Kosmokseen kirjoitettua

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.

Taivas ei hohda pimeää

30.9.2021 klo 16.28, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kaikki näkemämme planeetat, tähdet, galaksit ja muut kappaleet koostuvat aineesta, eivät antiaineesta. Kun hiukkanen kohtaa antihiukkasensa, ne annihiloituvat eli muuttuvat toisiksi hiukkasiksi, usein fotoneiksi eli valoksi. Jos jotkut maailmankaikkeuden rakenteet koostuisivat protonien, neutronien ja elektronien sijaan niiden antihiukkasista, niin antiaineen ja tavallisen aineen rajalta näkyisi annihilaatiossa syntyvää korkeaenergistä säteilyä, mitä ei ole havaittu.

Syynä aineen ylivoimaan on se, että kaikki antiaine kului loppuun maailmankaikkeuden ensimmäisen kymmenen sekunnin aikana. Ainetta oli miljardisosan enemmän, ja näkemämme rakenteet koostuvat tuosta pienestä ylijäämästä –kosminen mikroaaltotausta taasen on enimmäkseen tuossa alkuaikojen annihilaatiossa syntynyttä valoa.

Näkymättömän aineen kohdalla tilanne voi olla toinen. Pimeäksi aineeksi on monenlaisia ehdokkaita, mutta pitkään suosituin oli WIMPpien (suomeksi siis nynnyjen) nimellä kulkevat hiukkaset.

Kuten näkyvä aine ja antiaine, varhaisessa maailmankaikkeudessa pimeä aine ja antiaine annihiloituvat. Kun maailmankaikkeus laajenee, aineen tiheys laskee. Jossain vaiheessa tiheys on niin pieni, että pimeän aineen hiukkaset eivät enää löydä toisiaan, ja annihilaatiot loppuvat. Tyypillisille nynnyille tämä tapahtuu noin sekunnin miljardisosan aikoihin.

Pimeän aineen hiukkasia ja antihiukkasia jää jäljelle yhtä monta, toisin kuin näkyvän aineen tapauksessa. Tämä johtuu siitä, että pimeä aine vuorovaikuttaa heikommin kuin näkyvä aine, eikä siksi annihiloidu yhtä tehokkaasti. Pimeää ainetta ei myöskään aluksi ollut enemmän kuin antiainetta. Mitä vahvemmin pimeä aine vuorovaikuttaa, sitä tehokkaammin se annihiloituu, ja sitä vähemmän nynnyjä on jäljellä.

Vaikka aineen keskitiheys laskee maailmankaikkeus laajetessa, joissain paikoissa tiheys kasvaa, koska gravitaatio vetää ainetta kasaan. Noin sadan miljoonan vuoden iässä tiheys kasvaa pienissä osissa avaruutta niin paljon, että näkyvän aineen ydinreaktiot käynnistyvät uudelleen, eli tähdet syttyvät. Vastaavasti klimppiytyminen tehostaa pimeän aineen annihilaatiota.

Annihilaatio tuottaa energiaa paljon tehokkaammin kuin ydinreaktiot, mutta toisaalta pimeä aine ei kasaudu yhtä tehokkaasti kuin näkyvä aine, ja se vuorovaikuttaa paljon heikommin. Niinpä vain pieni osa pimeän aineen hiukkasista ja antihiukkasista annihiloituu, eikä taivas hohda pimeän aineen valoa. (Muuten sitä tuskin sanottaisiinkaan pimeäksi aineeksi.) Pimeää ainetta etsitään siksi monin eri tavoin.

Havaintojen kannalta annihilaatiossa on kuitenkin se hyvä puoli, että kysymyksessä on sama ilmiö, joka määrää paljonko pimeän aineen hiukkasia on jäljellä. Jos tietää pimeän aineen hiukkasten lukumäärän, voi suoraan laskea annihilaation tehokkuuden ja siten kirkkauden taivaalla. Pimeän aineen gravitaatiovaikutuksesta voi puolestaan päätellä sen massatiheyden, eli hiukkasten lukumäärän kerrottuna yhden hiukkasen massalla jaettuna tilavuudella. Ainoa tuntematon tekijä on siis hiukkasen massa. Annihilaation tehokkuuteen vaikuttaa myös se miten paljon pimeä aine on klimppiytynyt – parhaita havaintokohteita ovat Linnunradan keskusta ja kääpiögalaksit, joissa pimeän aineen tiheys on iso.

