Klimppejä ja kompastuksia
Minulta ja kymmeneltä kollegalta on ilmestynyt sivustolla CQG+ kirjoitus siitä, miksi kosmologiassa ei voida sivuuttaa sitä, että aine on klimppiytynyt. Tarkemmin sanottuna on kyse siitä, että maailmankaikkeuden rakenteet, kuten galaksit ja niistä muodostuvat rihmat, seinämät ja onkalot, voivat vaikuttaa siihen, miten maailmankaikkeus laajenee. Ne jopa mahdollisesti selittävät kiihtyvän laajenemisen ilman pimeää energiaa.
Se, miten epätasaisuuksia sisältävä avaruus keskimäärin laajenee on vaikea ja kiistelty aihe yleisessä suhteellisuusteoriassa. Jotkut tutkijat ovat sitä mieltä, että kysymys on yksinkertainen, ja että on tiedetty jo kauan, että keskimääräinen laajeneminen on samanlaista, kuin jos aine olisi jakautunut tasaisesti.
Yleisen suhteellisuusteorian arvostettu mestari Robert Wald ja hänelle väitöskirjan tehnyt Stephen Green kuitenkin totesivat, että yleensä esitetyt argumentit eivät ole paikkansapitäviä ja kiinnostuivat tutkimaan asiaa tarkemmin. Keskustelimme aiheesta pitkään vieraillessani vuonna 2010 Chicagon yliopistossa, jolloin olin tutkinut sitä seitsemän vuotta.
Green ja Wald kehittivät oman tapansa laskea klimppien vaikutusta ja julkaisivat sarjan artikkeleita, joissa he väittivät ratkaisseensa ongelman ja osoittaneensa, että rakenteilla ei tosiaan ole vaikutusta. Monet asian parissa työskennelleet tai yleistä suhteellisuusteoriaa muuten tuntevat suhtautuivat työhön kiinnostuneesti, mutta löysivät pian sekä uudesta lähestymistavasta että sen soveltamisesta pulmia ja puutteita.
Viime vuonna joukko meitä kirjoitti yhdessä lehteen Classical and Quantum Gravity artikkelin, jossa ruodimme Greenin ja Waldin lähestymistapaa ja setvimme ongelman nykytilaa. Kirjoittajien joukossa on eräitä maailman arvostetuimpia kosmologeja ja yleisen suhteellisuusteorian asiantuntijoita, sekä vähäisempiä nimiä, kuten minä. CQG+ on kyseisen lehden populaareja ja puolipopulaareja tekstejä julkaiseva oheissivusto. Yritimme siellä ilmestyneessä tekstissämme tiivistää 38-sivuisen artikkelimme viestin tuhanteen sanaan tavalla, joka aukeaa muillekin kuin alan asiantuntijoille, pitäytyen asioissa, joista kaikki 11 kirjoittajaa olemme samaa mieltä.
Aiheen kiistanalaisuudesta kertoo jutun julkaisuprosessi. Alun perin lehti pyysi meiltä puolipopulaaria juttua. Syynä oli se, että tieteellisen artikkelimme lukeneet kolme vertaisarvioijaa sattuivat kaikki tykkäämään siitä kovasti. (Tästä tosin ei voi oikeasti päätellä sitä, että artikkeli olisi poikkeuksellisen hyvä; vertaisarvioinnissa on paljon sattumanvaraisuutta.) Kirjoitimme jutun, se oikoluettiin ja hyväksyttiin julkaistavaksi. Sitä ei kuitenkaan ilmestynyt sivuille, ja lopulta lehden toimitus ilmoitti, että sitä ei julkaistakaan.
Syy oli yllättävä. Tekstimme ei toimituksen mukaan sopinut julkaistavaksi, koska se keskittyi asiaan, josta tutkijat ovat eri mieltä. Toimittaja oli kuullut, että jotkut kiistan eri puolilla olevista ihmisistä olivat pahoittaneet mielensä, eikä lehti halua julkaista tekstiä, mistä joku saattaisi pahoittaa mielensä vielä lisää.
