1T viime vuonna ilmoittamaan mahdolliseen signaaliin, jota on aksionienkin avulla yritetty selittää.)

Buschmann kumppaneineen aikovat seuraavaksi laskea, synnyttävätkö säikeet aksionien lisäksi tarpeeksi voimakkaita ja sopivan pituisia gravitaatioaaltoja havaittaviksi. Jos nähtäisiin sekä oikeanlaiset gravitaatioaallot että aksionihiukkanen, pimeän aineen olemus ja alkuperä olisi järkevän epäilyn ulkopuolella.

Entä jos ennustetun massaista aksionia ei löydykään? Onneksi tai valitettavasti, näkökulmasta riippuen, aksionit voisivat silti olla pimeää ainetta. On nimittäin mahdollista, että aksioni jäätyy ennen kosmisen inflaation alkua. Silloin eri asentoihin jäätyneet alueet venyvät inflaation aikana niin paljon, että meidän näkemämme osa maailmankaikkeudesta mahtuu yhden sellaisen sisälle. Tällöin meidän nurkkaukseemme maailmankaikkeudesta (halkaisijaltaan noin 100 miljardia valovuotta) ei ole luultavasti sattunut yhtään säiettä, ja aksionit syntyvät eri tavalla.

Aksionien suosio on viime vuosina kasvanut pääasiassa siksi, että muitakaan pimeän aineen hiukkasia (erityisesti nynnyjä) ei ole löytynyt, ja samalla on opittu ymmärtämään aksioneja paremmin. Nyt on intouduttu tekemään aksioneilla muutakin kuin pimeää ainetta, esimerkiksi yrittää ratkaista saman tien kaksi muuta kosmologian neljästä suuresta ongelmasta, kosmisen inflaation ja aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan. (Neljänteen, pimeään energiaan, ne eivät luontevasti taivu.) Tämä on hyvä esimerkki siitä, että monien teorioiden ja ideoiden syvyyttä ja mahdollisuuksia ei hahmoteta ennen kuin niitä katsotaan oikeasta näkökulmasta.

---

Taide ja tähtitaivas

24.10.2021 klo 16.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun keskiviikkona 24.11. kello 16 taideyliopiston Kuvataideakatemian tilaisuudessa Taide ja tähtitaivas otsikolla Kaikkeuden epäinhimillinen kauneus. Puheen esittely on seuraava:

Kun Aurinko vajaan kahdeksan miljardin vuoden kuluttua sammuu, ihmiskunta on kuollut sukupuuttoon kauan sitten. Silti Auringon loppu ja Maapallon tuho herättää surua. Ihmiset ovat tottuneet katsomaan maailmaa inhimillisen linssin kautta, joten epäinhimillisen maailmankaikkeuden tapahtumia verrataan ihmiselämään. Toisaalta ihmisille on kehittynyt tilan ja muotojen hahmottamiseen abstraktin ajattelun välineitä, joita on mahdollista soveltaa maailmankaikkeuden täsmälliseen ymmärtämiseen ja epäinhimillisen kauneuden kokemiseen.

Tilaisuudessa puhuvat myös kulttuurintutkija Maarit Leskelä-Kärki otsikolla Avaruus ja suru, tähtitieteilijä Hannu Karttunen otsikolla Tähtikarttojen taidetta ja taiteilija Elina Saloranta otsikolla Kirje Liisiltä.

---

Rakentava luovuus

21.10.2021 klo 23.46, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin viime kuussa uudesta tiedelukutaidon peruskurssista, jossa kerrotaan muun muassa siitä, millainen rakenne tieteellisillä artikkeleilla on.

Fysiikan artikkeleissa on tyypillisesti ensin johdanto, jossa kerrotaan taustoja, käydään läpi aiempaa tutkimusta ja tiivistetään mitä artikkelissa tehdään. Joskus siinä myös esitetään tiivistelmä tuloksista. Seuraavaksi on varsinainen sisältö, eli teoreettiset laskut tai selitys siitä mitä havaintoja on tehty ja miten. Lopuksi tiivistetään keskeiset tulokset ja kommentoidaan avoimeksi jääneitä kysymyksiä. Ei ole tavatonta, että artikkelista luetaan vain johdanto ja johtopäätökset, kun halutaan saada pikainen käsitys siitä, mistä on kysymys.