Taivaalla onkin nähty ehkä odotettua enemmän valoataipositroneja (eli elektronien antihiukkasia). Koska avaruudesta tulee monenlaista säteilyä kaikenlaisista lähteistä, niin voi olla vaikea erottaa, ovatko hiukkaset peräisin pimeän aineen annihilaatiosta vaiko esimerkiksi pulsareista tai supernovien jäänteistä. Mutta jos sen sijaan nähdään vähemmän säteilyä kuin mitä pimeän aineen malli ennustaa, niin se on selvästi väärin

Tarkimmat rajat pimeän aineen annihilaatiolle on antanut vuonna 2008 kiertoradalle noussut Fermi-satelliitti. Se on vuosia mitannut avaruudesta saapuvia korkeaenergisiä fotoneja, ja pystyy sulkemaan pois monenmassaiset nynnyt – vähän riippuen siitä, mihin niiden oletetaan hajoavan. Kansainväliseen avaruusasemaan kiinnitetty hiukkasdetektori AMS-02 on osaltaan sulkenut pois sen mahdollisuuden, että kevyet nynnyt hajoaisivat tunnetuiksi sähköisesti varatuiksi hiukkasiksi, koska signaalia ei ole nähty.

Nynnyt voi pelastaa kehittämällä malleja, joissa pimeä aine hajoaa lähinnä hiukkasiksi, jotka ovat yhtä näkymättämiä kuin se itse (kuten neutriinoiksi tai joiksikin tuntemattomiksi hiukkasiksi). Toinen vaihtoehto on yksinkertaisesti tehdä pimeän aineen hiukkasesta raskaampi. Koska havainnot kiinnittävät massatiheyden, niin mitä isompi hiukkasten massa on, sitä pienempi on niiden lukumäärä, ja sitä vähemmän annihilaatioita tapahtuu.

Kumpikin muutos menee kuitenkin vastakarvaan nynnyjen alkuperäistä ideaa. Tarkoituksena oli, että pimeä aine vuorovaikuttaa hiukkasfysiikan heikon vuorovaikutuksen kautta, joten se hajoaa näkyväksi aineeksi, ja sen massa olisi samaa luokkaa heikkoa vuorovaikutusta välittävien W– ja Z-bosonien massan kanssa. Tällöin pimeän aineen massatiheys sattuisi sopimaan havaintoihin ilman säätämistä.

Yhdistettynä siihen, että myöskään maanpäällisissä kokeissa nynnyjä ei ole näkynyt vaikka olisi odottanut, taivaan pimeys tekee niistä yhä vähemmän houkuttelevia. Idea pimeästä aineesta sinällään voi hyvin, ja nynnyjen hohteen himmentyminen on siirtänyt huomiota muihin ehdokkaisiin, kuten steriileihin neutriinoihin, aksioneihin ja mustiin aukkoihin, joita vuorostaan ajetaan ahtaalle kunnes ne teilataan tai löydetään.

---

Lukutaidon perusteet

25.9.2021 klo 21.50, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Helsingin yliopisto, kehittämiskeskus Opinkirjo ja Kauniaisten kaupunki ovat tuottaneet nettiin avoimen tiedelukutaidon peruskurssin. Tiedotteen mukaan kurssi ”on suunnattu ennen kaikkea lukiolaisille, mutta sopii myös niin tavallisille kansalaisille kuin päättäjillekin”.

