Minne olemme menossa?
Maa vetää Kuuta puoleensa, Aurinko Maa-Kuu-paria, Linnunradan keskusta Aurinkokuntaa. (Oikeasti on kyse siitä, että aine kaareuttaa aika-avaruutta, mutta tässä yhteydessä on helpompi puhua vetovoimasta.) Linnunrata on osa noin kymmenen miljoonan valovuoden kokoista paikallista ryhmää, jossa galaksit ja kääpiögalaksit kiertävät toisiaan. Mutta paikallinen ryhmä myös liikkuu kokonaisuutena – jokin kaukainen massakeskittymä vetää sitä puoleensa.
1980-luvulla havaittiin, että paikallisen ryhmän lisäksi muutkin galaksit liikkuvat samaan suuntaan. Ehdotettiin, että vastuussa on noin 200 miljoonan valovuoden päässä oleva rakenne, jolle annettiin nimeksi Great Attractor (suomeksi siis suuri puoleensavetäjä).
Periaatteessa on helppo selvittää, missä tuollainen massakeskus on: kun katsoo lähellä olevia galakseja, ne virtaavat kohti massan keskusta, mutta kun katsoo sen taakse, galaksit putoavatkin meitä kohti. Valitettavasti suuren puoleensavetäjän ehdotettu sijainti on Linnunradan levyn takana, mikä vaikeuttaa havaintoja.
Vuosikymmeniä kiisteltiin siitä, onko suurta puoleensavetäjää olemassa. Jotkut totesivat, että kappaleet virtaavat meistä poispäin, vaikka katsoisi väitetyn massakeskittymän ohi, ja että meitä vetää puoleensa vielä kauempana oleva Shapleyn superrypäs, joka on noin 700 miljoonan valovuoden päässä.
Kosminen mikroaaltotausta näyttää ja kosminen inflaatio ennustaa, että maailmankaikkeus on tilastollisesti samanlainen kaikkialla. Se tarkoittaa, että tarpeeksi isossa mittakaavassa joka puolella pitäisi olla yhtä paljon ainetta, joten gravitaatio vetäisi yhtä paljon eri suuntiin. Galaksien odottaisi siis liikkuvan vain keskisuuressa mittakaavassa: yhtenäisesti virtaavat alueet eivät voisi olla muutamaa sataa miljoonaa valovuotta isompia, ja virtausnopeuden pitäisi olla sitä pienempi mitä isommista alueista on kyse.
1980-luvulla mitattiin yksittäisten galaksien liikkumisnopeuksia. On muitakin tapoja selvittää, miten liikumme. Jos galaksien jakauma on samanlainen kaikkialla, niitä pitäisi olla yhtä paljon joka puolella. Mutta kun liikumme johonkin suuntaan, siellä olevat kohteet näyttävät olevan tiheämmässä ja vastakkaisessa suunnassa kohteet näyttävät olevan harvemmassa.
Tämä aberraatioksi nimetty ilmiö liittyy etäisyyksien kutistumiseen suppeassa suhteellisuusteoriassa. Se on merkittävä vain silloin, kun nopeus on lähellä valonnopeutta. Nopeutemme galaksien jakauman suhteen on joitakin satoja kilometrejä sekunnissa, eli noin tuhannesosa valonnopeudesta. Galaksien liikkeestä johtuva tihentyminen on siis heikkoa, joten sen erottamiseksi pitää mitata monta galaksia. 2000-luvulla tästä on tullut mahdollista, koska teknologia on edistynyt niin paljon, että on saatu kartoitettua miljoonien galaksien sijainti.
Fyysikko Subir Sarkar (jonka vaikutuspiirissä olin tutkijanurani alkuvaiheilla Oxfordin yliopistossa vuosina 2002-2005) on ollut viime aikoina yksi näkyvimpiä aiheen tutkijoita. Subir on yhteistyökumppaneineen osoittanut, että galaksien tihentyminen on paljon ennustettua isompaa. Jos tämä johtuu liikkeestämme galaksien suhteen, nopeutemme on siis paljon ennustettua isompi. Nopeutta voi mitata myös muilla tavoin, ja vaikuttaa siltä, että havaintojen selittäminen galaksien liikkeiden avulla edellyttää noin miljardin valovuoden kokoista yhtenäistä virtausta.
Tilastollisesti poikkeama ennusteista on erittäin merkittävä, selvästi yli hiukkasfysiikassa (ja yhä enemmän myös kosmologiassa) löydölle käytetyn rajapyykin, joka on se, että sattuman todennäköisyys on alle yksi kahdesta miljoonasta. Sitä ei kuitenkaan mainosteta löytönä.
Yksi syy on se, että eri ryhmät ovat päätyneet hieman erilaisiin tuloksiin, ja analyysin yksityiskohdista keskustellaan. Toinen liittyy fyysikko Arthur Eddingtonin (jolla oli tärkeä rooli yleisen suhteellisuusteorian testaamisessa ja ymmärtämisessä) nimiin laitettuun sanontaan: ei pidä luottaa kokeisiin ennen kuin teoria on vahvistanut ne.
