Muisto läheisestä yhteydestä
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.
”Tähän kaavailtiin 2010-luvulla PIXIE-satelliittia, jota ei kuitenkaan rahoitettu, mutta yhä valmistellaan paluuta spektrin mittaamiseen, jotta näkisimme muinaisten aikojen aineeseen pintaa syvemmälle.”
Tutkailin noita PIXIE-satelliitin esittelyjä. Niiden mukaisesti laite todella olisi ollut erittäin edistyksellinen (ja olisi ilmeisesti tarkentunut moni asia varhaiskosmologiassa). Kompastuiko vain rahaan, vai oliko muita (teknisiä, tieteellisiä) esteitä? Olettaisi vielä kymmenessä lisävuodessa tulleen paljon lisätietoutta havainnointiin. Tämä laitehan olisi tietysti pureutunut vielä varhaisempiinkin aikoihin eli inflaation kosmologiaan (polarisaatio), tappoiko BICEP2 sähläys rahoituksen?
En valitettavasti tiedä miksi PIXIEtä ei rahoitettu. Pitääkin kysyä asiasta kun törmään taas spektrimittausten asiantuntijaan.
Voisiko olla niin, että valon dualismismissa olisi lopulta kyse ”vene vesillä -ilmiöstä. Kun kohdistetaan huomio tarkasti” veneeseen,” niin nähdään” vene”, mutta ”kauempaa katsottuna havaitaan vain liikkuvan veneen muodostamat aallot” https://physicsworld.com/wave-particle-duality-quantified-for-the-first-time/
Edistys fysiikassa edellyttää teorioiden matemaattisen rakenteen ymmärtämistä. Sitä ei voi saavuttaa tuollaisia populaareja vertauskuvia pohtimalla.
Aaltohiukkasdualismista hieman alla. Koska tämä ei liity merkinnän aiheeseen, niin ei siitä sen enempää.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/pikkuhyrrien-kertomaa/
”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.”
Paljonkohan tuossa alkukeitossa on tapahtunut kuplintaa aiheuttaneita satunnaisia fuusiopamauksia, kun ympäristön paine on puristanut alkeishiukkasia kasaan? Lisäksi tuollainen aaltoilu voisi summautua isoksi ’superaalloksi’, jolla saattaa olla kosmisia seurauksia 🙂
Fuusio tarkoittaa kevyiden atomiydinten yhtymistä raskaammiksi ytimiksi. Tätä tapahtuu vain noin kolmen minuutin ja puolen tunnin välillä: sitä ennen on niin kuuma, että ytimet eivät pysy kasassa, sen jälkeen niin kylmä, että ydinreaktiot sammuvat. Kuplimisella ei ole asian kanssa mitään tekemistä.
Täyttiko aine tuossa 380000 vuotta vanhassa maailmankaikkeudessa koko maailmankaikkeuden? Valo varmaankin lähti tuolloin joka suuntaan niin valohan etenee ainetta nopeammin niin laajentaako maailman kaikkeuden reunalta lähtenyt valo maailmankaikkeutta?
Näkyvän aineen ja valon tiheys on sama kaikkialla noin sadastuhannesosan tarkkuudella, pimeän aineen noin tuhannesosan.
Maailmankaikkeudella ei ole reunaa, ks
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajaton_kasvu
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/muotoja-ilman-mittanauhaa/
CMB syntyaikoina universumi oli tasaista puuroa, jossa alkoi atomit muodostua. Toki fotonit sinkoilivat mm. atomeista joka suuntaan. Materian määrä universumissa ei varmaankaan ole ääretön? Näin ollen voisi ajatella, että fotonit ovat levinneet laajemmalle kuin materia.
Emme tiedä onko maailmankaikkeus äärellinen vai ääretön, emmekä näin ollen myöskään sitä, onko ainetta äärettömästi. Tällä ei kuitenkaan ole mitään tekemistä sen kanssa, ovatko fotonit levinneet laajemmalle kuin aine.
Olipa universumin topologia mikä tahansa sen tila kasvaa koko ajan. Jos koko on ääretön se kasvaa äärettömästä vielä suuremmaksi eli äärettömäksi. Voidaanko olettaa että taustasäteily on jakautunut tasaisesti tässä tapauksessa?
Kaikkialla näkemässämme maailmankaikkeudessa kosminen mikroaaltotausta -kuten kaikki muukin- on tilastollisesti samanlaista kaikkialla. (Avaruuden laajeneminen ei tee kosmisesta mikroaaltotaustasta erilaista eri puolilla.) Näemme 50 miljardin valovuoden päähän. Emme tiedä millaista kauempana on, mutta ei ole mitään syytä odottaa, etteikö kosminen mikroaaltotausta olisi tasainen muuallakin.
Kiitos vastauksesta. Jos universumi on ääretön, oli alussa myös ääretön lämpötila äärettömän tiheässä. Miksi taustasäteilyn lämpötila on laskenut arvoonsa? Vaikka ääretöntä jakaa millä tahansa tilavuusyksikölle lopputulos on ääretön.
Sillä, onko maailmankaikkeus äärellinen vai ääretön, ei ole mitään tekemistä sen kanssa, mikä siinä olevan aineen lämpötila on. Tämä riittäköön tästä.
Muistuuko mieleen onko taustasäteilystä menossa mitään uudenlaisia tutkimuksia vai onko siitä
kaavittu jo kaikki irti?
Merkinnässä kirjoitan siitä, miten kosmisen taustasäteilyn spektristä on tehty vain yksi mittaus, ja sitä haluttaisiin mitata tarkemmin.
Muut kosmisen mikroaaltotaustan suunnitteilla olevat kokeet tähtäävät sen polarisaation tarkempaan mittaamiseen gravitaatioaaltojen jäljen havaitsemiseksi.
Toistaiseksi varmistuneita kokeita ovat Simons Observatory ja japanilainen LiteBIRD-satelliitti, suunnitteilla on myös nimellä S4 kulkeva maanpäällinen laitteisto.
http://litebird.jp/eng/
https://simonsobservatory.org/
https://cmb-s4.org/