Tieteellinen tutkimus on laaja kenttä, joten yritykset kirjoittaa siitä kattavasti ovat helposti joko niin yleisluontoisia, että niistä ei saa paljon irti, tai sitten yksityiskohdiltaan joidenkin alojen kohdalla pielessä. Kurssi tasapainottelee sekä kuvaamalla tieteen yleisiä käytäntöjä että kertomalla yksittäisistä tapauksista, esimerkiksi revontulien tutkimuksesta.

Tämä toimii enimmäkseen hyvin, vaikka osa kuvailusta tuntuu pohjaavan enemmän teoreettisiin ideoihin tieteestä kuin siihen, miten tiedettä oikeasti tehdään. Esimerkiksi tieteellisestä kirjoittamisesta kerrotaan seuraavaa:

”Tutkimusraportin rakennetta on perinteisesti kuvattu neljällä kirjaimella: IMRD. Lyhenne tulee sanoista Introduction (johdanto), Methods (menetelmät), Results (tulokset), Discussion (pohdinta). Malli sopii parhaiten kuvaamaan kliinistä ja määrällistä tutkimusta, joka on tyypillistä esimerkiksi luonnontieteissä.”

Mielestäni tällainen menetelmiä korostava rakenne on päin vastoin leimallinen ihmis- ja yhteiskuntatieteille. Fysiikan artikkeleissa johdannon jälkeen tyypillisesti vain kerrotaan mitä on tehty, eikä metodeilla ylipäänsä ole samanlaista erityistä roolia kuin ihmistieteissä. Matematiikan artikkeleissa taasen ei yleensä ole sen enempää selityksiä metodeista kuin lopun pohdintaakaan.

Se, että tällaiset tekstit tuntuvat tutkijalle vieraalta johtunee osittain siitä, että niissä kuvaillaan tieteilijän työtä ulkoapäin, kun taas tutkijana sitä katsoo sisältäpäin ja vain pienestä osasta tutkimuksen kenttää. Tätä paikataan kurssilla tutkijoiden omilla teksteillä sekä haastatteluilla. Minulta on mukana kommentteja tutkijalle hyödyllisistä taidoista. Tämä huomio tuntuu tarpeelliselta muillekin:

”Tarvitaan myös sen sietämistä, että aloittaessaan tutkimusta ei tiedä, mihin päätyy ja kuinka kauan kestää saavuttaa tuloksia.”

Viime viikolla avaruusfyysikko Minna Palmroth puhui siitä, miten hän oli löytänyt ja selittänyt revontulidyynejä yhdessä ”kansalaistieteilijöiden” kanssa. (Sana ”kansalaistieteilijä” tarkoittaa henkilöä, joka ei ole tieteilijä, mutta osallistuu tieteen tekemiseen.) Palmroth kertoi, miten taivasta tarkkaan kuvaavien ei-tieteilijöiden havaintoverkosto oli oleellinen tutkimuksen tekemisessä, mutta sen koordinoiminen oli raastavaa, koska tutkimukseen tottumattomilla osallistujilla oli epärealistisia odotuksia. He olivat kovin innoissaan kun jotain löytyi, turhan kärsimättömiä kun tuloksia ei tullutkaan heti lisää, ja aivan lannistuneita kun jokin idea ei osoittautunutkaan oikeaksi.

Tieteen tenhoon mukaan hyppäävien ihmisten kohdalla tällaista vuoristorataa sopii odottaakin. Haitallisempaa on se, että tiedepoliittisia päätöksiä muokkaavilla virkailijoilla ja tieteestä käytävää keskustelua määrittävillä toimittajilla on vakavia puutteita tieteen ymmärtämisessä.

On tullut tavaksi verhota tietämättömyys tieteestä ja vihamielisyys tutkimuksen vapautta kohtaan vaatimuksiin ”vaikuttavuudesta”. Opetus- ja kulttuuriministeriön korkeakoulu- ja tiedepolitiikan osaston päällikkö Atte Jääskeläinen on esimerkiksi esittänyt, että tutkimuksen rahoitusta lisätään vasta sitten, kun tutkijoiden työ tehostuu ja he osoittavat sillä olevan ”vaikuttavuutta”. Käsite on epämääräinen, ja Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta on käsittänyt asian niin, että ”vaikuttavuutta” lisätään kehottamalla tutkijat käyttämään aikaansa ilmaisen työn tekemiseen kaupalliselle lehdelle.