Kyseltäessä yksityiskohtia selitykset muuttuivat vielä oudommiksi. Toimitus sanoi, että teksti jossa kerrotaan henkilöiden välisestä kiistasta (kuten lehti asiaa nimitti) ei sovi CGQ+:aan, koska sivusto keskittyy henkilöihin, ei tieteeseen. Toisaalta se kertoi, että koska CQG+ ei ole vertaisarvioitu, siellä ei voida julkaista tekstiä, missä sanotaan jonkun olevan väärässä, koska lehti voidaan haastaa oikeuteen kunnianloukkauksesta. Kolmannekseen toimitus oli sitä mieltä, että koska tieteellinen artikkelimme on jo julkaistu, sen keskeisen sisällön toistaminen ei tuo lisäarvoa. (Meiltä oli siis pyydetty teksti CGQ+:n sarjaan, jossa kerrotaan lehdessä olevista artikkeleista.)
Tilanteen eriskummallisuutta lisää se, että lehdessä julkaistu tieteellinen artikkelimme oli paljon kriittisempi kuin kirjoittamamme puolipopulaari juttu. Sovimme lehden kanssa, että muokkaamme tekstiä siten, että siinä sanotaan vähemmän suoraan, että toiset tutkijat ovat väärässä, ja niinpä se sitten viime viikolla julkaistiin. Kenties joidenkin kirjoittajien nimekkyys auttoi asiaa. En tiedä, miten olisi käynyt, jos saman tekstin takana olisi ollut yksinäinen nuori tutkija vailla arvovaltaa.
En ole tieteellisten artikkelien yhteydessä koskaan törmännyt moiseen kampitukseen. Tavallaan tapaus onkin ilahduttava muistutus siitä, että vaikka tieteellisessä vertaisarvioinnissa on ongelmia ja se on rajoittunutta, se kuitenkin edistää paikkansapitävyyttä ja kriittistä argumentointia tehokkaammin kuin uutislehtien ja populaareja tekstejä julkaisevien sivustojen journalistiset, kaupalliset ja poliittiset kriteerit.
Mitä itse asiaan tulee: rakenteiden vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen on yhä tuntematon.
Mikäli rakenteet selittäisivät kiihtyvän laajenemisen ilman pimeää energiaa, mitä tämä tarkoittaisi laajemmassa kontekstissa kosmologian (ja muiden siihen liittyvien alojen) suhteen? Mitä siitä seuraa eri teorioiden ja mallien kannalta, että pimeää energiaa ei tarvitakaan?
Kiinnostaisi myös, mitä asioita jouduitte jättämään pois artikkelista CGQ+ vaatimuksesta?
Mika:
Yleisesti pidetään hyvin vaikeana ymmärtää havainnot selittävän pimeän energian ominaisuudet. (Lähinnä siis, miksi sen energiatiheys on niin pieni.)
Jos pimeää energiaa ei tarvittaisi, niin se poistaisi yhden vaikean selitettävän asian. Muuhun fysiikkaan sillä ei olisi suurta merkitystä, koska sitä ei ole sen kautta juurikaan pystytty selittämään.
Pimeän energian energiatiheyden pienellä arvolla on tosin motivoitu multiversumiajatusta (ja toisin päin), joten sen suosio varmaan laskisi. Joidenkin mielestä tällä olisi jotain vaikutusta siihen, miten säieteoriasta ajatellaan. Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaikenlaisia-selityksia/
Artikkelista poistettiin Greenin ja Waldin tulosten käsittelyä ja selityksiä siitä, miksi ne ovat mielestämme väärin. Sattumoisin tämän CQG+-jutun ilmestyttyä Greenilta ja Waldilta tuli muuten juuri tällä viikolla uusi lyhyt artikkeli, jossa he selittävät yksinkertaisemmalla tavalla, miten heidän lähestymistapansa osoittaa rakenteiden vaikutuksen pieneksi. Valitettavasti CQG+-tekstistämme ei enää saa kovin konkreettista osviittaa siihen, miksi näin ei ole.
