Kosmokseen kirjoitettua

Portaat muinaiseen maailmaan: askelmat 1 ja 2

7.4.2014 klo 17.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kolme viikkoa sitten BICEP2-koeryhmä ilmoitti havainneensa kosmisen inflaation synnyttämiä gravitaatioaaltoja. Jos tämä pitää paikkansa, niin kyseessä on vuosituhannen toistaiseksi tärkein hiukkasfysiikan/kosmologian löytö, viesti maailmankaikkeuden alkuhetkiltä ja ensimmäinen kiistaton kokeellinen todiste kvanttigravitaatiosta. Tämä olisi merkkipaalu maailmankaikkeuden perustavanlaatuisessa ymmärtämisessä. Tutkijat ovatkin rynnänneet tutkimaan BICEP2:n mittausten seurauksia. Kolmen viikon aikana on ilmestynyt ainakin 88 julkaisua, joissa käytetään BICEP2:n mittauksia.

Tuloksen suuren merkityksen takia täytyy tarkastella erityisen huolella sitä, pitääkö se paikkansa. BICEP2 ei näe gravitaatioaaltoja suoraan, se voi vain havaita niiden vaikutuksen varhaisesta maailmankaikkeudesta peräisin olevaan kosmiseen mikroaaltotaustaan, tarkemmin sanottuna sen polarisaatioon. Aloitetaan siis siitä, mistä polarisaatiossa on kyse.

Mikroaallot ovat aaltoja, jotka koostuvat sähkö- ja magneettikentistä. Koska ”sähkömagneettinen aalto” on pitkähkö ilmaisu, käytän jatkossa sanaa ”valo”, joka tarkoittaa samaa asiaa. Arkikielessä valo viittaa vain sellaiseen sähkömagneettiseen säteilyyn, jonka aallonpituus on sopiva, että silmämme havaitsevat sen, mutta fysiikassa sanaa valo käytetään aallonpituudesta riippumatta. Mikroaallot ovat siis näkymätöntä valoa.

Valo aaltoilee kohtisuoraan kulkusuuntaansa nähden. Vedenpinnan aallot käyttäytyvät samalla tapaa: aallot matkaavat vedenpinnan suunnassa, mutta aaltoilu tapahtuu ylös ja alas. Valo sen sijaan ei värähtele vain yhteen suuntaan, vaan mihin tahansa suuntiin tasossa, joka on kohtisuorassa niiden kulkusuuntaa vastaan. Tätä värähtelyä sanotaan polarisaatioksi. Eri valoaallot voivat värähdellä eri tavalla: jotkut värähtelevät vain ylös ja alas tiettyyn suuntaan, toiset värähtelevät monimutkaisemmin. Jos valo värähtelee yhtä paljon kaikkiin suuntiin, sanotaan, että se on polarisoitumatonta, muussa tapauksessa sitä kutsutaan polarisoituneeksi.

BICEP2 ilmoitti havainneensa taivaalta tulevien mikroaaltojen polarisaatio vaihtelevan eri suunnissa tietyllä tavalla. BICEP2:n löytämä polarisaatiokuvio on sellainen, joka syntyy inflaation synnyttämien gravitaatioaaltojen vaikutuksesta. Kyseinen polarisaatiokuvio on pyörteinen, ja se tunnetaan nimellä B-moodi. Kosmisessa mikroaaltotaustassa on toisenkinlainen polarisaatiokuvio, nimeltään E-moodi, joka ei kuitenkaan ole gravitaatioaaltojen kannalta kovin kiinnostava. E-moodeja havaittiin jo vuonna 2002.

Päättelyssä, joka johtaa BICEP2:n havainnoista kosmiseen inflaatioon voi erottaa 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?

Käsittelen tässä kahta ensimmäistä kysymystä ja kirjoitan kolmesta viimeisestä seuraavassa merkinnässä tai parissa. Joka kohdassa oletetaan, että edelliseen kysymykseen on vastattu tyydyttävästi, muuten ei voi jatkaa päättelyä kohti muinaisen maailmankaikkeuden tapahtumia.

1) Onko BICEP2 havainnut B-moodeja?

Toisin kuin mitä juuri sanoin, suurin osa teoreettisista fyysikoista on hypännyt ensimmäisten askelmien yli: BICEP2:sta ilmestyneissä papereissa valtaosasta (ellei peräti kaikissa) on oletettu, että havainnot pitävät paikkansa. Tämä on ymmärrettävää, koska on nopeampaa sanoa, miten valmiit teoreettiset mallit sopivat yhteen uusien havaintojen kanssa kuin ruveta syynäämään sitä, onko havainnot tehty oikein. BICEP2:n datan kriittistä tarkastelua tulee kuitenkin varmasti vielä julki, erityisesti Planck-satelliitin tutkijaryhmältä.

On kuitenkin erittäin luultavaa, että BICEP2 on todella havainnut B-moodeja. BICEP2 on suunniteltu nimenomaan B-moodeja silmälläpitäen ja väitetty signaali on selvästi laitteen mittaustarkkuuden rajoissa. Itse asiassa BICEP2 ei edes ole ensimmäinen koe, joka kertoo B-moodeja nähneensä. Samantyyppinen laite South Pole Telescope (SPT) Etelämantereella ilmoitti viime heinäkuussa havainneensa niitä. POLARBEAR, joka nimestään huolimatta sijaitsee Chilessä, seurasi perästä joulukuussa. Näiden kahden kokeen näkemät B-moodit eivät kuitenkaan ole peräisin gravitaatioaalloista, mikä johtaa seuraavaan kysymykseen.