Koska tieteessä kartoitetaan uusia alueita, on monesti mahdotonta arvioida, mihin tutkimus johtaa ja mitä siitä seuraa. Vaatimukset tieteen arvon osoittamisesta ovat sikäli hämmentäviä, että tiede on ihmiskunnan kehitystä viime vuosisatojen aikana eniten muuttanut tekijä, ja sen vaikutus on mittaamaton. Miten todistaa, että Aurinko on kirkas? Esimerkiksi kvanttimekaniikan löytäminen kumpusi ongelmista, jotka olivat aikanaan hyödyttömiä (eli ”akateemisia”), mutta siitä on muodostunut lähes kaiken nykyteknologian pohja. Lisäksi on syytä korostaa, että monilla tutkimustuloksilla on itseisarvoa, ei vain välinearvoa.

Valitettavasti edellä mainitun korkea-arvoisen OKM:n virkailijan lisäksi tietämättömyys tieteestä vaivaa joitakin tiedettä kommentoivia suomalaisia toimittajia. Toimittajat ovat ottaneet tavaksi arvostella yksittäisiä tutkimushankkeita, rahoituspäätöksiä tai jopa kokonaisia tutkimusaloja virheellisten tietojen, keksittyjen väitteiden tai vaikkapa vain hankkeen nimen perusteella.

Kohteet on usein valittu poliittisin perustein ihmistieteiden puolelta, ja hyökkäykset tiedettä kohtaan esitetään tieteen puolustamisena: eikö olisi parempi rahoittaa hyödyllistä tutkimusta hyödyttömän sijaan? Väitteissä ei kuitenkaan ole kyse niinkään yksittäisten kohteiden arvostelusta kuin tieteen autonomian ja vertaisarvioinnin kyseenalaistamisesta. Tämä on osa poliittista virtausta, joka pyrkii lyhytnäköisesti valjastamaan tieteen yritysten palvelijaksi ja alistamaan tieteellisen yhteisön tiukemmin vallanpitäjien ohjaukseen.

Tiederahoituksessa on tietysti arvostelemista, kuten olen sekä hakijan että arvioijan näkökulmasta kirjoittanut. On myös totta, että koko ajan tehdään myös huonoa tutkimusta, ja monilla tieteenaloilla on vääristymiä ja ongelmia. (Hiukkaskosmologia ei ole poikkeus.) Mutta mielekäs keskustelu niistä edellyttää kyseisten tieteenalojen tuntemista. Esimerkiksi kosmologian tutkimushankkeiden rahoituspäätösten mielekäs arviointi vaatii vuosien perehtymistä. Päätökset tutkimuksen rahoittamisesta ja julkaisemisesta sekä tutkijoiden palkkaamisesta (tai suositukset päätöksille) tekevät toiset tutkijat siksi, että vain heillä on siihen tarvittava asiantuntemus.

Kun toimittaja toteaa, että se tosiseikka, että rahoituspäätösten perusteita ei voi ymmärtää ilman mittavaa perehtymistä ei ole este sille, että asiaan perehtymätön ihminen arvioi niitä, on kyseessä kiinnostava esimerkki tieteellisen lukutaidon puutteesta.

Osittain toimittajien ongelma voi liittyä journalismin ja tieteen eroihin. Toimittajien kulttuurissa on tavallista julkaista vakavia, perättömiä ja virheellisiä väitteitä –tieteestä tai muista aiheista– ilman että se vaikuttaa kirjoittajan asemaan negatiivisesti. Lisäksi muita toimittajia pidetään oman sisäryhmän jäseninä, joiden julkista arvostelua vältetään.

