Kosmokseen kirjoitettua

Keisarin uusi kaari

14.2.2025 klo 22.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla Meri Teeriaho puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston astrofysiikan seminaarien sarjassa hänen ja kumppaneiden tutkimuksesta nimeltä Keisarin uusi kaari. Helsingistä mukana ovat myös Gabor Racz ja ystäväni Till Sawala.

Tutkimuksen kohteena on Jättikaari (engl. Giant Arc). Vuonna 2022 Alexia Lopez ja kaksi muuta tutkijaa väittivät havainneensa yli kolmen miljardin valovuoden pituisen galakseista koostuvan rakenteen, jolle he antoivat tämän nimen. Ryhmän mukaan löytö oli tilastollisesti hyvin merkittävä: todennäköisyys sille, että galakseja olisi niin tiheässä sattumalta oli heidän mukaansa noin yksi sadastatuhannesta.

Teeriaho mainitsi, että Jättikaari on saanut paljon huomiota suuren yleisö keskuudessa. Sillä on oma kritiikitön Wikipedia-sivunsa, ja se on monien YouTube-videoiden tähti (tässä esimerkkinä BBC:n ohjelma).

Väite ei ole ensimmäinen laatuaan. Poikkeuksellisen isoissa rakenteissa tuntuu olevan jotakin suurta yleisöä (tai ainakin tiedetoimittajia) kiehtovaa. Aika ajoin julkisuuteen nostetaan joidenkin tutkijoiden väite siitä, että ne asettavat vallitsevan kosmologisen mallin kyseenalaiseksi. Kun aloitin blogin kirjoittamisen kosmologiasta vuonna 2007, ensimmäisen merkinnän aiheena oli virheellinen väite siitä, että oli löydetty poikkeuksellisen iso tyhjä alue maailmankaikkeudessa.

Jättikaaren löytäjät noudattivat aiheelle tavallista menetelmää, eli huomasivat ensin silmällä katsoen poikkeukselliselta näyttävän kuvion, ja kehittivät sitten mittareita arvioimaan sen harvinaisuutta. Monia maailmankaikkeuden todellisia rakenteita –kuten yli miljardin valovuoden pituinen Sloanin iso muuri– on todella löydetty näin.

Ongelmana on se, että ihmiset herkästi näkevät järjestystä satunnaisissakin kuvioissa. Tällainen kuvankäsittelytapa on varmaankin osoittautunut evoluutiossa edulliseksi. On helppo ymmärtää, että saalistajan tai saaliin havaitseminen lehdistöstä on eduksi henkiin jäämiselle, kun taas siitä, että tekee väärän havainnon ja säikähtää turhaan ei ole vastaavaa haittaa.

Tällainen yliviritetty havaintotapa ei kuitenkaan sovellu sellaiseen analyysiin, jossa halutaan minimoida virheelliset väitteet toistettavalla tavalla, eli luonnontieteeseen. Tämän takia kosmologit arvioivat rakenteiden poikkeuksellisuutta tilastollisesti.

Yksi keino selvittää havaittujen kuvioiden poikkeuksellisuutta on simuloida kyseistä järjestelmää vakiintuneella mallilla ja katsoa kuinka todennäköisesti sieltä löytyy vastaava rakenne. Ongelmana on valita mittari (eli määritellä mikä on ”vastaava rakenne”) sellaisella tavalla, missä ei käytetä hyväksi jo havaitun rakenteen ominaisuuksia, mutta joka on silti herkkä sen ominaisuuksille.

Esimerkiksi jos heittää huoneen lattialle sata kolikkoa, saattaa huomata niiden joukossa pitkän kaaren. Jos kysyy, mikä on todennäköisyys sille, että löytyy kaari, jonka kolikot ovat tismalleen samoissa paikoissa, se on häviävän pieni. Jos kysyy, mikä on todennäköisyys sille, että kolikot muodostavat kaaren, jossa kahden kolikon maksimietäisyys ei ole isompi kuin mitä havaitaan mutta kaaren pituus ei ole pienempi, todennäköisyys on isompi. Jos todennäköisyys on silloin kohtuullisen iso, mitään selitettävää ei ole: kaaret ovat tavallisia. Jos todennäköisyys on yhä pieni, voidaan seuraavaksi kysyä, olisiko todennäköisyys vastaaviin muihin kuvioihin iso: olisimme yhtä yllättyneitä, jos kolikot muodostaisivat jonkun muun kuvion.

Kosmologit havainnollistavat tätä joskus huomauttamalla, että kosmisessa mikroaaltotaustassa erottuvat Stephen Hawkingin nimikirjaimet. Todennäköisyys sille, että näin käy sattumalta on äärimmäisen pieni, mutta todennäköisyys sille, että näkyy joku sellainen kuvio, jonka silmämme tunnistavat kirjaimiksi lienee kohtuullisen iso (joskaan en tiedä, että kukaan olisi sitä laskenut).