Fyysikot oppivat tieteellisten artikkelien kirjoittamisen samalla tavalla kuin muunkin tutkimustyön: ei sääntöjä lukemalla tai metodeja erikseen opettelemalla, vaan tekemällä asioita käytännössä ja seuraamalla muiden esimerkkiä. Niinpä tutkijat eivät ajattele tutkimusartikkelien rakennetta rajoitteena, vaan ovat sisäistäneet sen ilmeiseltä tuntuvana parhaana ratkaisuna. Tällainen yhteisön normien omaksuminen on osa tutkijaksi kehittymistä väitöskirjatyössä.

Fysiikassa on omat, enimmäkseen kirjoittamattomat, sääntönsä siitä, millaista kieltä sopii käyttää. Tyypillisesti suositaan hillittyä ilmaisua, yksinkertaisia virkkeitä ja rajattua sanavarastoa. Eräs kuriositeetti on se, että itseensä viittaamista yksikössä (”sijoitan nyt yhtälön”) pidetään ylimielisenä. Sen sijaan kuninkaallista monikkoa (”sijoitamme nyt yhtälön”) pidetään neutraalina tapana kirjoittaa tekemisistään.

Fysiikan artikkelien avainsisältö ilmaistaan matemaattisesti: sanat sitovat yhtälöitä toisiinsa, selittävät miksi asioita lasketaan, ja tulkitsevat mitä tuloksista pitäisi ajatella. Tämä tarjoaa paljon mahdollisuuksia tyylittelyyn, ja artikkeleita on muodollisia ja vapaita, nokkelia ja eteenpäin voimalla puskevia. Matemaattista ilmaisua on monenlaista, mutta suurin osa fysiikan artikkeleista on matemaatikkojen näkökulmasta toivottoman epämääräisiä, niissä kun tehdään kaikenlaisia yksinkertaistuksia ja oletuksia ilman huolellista perustelua.

Joskus oikopolut tunnetaan tarkasti, joskus niitä ei tulla ajatelleeksi. Kun lukee tutkimuksia vuosikymmenten takaa, jolloin viitekehys oli hieman erilainen, huomaa miten riippuvaista fysiikan artikkeleiden sujuva ymmärtäminen on siitä, että asiat esitetään sopivassa muodossa ja tutulla tavalla.

Toisin kuin tuloksista kirjoittamiselle, tutkimuskohteiden valitsemiselle ei ole selkeitä sääntöjä, eikä ole ohjenuoraa, jonka seuraaminen aina veisi oikeiden vastausten luo. On tavallista, että artikkeleissa esitetään puolivalmiita ajatuksia ja ehdotellaan kaikenlaisia mahdollisuuksia. Yhteinen esitystapa auttaa ymmärtämään ehdotuksia, ja ideoiden arvo riippuu siitä, miten ne on asetettu tunnettuun viitekehykseen.

Suurin osa tutkimuksesta on huolellista matkaamista eteenpäin tunnetuin menetelmin. Joskus kehitetään uusia lähestymistapoja, ja avataan tuntemattomia reittejä, jotka aiempien karttojen tarkka tunteminen tekee mahdolliseksi. Toisinaan tulokset –sitten kun ne on tehty ymmärrettäviksi– tuntuvat ilmeisiltä, niin että ihmettelee, miksi tätä ei löydetty aiemmin, toisinaan taas hämmästelee, miten kukaan on tullut tuota ajatelleeksi.

Tällainen kurinalainen luovuus ei ole ainutlaatuista teoreettiselle fysiikalle. Esimerkiksi jotkut fiktion kirjoittajille tarkoitetut ohjeet ovat minusta olleet hyödyksi, eivät niinkään selvärakenteiselle tieteelliselle kirjoittamiselle, kuin sille miten käyttää tutkimuksen vapautta hedelmällisesti.

Ulos umpikujista

11.10.2021 klo 17.52, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehteen Rihveli 2/2021 artikkelin Ulos umpikujista kvanttifysiikan kehityksestä ja epämääräisestä todellisuudesta. (Artikkeli on vapaasti luettavissa linkin takana.) Kerron muun muassa näin:

Pitkään monet pitivät kvanttimekaniikan taustalla olevan todellisuuden pohtimista tuhoon tuomittuna touhuna. Kuten fyysikoiden fyysikko Richard Feynman totesi vuonna 1964: ”Älä kysy itseltäsi, jos vain voit välttää sitä, ”Miten voi olla näin?”, koska menet hukkaan ja joudut umpikujaan, josta kukaan ei ole paennut. Kukaan ei tiedä miten voi olla näin.”

Onneksi kaikki eivät uskoneet varoituksia, ja kvanttimekaniikan ymmärtämisessä on 1980-luvulta lähtien edistytty paljon.