Tältä pohjalta voi olla vaikea ymmärtää, että tiedeyhteisö hakeutuu kohti totuutta keskinäisen kritiikin ja vertaisarvioinnin kautta. Jos tieteilijä jää kiinni perättömien väitteiden julkaisemisesta, hän menettää uskottavuutensa tiedeyhteisössä. Lisäksi toisten tutkijoiden arvosteleminen ja heidän arvostelunsa kohteena oleminen on keskeinen osa tutkijan työtä. Arvostelu ei ole hajottavaa ”kivien heittämistä” (kuten toimittajat saattavat toistensa julkista arvostelemista soimata), vaan rakentava osa virheiden korjaamista, koska se perustuu asioiden tuntemiseen ja faktojen korjaamiseen.

Vaikka osa tiedevastaisuudesta on poliittisesti tarkoitushakuista, mukana on myös aitoa ajattelemattomuutta ja vilpitöntä tietämättömyyttä, mihin kurssi tiedelukutaidon perusteista voi auttaa.

Muisto läheisestä yhteydestä

31.8.2021 klo 19.38, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kosminen mikroaaltotausta on vanhinta valoa. Se irtosi aineesta, kun maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden ikäinen. Sitä ennen lämpötila oli niin korkea, että atomit eivät pysyneet kasassa, vaan aine koostui irrallisista ytimistä ja elektroneista. Valo poukkoili jatkuvasti niiden sähkövarauksista, eikä päässyt liikkumaan vapaasti. Maailmankaikkeus oli tämän takia läpinäkymätön, kuten Aurinko nyt.

Kun katsoo Aurinkoa, näkee millainen se oli kahdeksan minuuttia sitten, kun silmiimme saapuva valo irtosi sen pinnalta. Kun katsoo kosmista mikroaaltotaustaa, näkee millainen maailmankaikkeus oli 14 miljardia vuotta sitten, kun havaintolaitteeseemme saapuva valo irtosi aineesta.

Vaikka emme näe Auringon sisään, sen pinnalta tulevasta valosta voi tehdä johtopäätöksiä siitä mitä sisustassa tapahtuu. Samoin kosmisesta mikroaaltotaustasta voi lukea jotain siitä, mitä tapahtui ennen sen irtoamista aineesta.

Mikroaaltotaustasta näytetään useimmiten kuva, missä on sen kirkkaus eri puolilla taivasta.

Tällaiset kuvat on koostettu muutamalla aallonpituudella tehdyistä mittauksista. Mikroaaltotaustaa voi myös mitata toisin päin: monella eri aallonpituudella, mutta välittämättä siitä mistä suunnasta valo tulee. Sitä, paljonko valoa on kullakin aallonpituudella kutsutaan spektriksi.

Kun COBE-satelliitin käänteentekevät tulokset mikroaaltotaustasta julkistettiin vuonna 1992, paljon huomiota kiinnitettiin juuri spektriin, jonka mittaus palkittiin vuonna 2006 puolikkaalla Nobelilla. Valon aallonpituus määräytyy suoraan sen energiasta, ja havaittu spektri noudattaa ennustettua lämpötasapainon energiajakaumaa mittauksen tarkkuudella, joka on yksi kymmenestuhannesosa.

Tämä oli merkittävä todiste sen puolesta, että maailmankaikkeus oli varhain kuuma ja tiheä. On nimittäin vaikea selittää miten mikään tähdissä, molekyylipilvissä tai missään muualla nykymaailmankaikkeudessa syntynyt valo olisi tarkkaan samassa lämpötilassa kaikkialla alun perin, ja koska valo vuorovaikuttaa itsensä kanssa vain heikosti, irrallaan kulkeva valo ei kulje kohti lämpötasapainoa. Mutta vanha valo kantaa yhä muistoa ajasta, jolloin se oli läheisesti yhteydessä aineeseen.

Sittemmin tärkeämmäksi on noussut COBEn mittaus mikroaaltotaustan jakaumasta taivaalla. Tämä ensimmäinen havainto kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksista palkittiin toisella puolikkaalla Nobelista vuonna 2006, ja on usein mainittu ”täsmäkosmologian” alkuna. Epätasaisuuksista on tullut kosmologian keskeinen havaintokohde, jonka avulla on onnistuneesti luodattu niin pimeää ainetta kuin muinaisten aikojen inflaatiota.