Joskus esitetään, että empiirinen tiede etenee siten, että teoria hylätään, jos sen ennusteet eivät vastaa havaintoja. Todellisuus on monimutkaisempi, jo pelkästään sen takia, että myös havainnot ovat joskus väärin, mistä Subir on itse usein huomauttanut. Niin kauan kuin havainnoille ei ole hyvää teoreettista selitystä, ne ovat epäilyksenalaisia, tai ainakaan ei tiedetä miten ajattelua pitäisi niiden takia muuttaa.
On vaikea selittää, mistä näin isojen alueiden näin isot nopeudet syntyisivät, ilman että samalla jotkin muut havainnot menisivät pieleen. Yksi mahdollisuus on se, että galaksien jakauman tihentymä ja harventuma ei johdukaan liikkeestämme, vaan galakseja todella on yhdessä taivaan suunnassa tiheämmin.
Nämä kaksi mahdollisuutta on mahdollista erottaa havaintojen avulla. Voidaan esimerkiksi mitata galaksien paikkojen lisäksi myös niiden koot. Jos havaittu galaksien tihentymä johtuu liikkeestämme, se vaikuttaa myös siihen, minkä kokoisilta galaksit eri suunnissa näyttävät. Jos taas galakseja on oikeasti tiheämmässä, ne näyttävät saman kokoisilta eri puolilla.
Tällaiset mittaukset ovat vaativia, mutta Euroopan avaruusjärjestö ESA:n Euclid–satelliitti tekee niitä parhaillaan. Euclidin ensimmäiset kosmologiatulokset julkistetaan vuonna 2026, ja ne kenties kertovat, liikummeko tosiaan paljon odotettua nopeammin, vai ovat galaksit jostain syystä sumpussa.
Kummallekaan vaihtoehdolle ei toistaiseksi ole hyvää selitystä, minkä takia monet kosmologit eivät pidä näitä outoja tuloksia kovin tärkeinä. Kolmas mahdollisuus on se, että havaintojen analysoinnissa on jotain pielessä. Tämä ei olisi harvinaista – toisaalta on tavallista, että läpimurtohavaintojen ratkaiseva merkitys tunnistetaan vasta jälkikäteen, kun kaikki on selvää.
Toistaiseksi emme tiedä, mihin suuntaan tutkimus menee: kertovatko nämä tulokset jostain tärkeästä mitä emme vielä ymmärrä, vaiko vain siitä, miten hankalaa on tulkita havaintoja.
Onko mitään mahdollisuutta sille, että kaukaisista galakseista virtaavat valo- sekä gravitaatioaallot kulkisivat eri nopeudella? Voisiko sellainen oletus selittää liikkeen ja tiheyshavaintojen suhdetta, vaikka maailmankaikkeus olisi tilastollisesti samanlainen kaikkialla?
Ei. Havaintojen perusteella valon ja gravitaatioaaltojen nopeus on sama miljoonasosan miljardisosan tarkkuudella. Vaikka ei olisi, niiden eri nopeus ei selittäisi tätä havaintoa.
Kiitos vastauksesta. Nojatuolissa tuli myös mieleen, että voisiko tämä meidän liiketila olla jotenkin kiihtyvä ja se taas (ekvivalenssiperiaatteen mukaisesti?) taivuta avaruutta sekä ”sumputa” edestä päin tulevaa valoa, mikä sitten näkyisi galaksien tihentymänä?
Tällaisesti kiihtyvyydestä ei ole merkkejä. Iso yhtenäinen kiihtyvä liike edellyttäisi sitä, että jokin muu kuin gravitaatio vetäisi valtavan kokoista osaa maailmankaikkeudesta tasaisesti, mitä olisi luultavasti vielä vaikeampi selittää kuin nyt tehtyjä havaintoja.
Muuten, kommenttiosio ei ole paikka omien spekulaatioiden esittämiseen, vaikka menköön nyt.
Olisiko kuitenkin mahdollista, että fraktaalinen rakenteellinen tiheysvaihtelu jatkuu aina vain yhä suurempiin mittakaavoihin, eikä kaikkeus olekaan homogeeninen, vain havaittavuusisotrooppinen, mikä ei riittäisi todisteeksi täydellisestä homogeenisuudesta, vaan ainoastaan siitä, että mittakaavat, joilla epähomogeenisuudet havaitaan, ovat mahdollisesti vielä suurempia kuin mitä tähän asti on kyetty mittaamaan? Jospa Euclid saisi valaistusta tuohon kysymykseen.
Aineen jakauma on fraktaalinen pienessä mittakaavassa, mutta homogeeninen noin 500 miljoonaa valovuotta isommassa mittakaavassa. Tästä on tarkkoja mittauksia. Siksi nämä havainnot ovatkin outoja.