Kosmokseen kirjoitettua

Portaat muinaiseen maailmaan: askelma 3

14.4.2014 klo 10.57, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

BICEP2-koeryhmä ilmoitti maaliskuun 17. päivä havainneensa B-moodeina tunnetun pyörrekuvion kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatiossa. Se saattaa aiheutua maailmankaikkeuden ensihetkien kosmisessa inflaatiossasyntyneistä gravitaatioaalloista. Matkalla BICEP2:n havainnoista inflaatioon on viisi askelmaa:

1) Onko BICEP2 havainnut B-moodeja?

2) Voivatko havaitut B-moodit selittyä tunnetuilla ilmiöillä?

3) Voivatko havaitut B-moodit selittyä muilla uusilla ilmiöillä kuin gravitaatioaalloilla?

4) Voivatko havaitut gravitaatioaallot olla peräisin muualta kuin inflaatiosta?

5) Mitä havaitut gravitaatioaallot kertovat inflaatiosta?

Kirjoitin edellisessä merkinnässä, että vastaus ensimmäiseen kysymykseen on ”erittäin luultavasti” ja toiseen ”ei vaikuta siltä, mutta varmuuden saamiseksi pitää odottaa Planck-satelliitin havaintoja”. Mainitsin myös, että melkein kaikissa silloin ilmestyneistä 88:sta asiaa käsittelevästä artikkeleista (nyt, viikkoa myöhemmin, niitä on noin 116) oli oletettu, että BICEP2:n havainnot pitävät paikkansa. Nyt on ilmestynyt ainakin yksi piristävä poikkeus, jossa on esitetty, että Linnunradassa saattaisi olla supernovien jäänteisiin liittyvä merkittävä B-moodien lähde, jota ei ole otettu huomioon. Ehdotuksessa on useita epävarmoja kohtia, mutta se on seuraamisen arvoinen, ja palaan asiaan tilanteen tarkentuessa. Aiheesta enemmän Physics Worldissa ja Peter Colesin blogissa (myös kommentit ovat kiinnostavia).

Oletan tässä, että B-moodeja on havaittu ja että niiden alkuperä on Linnunradan ulkopuolella, eli jatkan askelmalle 3.

3) Voivatko havaitut B-moodit selittyä muilla uusilla ilmiöillä kuin gravitaatioaalloilla?

Gravitaatioaallot eivät ole ainoita asioita, jotka synnyttävät B-moodeja. Kuten edellisessä merkinnässä mainittiin, gravitaatiolinssit saavat aikaan samanlaisia pyörrekuvioita kuin gravitaatioaallot. B-moodien alkuperän voi päätellä siitä, minkä kokoisia ne ovat. Gravitaatiolinssien aikaan saamat pyörteet ovat liian pieniä selittääkseen BICEP2:n havainnot, koska linsseinä toimivien galaksien ja galaksiryppäiden koko taivaalla on liian pieni. Tarvitaan siis jotain isompaa. Kahta mahdollisuutta on ehdotettu: galaksien välisiä magneettikenttiä ja kosmisia säikeitä.

Galaksien väliset magneettikentät olisivat luonteva vaihtoehto. Tiedetään, että galakseissa on magneettikenttiä. Linnunradan magneettikentissä liikkuvien hiukkasten lähettämät polarisoidut mikroaallot ovat tärkeä mahdollinen virhelähde BICEP2:lle, joskin luultavasti ne ovat liian heikkoja selittääkseen havainnot.

Mutta magneettikenttiä on myös isompia: suurimmat havaitut magneettikentät ovat noin miljoonan valovuoden laajuisia, mikä on tyypillisen galaksiryppään kokoluokkaa, eli tällaiset kentät saavat aikaan liian pieniä pyörteitä. Ei ole varmuutta siitä, mistä nämä magneettikentät ovat saaneet alkunsa. Uskottavia vaihtoehtoja on kaksi: joko ne ovat syntyneet kosmisten rakenteiden kuten galaksien ja galaksiryppäiden muodostuessa satojen miljoonien vuosien aikana, tai sitten ne ovat peräisin kosmisesta inflaatiosta.

Jos magneettikentät syntyvät galaksien ja muiden rakenteiden mukana, niiden maksimikoko on suunnilleen sama kuin noiden rakenteiden, eivätkä ne aiheuta tarpeeksi isoja pyörteitä. Mutta jos magneettikentät ovat syntyneet inflaatiossa, niin ne ovat alun perin olleet äärimmäisen lyhyitä, hiukkasfysiikan kokoluokkaa, ja venyneet sitten kosmisiin mittasuhteisiin maailmankaikkeuden laajentuessa. Tällöin ei ole mitään estettä sille, etteivätkö ne voisi olla galaksiryppäitä isompia, se on jopa luultavaa.

Miljoonaa valovuotta isompia magneettikenttiä ei ole havaittu, mikä tarkoittaa, että jos niitä on olemassa, niin ne ovat aika heikkoja. Jos oletetaan, että isot magneettikentät ovat suunnilleen niin voimakkaita kuin on mahdollista ilman että niitä olisi havaittu, ja niiden kokojakauma on sellainen mitä inflaatiolta odottaisi, niin voidaan laskea, millaisia B-moodeja ne aiheuttavat.

Tulos näyttää juuri oikealta: BICEP2:n näkemät B-moodit voisi selittää magneettikentillä ilman ainuttakaan gravitaatioaaltoa. Selitys on houkutteleva, koska ainakin pienempiä kosmisia magneettikenttiä on olemassa.