Ultimately, any cosmological model must successfully predict observations of the actual Universe. Separately, some of us have produced phenomenological models with backreaction that can be observationally distinguished from the standard FLRW cosmology. Such models are still in their early days.
Mitä nämä ”erot” olisivat (observationally distinguished)? Vai ovatko mallit niinpaljon ” still in their early days”, että mitään ei voida sanoa.
PS: oletko värjännyt tukkasi punaiseksi?
Lentotaidoton:
Eräs mahdollisesti merkittävä ero on se, että etäisyyksien ja laajenemisnopeuden suhde on erilainen kuin yleensä. Samoin etäisyyksien yhteenlaskukaava on yleensä ottaen erilainen, ja parallaksietäisyyden ja muiden etäisyyksien suhde myöskin.
Vähän näistä täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/nakokulman-muutoksia/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/laskemista-valonsadetta-pitkin/
Muunkinlaisia ideoita on.
Olen.
Lisäkysymys:
The coincidence that the expansion of the Universe appears to have started accelerating at the same epoch when complex nonlinear structures emerged has led a number of researchers to question some basic assumptions of the standard cosmology. In particular, does the growth of structure on scales smaller than 500 million light years result in an average cosmic evolution significantly different from that of a spatially homogeneous and isotropic Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker (FLRW) model? After all, this model keeps spatial curvature uniform everywhere and decouples its evolution from that of matter, which is again not a generic consequence of Einstein’s equations.
In general relativity this must ultimately involve the coarse-graining not only of matter, but also of geometry, a nonlinear fitting problem which involves unresolved fundamental physical questions.
Tämä “yhteensattuma”: eli mallinne mukaan tämä backreaction olisi siis alkanut silloin noin 5-7 miljardia vuotta sitten kun noin 500 miljoonan vv ja pienempiä rakenteita alkoi syntyä ja kiihtyvä laajeneminen olisi alkanut? Eikö kuitenkin pimeä energia ole ”luonnollisempi/järkevämpi” selitys, vaikkakin sen energiatiheys on (toistaiseksi) problemaattinen.
Lentotaidoton:
En ole barma ymmärsinkö kysymystä. Backreactionin tapauksessa ei ole mitään yhteensattumaa. Backreaction tarkoittaa rakenteiden vaikutusta laajenemisnopeuteen. Rakenteiden muodostumisessa on erityinen aikaskaala, joka on noin 10 miljardia vuotta, jolloin ne tulevat merkittäviksi. (Tämän aikaskaalan alkuperä ymmärretään erittäin hyvin.)
(Se, onko rakenteiden vaikutus laajenemisnopeuteen iso, on vielä ratkaisematon kysymys.)
Kyllä termi backreacktion on hanskassa, senkun suoraan kääntää englannista. Siinä se (coincidens) on ensimmäisessä lauseessa:
The coincidence that the expansion of the Universe appears to have started accelerating at the same epoch when complex nonlinear structures emerged…
Kiihtyvän laajenemisen yhteensattuminen samaan aikaan kuin…
Olen tyytyväinen että työskentelet tämän(kin) aiheen parissa edelleen.