Mutta myös mikroaaltotaustan aallonpituusjakauma kertoo menneestä. Niin kauan kuin hiukkaset ovat tiukasti kytköksissä toisiinsa, ne siirtyvät takaisin kohti lämpötasapainoa jos niitä häiritään. Palautuminen kestää kuitenkin aikansa, ja valon irrottua aineesta se ei enää juuri vuorovaikuta, ja säilyttää silloisen tilansa. Niinpä mikroaaltotaustan spektriin kirjattu historiaa ajalta hieman ennen valon ja aineen irtoamista.

Jos kosmista keittoa häiritsee ennen kuin maailmankaikkeus on noin vuoden ikäinen, niin se ehtii palautua tasapainoon ennen valon irtoamista 380 000 vuoden iässä. Vuoden ja 380 000 vuoden välillä tapahtuneet jäljet eivät sen sijaan ehdi kadota ennen fossiloitumistaan mikroaaltotaustaan.

Yksi esimerkki mahdollisesta häiriötekijästä on hiukkasten hajoaminen. Jos on olemassa tuntemattomia hiukkasia, joiden elinikä on jotain kuukauden ja miljoonan vuoden väliltä, niiden hajoaminen jättäisi jälkensä mikroaaltotaustaan. COBEn mittausten perusteella tällaisten hiukkasten osuus maailmankaikkeuden energiatiheydestä pitää olla alle kymmenestuhannesosa, koska mitään merkkejä niistä ei ole nähty. Havainnot rajoittavat yhtä lailla myös sitä, paljonko kevyitä mustia aukkoja voi olla olemassa, jotta niiden Hawkingin säteilyn vaikutus ei näkyisi spektrissä.

Tällaisten spekulaatioiden lisäksi on yksi asia, jonka varmasti tiedämme hämmentävän muinaista puuroa: mikroaaltotaustassa näkyvät aineen epätasaisuudet. Gravitaation takia sopan sattumat tihentyvät entisestään, kunnes mukana kasautuvan valon paine työntää tiheän alueen takaisin, minkä jälkeen se taas tihentyy. Tämä aaltoilu työntää keittoa pois lämpötasapainosta siirtämällä energiaa fotonien välillä. Spektriin jää näin jälki keiton lyhyistä aalloista, jotka ovat jo ehtineet vaimeta mikroaaltotaustan irrotessa aineesta ja joita ei siksi siinä suoraan nähdä.

Koska epätasaisuudet ovat hyvin pieniä, sadastuhannesosan suuruisia, COBEn tarkkuus ei riittänyt havaitsemaan niistä johtuvia häiriöitä. Mikroaaltotaustan spektriä ei ole mitattu COBEn jälkeen, ja teknologia on kehittynyt valtavasti kolmen vuosikymmenen aikana, joten nykyisillä laitteilla nämä epätasaisuuksien jäljet näkyisivät. Tähän kaavailtiin 2010-luvulla PIXIE-satelliittia, jota ei kuitenkaan rahoitettu, mutta yhä valmistellaan paluuta spektrin mittaamiseen, jotta näkisimme muinaisten aikojen aineeseen pintaa syvemmälle.

---

Kuratoitu läpileikkaus

9.8.2021 klo 21.53, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla oli merkittävä vuotuinen kosmologiakonferenssi COSMO. Tällä kertaa se järjestettiin Yhdysvaltojen Illinois’n yliopistossa ja pidettiin etänä. COSMO-konferenssien sarja alkoi vuonna 1997, tavoitteena tuoda hiukkasfyysikkoja ja kosmologeja lähemmäs. Nykyään kentät lomittuvat niin sujuvasti, että nuorempi sukupolvi ei edes tiedä, että niiden välillä oli aiemmin paljon epäilyä ja väärinkäsityksiä.