Galaksien jakaumasta maailmankaikkeudessa on paljon simulaatioita, missä on otettu huomioon kosmisesta mikroaaltotaustasta mitattu alkutilanne aineen jakaumalle ja sen kehitys vuosimiljardien aikana maailmankaikkeuden laajenemisen ja puoleensavetävän gravitaation alla.

Teeriaho ja kumpp. ovat käyttäneet viime vuonna ilmestynyttä FLAMINGO-simulaatiota. He toteavat, että samanlaiset kaaret ovat siinä tavallisia. Lisäksi he tutkivat satunnaisia pistejakaumia, missä ei ole mitään kosmologista informaatiota –kuin lattialle heitettyjä kolikoita– ja totesivat, että niissäkin tällaiset kaaret ovat tavallisia.

Myös Lopezin ryhmä oli arvioinut tulostensa poikkeuksellisuutta ja saanut tulokseksi, että kaaren tiheys on äärimmäisen harvinainen. He olivat kuitenkin laskeneet todennäköisyyden sille, että löydetyn kokoisessa (ja tietyn muotoisessa) alueessa, joka sijaitsee sattumanvaraisessa paikassa taivaalla on niin paljon galakseja kuin mitä he havaitsevat. Mutta koska kaari on jo löydetty, oikea kysymys on se, mikä on todennäköisyys sille, että tällaisen kaaren alueella on niin paljon galakseja.

Esimerkiksi jos satunnaisessa meille näkyvässä galaksien jakaumassa tyypillisesti olisi kolme tällaista kaarta, niin voisi sanoa, että ne ovat tavallisia. Mutta ne silti kattaisivat silti vain hyvin pienen osan kaikista galakseista: jos valitsee galakseja sattumanvaraisesti, luultavasti ei osu niihin. Niinpä galaksien tiheys kaaren alueella voi olla paljon isompi kuin sattumanvaraisesti valitulla alueella ilman että kaaret ovat poikkeuksellisia. Pitää sen sijaan laskea todennäköisyys sille, että alue on yhtä tiheä kuin mitä havaitaan kun otetaan huomioon, että siinä on kaari, kuten Teeriaho ja kumpp. tekivät.

Lopez ja kumpp. esittivät, että kaari on poikkeuksellinen myös siksi, että se on niin tiheä. Maailmankaikkeudessa on merkittäviä tiheyseroja, jotka ovat sitä isompia mitä pienemmästä mittakaavasta on kyse: Maapallo on noin 10³⁰ kertaa maailmankaikkeuden keskiarvoa tiheämpi, galaksit ovat noin miljoona kertaa keskivertoa tiheämpiä, galaksiryppäät noin sata kertaa ja niin edelleen. Lopez ja kumpp. esittivät uutta galaksien lukumäärään perustuvaa mittaria ylitiheydelle, ja väittivät että kaaren tiheys on noin kaksi kertaa maailmankaikkeuden keskitiheys – mikä on miljardien valovuosien kokoiselle rakenteelle hyvin paljon.

Teeriaho ja kumpp. osoittivat, että galaksien lukumäärä kaarissa ei kuitenkaan mittaa niiden tiheyttä. Simulaatioissa näkyvien kaarten todellinen ylitiheys on jokusen prosentin luokkaa (monissa on itse asiassa keskivertoa vähemmän ainetta), vaikka Lopezin ja kumpp. menetelmä väittää sen olevan kymmeniä kertoja isompi.

Jättikaari on todellinen kuvio taivaalla, mutta se ei vastaa mitään rakennetta, jonka osasilla on joku yhteys: joskus pisteet avaruudessa sattuvat muodostamaan kaaren. Teeriaho puheessaan havainnollisti asiaa näyttämällä FLAMINGO-simulaatiosta poimitun kuvan, missä galaksit muodostavat flamingon. (Sitä ei ole heidän tieteellisessä artikkelissaan.)

Monet tiedesensaatiot ovat tällaisia, kuten olen usein kirjoittanut (ks. täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä). Tämä ei tarkoita sitä, etteikö maailmankaikkeuden ison mittakaavan rakenteita kannattaisi tutkia tai etteikö niistä saattaisi löytyä jotain nykyisen käsityksen vastaista. Esimerkiksi galaksien virtaus satojen miljoonien valovuosien mittakaavassa on yhä selittämättä, tarkasta syynistä huolimatta.

Päivitys (16/02/25): Lisätty yhteistyökumppanien nimiä alkuun.