Hiilenpolttajien todistus
Elokuussa Wendy Freedmanin tutkimusryhmä julkisti uuden artikkelin siitä, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee. Heidän tuloksistaan oli juoruiltu jo etukäteen, ja ne ovat herättäneet paljon huomiota, koska tutkimus iskee yhteen kosmologian isoimmista ongelmista: ovatko mittaukset maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta ristiriidassa teorian ennusteen kanssa?
Kosmologiassa on viimeisten 25 vuoden aikana vakiintunut malli maailmankaikkeudesta, missä on noin 5% tavallista (eli ytimistä ja elektroneista) koostuvaa ainetta, 25% pimeää ainetta, ja 70% tyhjön energiaa. Malli on selittänyt ja ennustanut havaintoja erittäin hyvin, mutta viimeisen kymmenen vuoden aikana on tullut ilmi yhä isompi ongelma. Kun mallin säätää selittämään kosmisen mikroaaltotaustan yksityiskohdat –jotka riippuvat siitä, miten maailmankaikkeus on laajentunut viimeisten 14 miljardin vuoden aikana– niin se ennustaa nykyisen laajenemisnopeuden pieleen.
Ei tiedetä, onko vika mallissa, mikroaaltotaustan havainnoissa, vai nykyisen laajenemisnopeuden mittauksessa. Freedmanin ryhmä pureutuu näistä viimeiseen.
Periaatteessa on yksinkertaista selvittää maailmankaikkeuden laajenemisnopeus. Tarvitsee vain mitata kuinka nopeasti galaksit etääntyvät meistä. Valitettavasti maailmankaikkeus laajenee niin hitaasti, että emme reaaliajassa erota galaksien liikkeitä.
Tiedämme kuitenkin, että läheisten galaksien etäisyys ja punasiirtymä (eli se paljonko niistä tuleva valo on venynyt) ovat verrannollisia toisiinsa, ja verrannollisuuskerroin on maailmankaikkeuden laajenemisnopeus. Niinpä riittää kun mittaa punasiirtymän ja etäisyyden.
Valon venyminen on helppo mitata. Kaikki atomit ja molekyylit lähettävät valoa vain tietyillä niille ominaisilla aallonpituuksilla. Vertaamalla taivaalta tulevan valon aallonpituuksia maanpäällisissä laboratorioissa mitattuihin saa tarkkaan selville, paljonko valo on matkalla venynyt.
Etäisyyksien mittaaminen on sen sijaan vaikeaa. Kuten punasiirtymässä, tässäkin pitää verrata jotain lähellä ja kaukaa mitattua, vaikkapa kohteiden kirkkauksia. Kosmologien ihanteena on standardikynttilä, eli kappale, vaikkapa tähtityyppi, jonka kirkkaus on samanlainen aina ja kaikkialla. Vertaamalla sitä, miten kirkkaalta kaksi standardikynttilää näyttää taivaalla saisi heti selville niiden suhteellisen etäisyyden: mitä himmeämmältä kohde näyttää, sitä kauempana se on.
Ikävä kyllä standardikynttilöitä ei ole olemassa. Tähdet ovat yksilöitä, kaikki erilaisia. Mutta joillakin tähdillä on ominaisuuksia, joita mittaamalla voi päätellä niiden kirkkauden. Esimerkiksi kefeidit ovat tähtiä, joiden kirkkaus vaihtelee ajan myötä, ja vaihtelun taajuudesta saa selville kirkkauden.
Freedmanin ryhmä on käyttänyt James Webb Space Telescopen (JWST) uusia havaintoja lähigalakseista. Aiemmin paras teleskooppi näihin mittauksiin oli Hubble Space Telescope, mutta JWST on paljon tarkempi. Se myös mittaa pidempiä aallonpituuksia paremmin kuin Hubble, minkä takia sillä saa selvemmän kuvan joistakin tähdistä, joiden valosta tärkeä osa on infrapunaista, eli sen aallonpituus on pidempi kuin näkyvän valon. Toinen uutuus on se, että Freedmanin ryhmä käytti kahden jo tunnetun tähtityypin lisäksi uudenlaisia etäisyysmittareita, tähtiä jotka polttavat ydinreaktioissaan hiiltä.
Syy tulosten saamaan huomioon on se, että Freedman ja kumpp. esittävät, että kosmologian keskiöön noussutta ristiriitaa havaintojen ja ennusteiden kanssa ei ehkä olekaan. Heidän hiilitähtien avulla mittaamansa laajenemisnopeuden arvo on täydellisen sopusoinnussa ennusteen kanssa, eivätkä kahden muunkaan etäisyysmittarin antamat tulokset poikkea ennusteesta merkittävästi.