Liittyen tuon artikkelin julkaisemisen kiemuroihin, kerron oman hieman vastaavan tarinani vaikka se ei liitykään samaan fysiikkateemaan. Olen julkaissut noin 150 artikkelia, hylättyjä on niiden lisäksi ollut joitakin kymmeniä. Referointi on yleensä ollut asiasta, mutta yhden hylätyn paperin tapaus ei sitä ollut. Robert Winglee oli julkaissut JGR:ssä paperin jossa hän esitti että jos sijoitetaan avaruusalukseen magneetti ja plasmalähde, ulosvirtaava plasma laajentaa syntyvän keinotekoisen magnetosfäärin jolloin alus voi purjehtia tehokkaasti aurinkotuulen avulla. Huomasin että tuossa oli se ajatusvirhe että aurinkotuulesta siirtyvä liikemäärä menee lähinnä pakenevan plasman kiihdyttämiseen. Vaikuttaahan komeetankin pyrstöön merkittävä voima aurinkotuulesta ja auringon säteilypaineesta, mutta se ei juurikaan vaikuta komeetan ytimen rataan. Tein tuosta lyhyen käsikirjoituksen (Letter to the Editor) JGR:ään. Editori kuitenkin kieltäytyi ottamasta artikkeliani referoitavaksi koska ”ei halunnut erimielisyyttä ja väittelyä lehtensä sivuille.”
Tarjosin samaa juttua vielä eurooppalaisellekin lehdelle. Siellä referoija totesi että analyysini näytti oikealta, mutta että Wingleen alkuperäinen idea oli liian typerä jotta paperia tätä korjauspaperiakaan kannattaisi julkaista.
Tuon jälkeen luovuin yrityksistä julkaista artikkelini ja katsoin hedelmällisemmäksi viedä julkaisurintamalla eteenpäin omaa ajatustani eli sähköpurjetta.
Amerikkalaiset ja japanilaiset tutkivat Wingleen ideaa vuosikaudet, rahaa kului varmaan joitakin miljoonia. Nykyään kiinnostus Wingleen konseptia kohtaan on hiipunut. Asiaa jota tarjosin lehdille noin 15 vuotta sitten ei vieläkään ole tietääkseni julkaistu missään referoidussa lehdessä. Se tosin esitetään yhdessä ESA-raportissamme, vaikkakin (ESA:n vaatimuksesta) jonkin verran peitellysti.
Selvyyden vuoksi totean että aiempi Robert Zubrinin esittämä tavallinen plasmaton magneettipurje on teoriassa toimiva, joskin teknisesti hankala. Ajatusvirhe koskee ainoastaan Wingleen plasmallista varianttia. Toisaalta on myös niin että Wingleen virheellinen paperi oli alunperin syy sille miksi ylipäätään tutustuin minkäänlaiseen avaruuspropulsioon ja löysin sähköpurjeen periaatteen.
Keskustelin asiasta myös itsensä Wingleen kanssa eräässä kokouksessa noin tunnin ajan. Hän pysyi tiukasti oman konseptinsa periaatteellisen oikeellisuuden takana, mutta väitti että siinä on teknisiä ongelmia jotka tällä hetkellä estävät käytännön toteutuksen. Näitä ongelmia hän ei kuitenkaan suostunut tarkentamaan eikä hänen paperissaankaan sellaisia mainita.
Kokemukseni mukaan tieteessä saa helposti nenilleen jos kritisoi jotakin vanhaa. Täysin uuden asian saa läpi helpommin.
Olisikohan sellainen malli numeerisesti laskettavissa jossa galaksijoukkojen oletetaan olevan keskenään identtisiä, sijaitsevan tasavälisessä hilassa ja kutakin joukkoa approksimoidaan samanmassaisella mustalla aukolla? Laskun helpottamiseksi aukon Schwarzschildin metriikan voisi lisäksi kehittää sarjaksi jossa Newtonin termin lisäksi otetaan mukaan seuraava termi. Vain yhtä alkeiskoppia jossa on yksi aukko tarvitsisi laskea, ja käytettäisiin periodisia reunaehtoja kuten kiinteän olomuodon fysiikassa.
Pekka Janhunen:
Mustien aukkojen aika-avaruuksien laajenemista on tutkittu niin numeerisesti kuin analyyttisestikin, ihan eksaktisti. Myös tuollaisia sarjakehitelmäapproksimaatioita on laskettu, ja numeerisia laskuja pölyn täyttämästä avaruudesta vailla symmetrioita.