COSMO-konferenssien johtokunnan jäsen Leszek Roszkowski mainitsi hiukkasfysiikasta Nobelin saaneen Martinus Veltmanin ykskantaan todenneen, että kosmologia ei ole tiedettä. Mielipide meni Veltmanin mukana tammikuussa hautaan, ja nykyään kukaan fyysikko tuskin esittää tällaisia kommentteja. Hiukkasfyysikoiden mielenmuutosta on edesauttanut se, että kosmologiassa on tehty läpimurtoja havaintojen saralla, merkittävimpänä vuonna 1998 julkistetut (ja 2011 Nobelilla palkitut) maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisesta kertovat supernovahavainnot.

Tämän vuoden COSMOssa näkyi, miten havaintovetoista kosmologia on, ja miten paljon teknologia ja data-analyysi ovat kehittyneet. Kun vuonna 2000 aloitin tutkimuksen tekemisen, muotiterminä oli ”täsmäkosmologia”. Tässä COSMOssa ei sanaa juuri kuultu, koska havaintojen ja analyysin täsmällisyys on ilmeistä ja tunnustettua.

Kosmologiakonferensseissa ei julkisteta uusia tuloksia eikä artikkeleita, jotka ovat kaikki luettavissa nettiarkistosta arXiv, mutta ne tarjoavat kuratoidun läpileikkauksen alan tilanteeseen ja ponnistuslaudan ajattelulle. Ohjelma koostuu kutsutuista puheista, jotka ovat enimmäkseen katsauksia johonkin osa-alueeseen, ja osallistujien omasta työstään tarjoamista lyhyemmistä esityksistä. Vuosien varrella naisten osuus on kasvanut merkittävästi: tämän vuoden 24 kutsutusta puhujasta 15 oli (nimen ja ulkonäön perusteella oletetusti) naisia.

Gravitaatioaalloilla oli ansaitusti iso rooli. Uusien havaintojen (ja Nobelin) edesauttamana alan tutkimus on laajentunut nopeasti. Kun kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien ensimmäiset mittaukset julkistettiin vuonna 1992, data-analyysin ja havaintojen ohella kehitettiin rivakasti erilaisia tapoja hyödyntää dataa ja lukea siitä kaikenlaista. Gravitaatioaallot ovat nyt samalla tavalla uusi väline, jolla voi luodata tähtien kehitystä, raskaiden alkuaineiden muodostumista, neutronitähtien rakennetta, värivuorovaikutusta, mustien aukkojen muodostumista, maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta, yleistä suhteellisuusteoriaa, Higgsin kentän olomuodon muutosta ja niin edelleen. Kuten LIGO-koeryhmän Daniel Holz asian ilmaisi, tutkijat ovat odottaneet gravitaatioaaltojen datatulvaa, ja nyt se on alkanut.

Teoreetikot vaihtavat kentältä toiselle onnistumisten vetämänä ja epäonnistumisten hylkimänä. Monet vaikkapa gravitaatioaaltoihin tai Higgsin kenttään liittyvistä viime vuosien uusista ideoista olisi voitu keksiä vuosia sitten, mutta niitä ei tullut ajatelleeksi kuin havaintojen ja uuden keskustelun myötä. Teknologia ajaa havaintoja, mikä ruokkii teoriaa, mikä osoittaa miten analysoida ja tehdä havaintoja.

Teknologian kehitys näkyy myös teoriapuolella esimerkiksi siinä, että yhä enemmän tehdään raskaita yleisen suhteellisuusteorian kaikki yksityiskohdat huomioon ottavia numeerisia laskuja ei vain mustien aukkojen törmäyksistä, vaan myös kosmisesta inflaatiosta ja sen loppumisesta.

COSMOssa näkyi se, miten teoreetikot ovat siirtyneet enemmän lähellä havaintoja oleviin rajattuihin malleihin suureellisten rakennelmien sijaan. Säieteoria oli kuitenkin vielä vahvasti ainakin hengessä mukana. Tähän saattaa vaikuttaa se, että teoreettinen tutkimus on Yhdysvalloissa enemmän sidottua siihen, sen muotivirtauksiin ja persoonallisuuksiin kuin Euroopassa tai Aasiassa.