Freedman johti 90-luvulla ja 2000-luvun alussa projektia, joka mittasi Hubble Space Telescopen avulla maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden. Sen vuonna 2001 julkaisema tulos on kosmologian virstanpylväs.
Vastapuolella on toinen aiheen parhaista asiantuntijoista: Adam Riess, joka palkittiin vuonna 2011 Nobelilla hänen osuudestaan maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen havaitsemisessa. Riess on sittemmin ollut keskeinen tekijä maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden yhä tarkemmissa mittauksissa. Hän on vahvasti korostanut mittausten ja ennusteen välistä ristiriitaa.
Riess on tuoreeltaan arvostellut Freedmanin ryhmän väitteitä toteamalla, että uusien tulosten virherajat ovat niin paljon edellisiä isommat, että niiden perusteella ei voi todeta ristiriidasta mitään. Tähän on syynä se, että JWST ei ole ehtinyt mitata yhtä paljon kohteita kuin vuosikymmeniä toiminut Hubble Space Telescope.
Riessin tutkimusryhmältä kesti alle kolme viikkoa julkistaa vastauksensa Freedmanin ja kumpp. analyysiin, missä he myös osoittivat, että erot aiempiin tuloksiin selittyvät sillä, millaisia kohteita on valikoitunut mukaan, kaikki tähdet kun ovat vähän erilaisia.
Lisäksi Freedmanin ryhmän käyttämään uuteen etäisyysmittariin on syytä suhtautua varauksella juuri siksi, että se on uusi, eikä sen luotettavuutta ja yksityiskohtia ole vielä saatu setvittyä. Jos tämä mittari olisi luotettava ja antaisi erilaisen arvion galaksien etäisyydestä, pitäisi pystyä selittämään, mikä kaikissa muissa mittareissa on pielessä.
Tällä hetkellä etäisyyksistä on paljon erilaisia havaintoja, eikä niitä voi kumota yhdellä uudella menetelmällä. Toisaalta ristiriidalle ei ole löytynyt hyvää teoreettista selitystä, minkä takia monet ovat vielä avoimia sille mahdollisuudelle, että etäisyysmittauksissa on jotain perustavanlaatuisesti pielessä, vaikka ongelmia ei huolellisessa syynäämisessä olekaan löytynyt.
Kuten Riessin tutkimusryhmä on todennut, meiltä puuttuu joku oleellinen pala – mutta emme ole varmoja, mistä kohtaa.
Päivitys (16/09/24): Korjattu tyhjön energian osuus.
Muistan hyvin vuoden 1987 supernovan (SN 1987A) räjähdyksen Suuren Magellanin pilven Tarantulasumussa, koska kirjoitin silloisen tähtiseuramme lehteen pitkät stoorit räjähdyksestä että seuranneista neutriinoista (eli kopsasin Amerikkalaisten tähtilehtien tekstejä). Eli oli kyse selvästä standardikynttilästä (ja tästähän Nobelikin pokattiin). Homma näytti silloin kovin uskottavalta.
Tyypin 1A-supernovathan ovat olleet starndardikynttilöitä. Tiedän että laajenemisnopeudesta on erilaisia katsantoja, mutta kuinka vakavasti tällaisen Freedmanin ryhmän tuloksia tulisi ottaa? Käsittääkseni neutronitähti on sittemmin löytynyt SN 1987A räjähdyspaikalta.
Supernova 1987A oli tyypin II supernova. Nobelin palkinnot annettiin havainnoista, joissa käytettiin tosiaan tyypin Ia supernovia.
1990-luvulla tyypin Ia supernovia tutkittiin paljon, ja yksi pääasiallinen tulos oli se, että ne eivät ole standardikynttilöitä. Niiden kirkkaus vaihtelee ainakin tekijällä kymmenen. (Myöskään tyypin II supernovat eivät ole standardikynttilöitä.) Sen sijaan ne ovat luotettavia etäisyysmittareita siinä mielessä, että niiden kirkkauden maksimi korreloi kirkkauden muutosnopeuden kanssa. Jotkut käyttävät termiä ”standardisoitavissa oleva kynttilä”.
Olen alan ulkopuolinen, mutta Freedmanin ryhmän tulokset vaikuttavat hyvin vakavasti otettavilta. Sen sijaan ryhmän tulkinta siitä, että ne osoittaisivat että ristiriitaa ei ole, ei vaikuta perustellulta.