Kysymys ei kuitenkaan ole se, onko joissakin aika-avaruuksissa rakenteiden vaikutus iso, vaan se, mikä on todella olemassa olevien rakenteiden vaikutus. Kaikki laskut ovat olleet toistaiseksi tavalla tai toisella liian epärealistisia vastatakseen tähän.
Ks. paperin http://arxiv.org/abs/1308.6731 intro. (Uusimpia simulaatioita siinä ei ole mukana.)
Pekka Janhunen:
”Kokemukseni mukaan tieteessä saa helposti nenilleen jos kritisoi jotakin vanhaa. Täysin uuden asian saa läpi helpommin.”
Pitää paikkansa myös kosmologiassa ja hiukkasfysiikassa.
Kiitos paperista.
Eikö ole niin että kun kerran massakeskittymät (galaksijoukot) toimivat suurentavina painovoimalinsseinä, silloin vastaatavasti alitiheät alueet toimivat pienentävinä (koverina) linsseinä? Pienentävä linssi ei muuta kohteen pintakirkkautta, joten se näyttää pistemäisen kohteen kuten kaukaisen supernovan todellista himmeämpänä. Mitä kauemmas katsotaan, sitä useamman lievästi koveran etualan painovoimalinssin läpi valo matkalla kulkee ja sitä himmeämmältä kaukainen supernova näyttää, vai onko näin?
Jos kaukaista taivasta katsotaan etualan muodostavan stokastisen linssistön läpi joista esimerkiksi puolet on pienentäviä ja puolet suurentavia, silloin enemmistö kaukaisista kohteista näkyy pienentävän ja vähemmistö suurentavan linssin läpi. Tilastollinen vaikutus tehostuu jos koverat (konkaavit) linssit ovat lisäksi keskimäärin isompia kuin kuperat (konveksit).
Onkohan tämä ajatus validi ja jos on, onko se mukana simulaatioissa?
Pekka Janhunen:
Useimmissa noista simulaatioista ei ole tutkittu valon kulkua. Niissä missä valon kulkua on tutkittu, niin mainitsemasi ilmiöt ovat aina mukana.
Tuon gravitaatiolinssi-ilmiön vaikutusta on tutkittu paljon, esimerkiksi Jyväskylän Kimmo Kainulainen on kirjoittanut siitä kollegoidensa kanssa sarjan papereita.
Jos rakenteilla on merkittävä vaikutus, kyseessä ei kuitenkaan ole vain gravitaatiolinssi-ilmiöstä.
Tuli mieleen, että koska kaikki näkyvä aine ja rakenne on muodostunut kuumasta kaasusta, niin löytyykö mitään analogiaa kuuman vesihöyryn jäähtymisestä ja siitä lopulta muodostuneista jääkiteistä ja näistä mitä erilaisimmista ”kuurankukista”?
Jääkiteetkin laajenevat koko ajan ja prosessilla on oma ulkolämpötilasta riippuva dynamiikka. Toki loputtomiin jääkiteet eivät laajene, mutta tarviiko Universuminkaan.
Cargo:
Suurin osa maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta, joka on kylmää alkaessaan muodostaa rakenteita.
Rakenteiden muodostuminen tunnetaan hyvin, ongelmana ei ole se, vaan sen vaikutus avaruuden laajenemiseen. Jääkiteiden laajeneminen on aivan erilainen ilmiö.
Onko olemassa mitään vakavasti otettavia teorioita, jotka selittäisivät havaintoja ilman pimeää ainetta? Vai pidetäänkö sen olemassaoloa niin varmana, ettei kukaan enää viitsi kehitellä poikkeavia malleja, kuten pimeän energian suhteen tehdään?
Mika:
Onhan noita. Ne ovat sekä käsitteellisesti että laskennallisesti monimutkaisempia kuin pimeä aine, eivätkä ole pystyneet selittämään havaintoja yhtä hyvin, mutta kyllä niitä vielä tutkitaan. Tyypillisesti niissä lisätään ylimääräisiä vuorovaikutuksia, jotka ovat gravitaationkaltaisia.