Gravitaatioaaltohavaintojen inspiroimana mahdollisten muinaisten mustien aukkojen tutkimus on paisunut. Pimeän aineen tutkimusta on päinvastoin ajanut havaintojen puute: koska aiemmin suosituinta ehdokasta pimeäksi aineeksi, nynnyä, ei ole löytynyt, tutkitaan yhä enemmän kaikenlaisia mahdollisuuksia.

Yksi esille nostettu idea on makroskooppinen pimeä aine, eli pimeä aine, joka koostuu isoista kasoista yhteen sitoutuneita hiukkasia, tavallisen aineen tapaan. Tällaisia kasoja pitäisi etsiä aivan eri tavalla kuin yksittäisiä hiukkasia, esimerkiksi katsomalla iskeytyykö tähtiin asteroidin massaisia mutta paljon nopeampia möykkyjä.

On aina havaintoja, jotka ovat ristiriidassa teorian kanssa, ja voi kestää kauan, ennen kuin saadaan selville, onko ongelma havainnoissa, teoriassa vai jossain oletuksissa. Yksi tällainen ongelma on se, miksi maailmankaikkeudessa näyttää olevan vain noin neljännes siitä määrästä litium-7:aa (eli ytimiä, joissa on kolme protonia ja neljä neutronia) mikä ennustetaan syntyvän maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien aikana. Poikkeama on tilastollisesti erittäin merkittävä. Nyt on viimein paikallistettu uskottava mahdollinen selitys. Litiumin määrä on arvioitu vanhojen tähtien pinnalta, ja uusien havaintojen nojalla niissä on tapahtunut odotettua enemmän kehitystä, missä pinta on voinut sekoittua alempien kerrosten kanssa, johtaen litiumin tuhoon.

Kosmologian puhutuin ristiriita tällä hetkellä on se, että eri havainnot näyttävät antavat eri arvon maailmankaikkeuden laajenemisnopeudelle. Vastakkain ovat asettuneet erityisesti kosminen mikroaaltotausta ja kosmisen naapuruston supernovat. Kosmisen mikroaaltotaustan fysiikka tunnetaan erinomaisesti ja mittaukset ovat tarkkoja, mutta laajenemisnopeuden lukeminen siitä vaatii oletuksia pimeästä energiasta. Etäisyyksien mittaaminen supernovalla kärsii epävarmuuksista tähtien ja muiden järjestelmien mallintamisessa, mutta ei juuri riipu siitä, millaista pimeä energia on (tai onko sitä).

Havaintoryhmä Dark Energy Surveyn uudet havainnot galaksien jakaumasta ja gravitaatiolinssivääristymistä tukevat kosmisen mikroaaltotaustan tuloksia. Supernovapuolella on avautunut sisäinen ristiriita eri etäisyysmääritysten välillä: yksi tapa sopii yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, toinen ei ja kolmas on liian epätarkka, että voisi vielä sanoa. Kovasta syynäämisestä huolimatta kummastakaan tarkassa supernovamenetelmässä ei ole löydetty virhettä. Mutta nyt tiedetään paremmin mistä katsoa, ja voi olla että huolellisen analyysin jälkeen osoittautuu että ongelmana on supernovien ympäristön tai tähtien mallintaminen, tai jokin muu kosmologian kannalta arkinen lähipiirin touhu.

COSMOn sävy oli innostunut ja eteenpäin ravaava. On uusia tarkkoja havaintoja, tulevia innostavia projekteja ja hauskoja teoreettisia ideoita. On silti syytä muista, että vaikka havainnot voivat tarjota vastauksen isoihin kysymyksiin –pimeän aineen luonne, kiihtyvän laajenemisen syy, inflaation yksityiskohdat, aineen ja antiaineen epäsuhdan synty– ja paljastaa jotain yllättävää, siitä ei ole mitään taetta. Kosmologian tulevaisuus on havaintojen arpapeliä.