Se miksi hiilitähdet antavat eri etäisyyden ja siksi erilaisen laajenemisnoopeuden liittyy Riessin ja kumpp mukaan siihen, missä galakseissa niitä on nyt mitattu – galaksit ovat erilaisia, ja osa antaa isomman tuloksen etäisyyksille kuin toiset. Oleellista on käyttää täydellistä (määrällisessä mielessä) otosta, missä on mukana kaikki galaksit tiettyyn etäisyyteen asti, jotta vaihtelujen vaikutus minimoituu.
Sanot: ”…monet ovat vielä avoimia sille mahdollisuudelle, että etäisyysmittauksissa on jotain perustavanlaatuisesti pielessä, vaikka ongelmia ei huolellisessa syynäämisessä olekaan löytynyt.”
Esitän taas kysymyksen, johon en ole saanut ymmärtämääni vastausta tällä enkä muullakaan foorumilla: Miten on mahdollista, että voimme havaita kohteen, joka sijaitsee väitetysti yli 13 miljardin valovuoden päässä Maasta, kun koko maailmankaikkeus on vajaat 14 miljardian vuotta vanha? Vielä vaikeampaa minun on ymmärtää, miten maailmankaikkeuden halkaisijaksi kerrotaan 93 miljardia valovuotta, johon se on siis kasvanut tuon vajaan 14 miljardin vuoden kuluessa.
Maailmankaikkeus laajenee. Sen takia etäisyys siihen pisteeseen, josta valo lähti liikkeelle on isompi kuin matka-aika kertaa valonnopeus.
Tarkemmin täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/sormustimen-verran/
En vieläkään ymmärrä vastausta kysymykseeni. Vaikka maailmankaikkeus laajenee (minkä toki ymmärrän) niin miten muutaman sadan miljoonan vuoden ikäisen kohteen voi havaita yli 13 miljardin valovuoden päässä meistä? Eihän sellainen laajenemisnopeus voi mitenkään olla mahdollista. Voitko vielä yrittää vääntää vastausta rautalangasta.
Maailmankaikkeus on noin 14 miljardia vuotta vanha. Ei siis ole kovinkaan kummallista, että muutaman sadan miljoonan vuoden ikäinen kohde (josta valo siis lähti noin 13-14 miljardia vuotta sitten) näkyy yli 13 miljardin valovuoden päässä. Outoa olisi, jos se näkyisi lähempänä.
Tämä riittäköön tästä.
Tyhjön energia pitänee olla 70% (eli tekstin 75% lienee typo)
Tosiaan, kiitos, korjasin.
Laajeneminen on laskettu melko luotettaavasti sekä cmb, kvasaari että supernova- mittauksista ja tulokset eroavat mittausvirheen puitteessa merkittävästi, mikä vittaisi että kosmologinen vakio ei mahdilliseati ollutkaan aina vakio. Onko johtavia teorioita tälle ajatukselle?
Jos pimeä energia on tyhjön energiaa eli kosmologinen vakio, sen energiatiheys on aina sama. Jos pimeä energia ei ole tyhjön energiaa, sen energiatiheys muuttuu ajan myötä. On kymmeniä erilaisia ehdokkaita tällaiseksi pimeäksi energiaksi.
Vaikuttaa kuitenkin mahdottomalta selittää havaintoja pelkällä pimeän energian energiatiheyden muutoksella. Ongelmana on se, että kun säätää laajenemisnopeuden nykyarvon, tulee samalla tulee pilanneeksi muita havaintoja kuten sen miten nopeasti maailmankaikkeuden rakenteet kasautuvat (joka myös riippuu siitä miten maailmankaikkeus laajenee).
Voiko tuo muuttuva aineen tiheys vaikuttaa laajenemisnopeuden paikalliseen arvoon?
Tässä on kyse muutoksesta ajassa. Pimeän energian energiatiheys on tyypillisesti hyvin samanlainen kaikkialla. Tavallisen aineen tiheys on sen sijaan hyvin erilainen eri paikoissa, ja tämän takia laajenemisnopeus on erilainen eri paikoissa. Tämä ei kuitenkaan selitä teorian ja ennusteiden ristiriitaa
Liikkuvatko galaksit superjoukoissa vastaavasti kuin tähdet galaksissa? Jos liikkuvat niin eikö se vaikuta siihen miten galaksi näyttää etääntyvän meistä?
Galaksien liikkeet ryppäissä ovat vielä nopeampia ja monimutkaisempia kuin tähtien galakseissa. Galaksien paikalliset liikkeet ovat tosiaan yksi virhelähde.