Sekä magneettikentät että gravitaatioaallot selittävät BICEP2:n havainnot hyvin, joten eron tekemiseksi niiden välillä pitää verrata lisäksi joihinkin muihin havaintoihin. Planck-satelliitin äärimmäisen tarkat kosmisen mikroaaltotaustan mittaukset ratkaisevat kiistan. Magneettikentät eivät muuta vain kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatiota, ne myös vaikuttavat sen lämpötilaan. Toisin sanoen sen lisäksi, että magneettikentät muuttavat eri suunnista tulevan valon polarisaatiota, ne myös muuttavat sen kirkkautta, niin että taivaalle syntyy tietynlainen kuvio. Mikroaaltotaivaalle BICEP2:n havainnot selittävistä magneettikentistä syntyvä kuvio on erittäin heikko, lämpötilan muutos on alle sadasmiljoonasosan suuruinen. Planckin mittaukset ovat juuri ja juuri tarpeeksi tarkkoja, että se pystyisi tällaisen kuvion erottamaan, mutta sitä ei näkynyt. Magneettikentät eivät siis voi olla BICEP2:n B-moodeista vastuussa, ainakaan yksinään.

Eksoottisempi tapa saada aikaan B-moodeja ilman gravitaatioaaltoja on kosmiset säikeet. Kosmiset säikeet ovat kappaleita, jotka ovat lähes kaksiulotteisia: ne ovat tyypillisesti paljon protonin läpimittaa ohuempia, mutta niiden pituus voi olla miljardeja valovuosia. Ei tiedetä, onko kosmisia säikeitä olemassa. Mutta jos niitä on, niin niiden valtava tiheys vaikuttaa sekä kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatioon että lämpötilaan.

1980-luvulla kosmiset säikeet olivat kosmisen inflaation kilpailija. Inflaatioidean mukaan galaksien siemeninä toimivat pienet tiheysvaihtelut ovat syntyneet kvanttivärähtelyistä maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin alkuhetkinä. Säieidean mukaan epätasaisuudet syntyvät kosmisten säikeiden sivaltaessa maailmankaikkeuden aineen halki: galaksit syntyvät kosmisten säikeiden vanavedessä. Mikroaaltotaustan havainnot 1990-luvulla ja viimeistään 2000-luvun alussa osoittivat kuitenkin, että kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet näyttävät siltä, mitä inflaatio ennustaa, ei siltä, mitä kosmiset säikeet ennustaisivat.

Nykyään tiedetään, että kosmisen mikroaaltotaustan lämpötilan epätasaisuuksista vähintään 97% tulee inflaatiosta ja korkeintaan 3% voi olla peräisin säikeistä. Monet hiukkasfysiikan mallien mukaan kosmisia säikeitä kuitenkin syntyy varhaisessa maailmankaikkeudessa, joten mielenkiinto niihin on säilynyt.

Säikeet synnyttävät kuitenkin polarisaatiota tehokkaasti: vaikka niiden vaikutus lämpötilan vaihteluihin olisi pieni, ne voisivat saada aikaan havaittavia määriä B-moodeja. Toisin kuin gravitaatiolinssit, kosmiset säikeet voivat valtavan pituutensa ansiosta saada aikaan tarpeeksi isoja pyörteitä.

Ajatus on hyvä, mutta ei riitä se, että saa aikaan pyörteitä polarisaatiossa, vaan niiden pitää olla juuri oikean kokoisia ja vahvuisia, mutta ilman, että vaikutus lämpötilaan on isompi kuin 3%. Pelkästään BICEP2:n polarisaatiodatan kohdalla kosmiset säikeet menestyvät joten kuten. Mutta tarpeeksi vahvojen pyörteiden aikaan saaminen vaatii hyvin raskaita kosmisia säikeitä: sata metriä sopivaa säiettä painaisi saman verran kuin Kuu. Vaikka näitä säikeitä olisi hyvin harvassa, vain muutama koko näkemässämme maailmankaikkeudessa, niin ne vaikuttaisivat kosmisen mikroaaltotaustan lämpötilaan enemmän kuin tuo sallitut 3%.

1990-luvun loppupuolella ja 2000-luvun alussa tuli muotiin puhua ”täsmäkosmologiasta” ja mainostaa, että kosmologiasta on tullut tarkkoja mittauksia ja kehittynyttä teoriaa yhdistävä tieteenala. Tuolloin ilo oli kenties ennenaikaista, mutta nykyään tähän on päästy. B-moodien tarkastelussa on keskeistä polarisaatiolle omistautuneen BICEP2:n ja äärimmäisen tarkkoja yleismittauksia tehneen Planckin tulosten yhdistäminen. Usein apuna käytetään vielä muita havaintoja, joista en ole tässä maininnut, kuten taivaalla näkyvää galaksien jakaumaa, josta voi päätellä, miten maailmankaikkeus on laajentunut.

Tiettävästi kukaan ei ole keksinyt muita Linnunradan ulkopuolisia sopivia B-moodien lähteitä kuin gravitaatioaallot, magneettikentät ja kosmiset säikeet. Koska kumpikaan kahdesta jälkimmäisestä ei sovi havaintoihin, voidaan päätellä, että joko kosmologit ovat mielikuvituksettomia tai BICEP2 on nähnyt gravitaatioaaltoja.

On myös mahdollista, että kuvio syntyy osittain gravitaatioaalloista ja osittain kosmisista säikeistä ja magneettikentistä. Tämä voisi olla jopa suotavaa, koska vaikka havaitut pyörteet ovat juuri sopivan kokoisia gravitaatioaaltojen tuottamaksi, ne ovat hiukan odotettua vahvempia – tästä lisää seuraavilla askelmilla! (Voi tosin olla, että väliin tulee keventäviä ohjelmanumeroita, eli että seuraava merkintä ei koske BICEP2:ta.)