2) Voivatko havaitut B-moodit selittyä tunnetuilla ilmiöillä?

B-moodeja synnyttävät muutkin asiat kuin gravitaatioaallot. SPT:n ja POLARBEARin havaitsemat B-moodit ovat syntyneet sen seurauksena, että kosminen mikroaaltotausta on kulkenut gravitaatiolinssien läpi. Kun eri kohdissa taivasta mikroaallot kulkevat hieman erilaisten linssien ohitse, niin syntyy pyörrekuvio. (Olisi houkuttelevaa selittää tämä suoraan siihen vedoten, että gravitaatiolinssit synnyttävät rengasmaisia kuvioita, mutta yhteys linssien ja B-moodien välillä on oikeasti monimutkaisempi.)

Gravitaatiolinssien ja gravitaatioaaltojen synnyttämät B-moodit voi erottaa siitä, että niihin liittyvät mikroaaltotaivaalla näkyvät pyörteet ovat erikokoisia. Gravitaatiolinsseinä toimivien galaksien ja galaksiryppäiden koko on pieni verrattuna koko taivaaseen, joten niistä syntyvät pyörteet ovat pieniä. Niiden tyypillinen maksimikoko taivaalla on alle yhden asteen, ja suurin osa niistä on paljon pienempiä. Inflaatiossa syntyvien gravitaatioaaltojen aallonpituus sen sijaan on iso: inflaation aikana ne venyvät valtaviin mittoihin. Niinpä ne saavat aikaan isompia pyörteitä. Inflaation synnyttämien gravitaatioaaltojen aiheuttamia pyörteitä on kahta tyypillistä kokoa, jotka ovat noin kaksi astetta ja noin 20 astetta. (En mene nyt siihen, miksi näin on!)

BICEP2 katsoo tarpeeksi isoa osaa taivaasta, että nuo kahden asteen pyörteet mahtuvat siihen, mutta tarpeeksi pientä, että voidaan valita puhdas osa taivasta, jossa Linnunradasta tulevaa polarisoitunutta mikroaaltosäteilyä on mahdollisimman vähän.

SPT ja Polarbear olivat myös polarisaatiokokeita, mutta niiden näkemä pala taivasta oli liian pieni gravitaatioaalloista aiheutuvien B-moodien hahmottamiseen. Planck katsoo koko taivaankantta, mutta sitä ei ole optimoitu polarisaatiota ajatellen: Planck on yleiskoe, se ei keskity vain yhteen asiaan. Planck on kuitenkin tärkeässä asemassa BICEP2:n tulosten tarkistamisessa.

Eräs mahdollisuus on nimittäin se, että BICEP2:n näkemät polarisoituneet mikroaallot eivät olekaan matkanneet Maapallolle kaukaa varhaisesta maailmankaikkeudesta, vaan ne ovat peräisin kodistamme Linnunradasta. Linnunradan magneettikentissä liikkuvista hiukkasista syntyy pyörteisiä polarisaatiokuvioita, eli B-moodeja. Vaikka BICEP2-ryhmä valitsi sellaisen taivaankannen osan, josta Linnunradasta tulee säteilyä mahdollisimman vähän, ja sen osuuden odotetaan olevan havaittua signaalia pienemmän, asian selvittämiseksi varmasti tarvitaan Planckin uusia havaintoja.

Yksi tähän liittyvä BICEP2:n heikkous on se, että se mittasi mikroaaltoja vain yhdellä aallonpituudella. Jos polarisaatiokuvio aiheutuu gravitaatioaalloista, niin se on hieman erilainen, kun katsotaan taivasta eri aallonpituuksilla, ja tiedetään miten kuvion pitäisi muuttua. Näin ollen mittaus eri aallonpituudella tarjoaisi tärkeän varmistuksen siitä, että kyseessä ei ole Linnunradasta tuleva säteily, jolla on erilainen riippuvuus aallonpituudesta. BICEP2-koeryhmä tekeekin paraikaa mittauksia Keck-nimisellä BICEP2:n seuraajalla, jossa on kaksi taajuutta.

Toinen mahdollinen ongelma on se, että kosmisten mikroaaltojen polarisaatio on hyvin heikkoa. Polarisaation vaihtelut eri suunnissa taivaalla ovat noin sata kertaa pienempiä kuin mikroaaltotaustan kirkkauden vaihtelut. Kirkkauden vaihtelut vaikuttavat polarisaation erottelemiseen datasta, joten niistä pitää olla varma yli prosentin tarkkuudella, jos haluaa olla polarisaatiosignaalista varma. BICEP on tarkastellut asiaa huolella, mutta riippumaton analyysi olisi silti tarpeen.

Katseet kohdistuvat Planck-ryhmään. Tarkasteltuaan asiaa ryhmä on ilmoittanut viralliseksi kannakseen sen, että jos BICEP2:n signaali on todellinen, niin Planckin mittaukset ovat tarpeeksi tarkkoja sen näkemiseksi. Ryhmä kuitenkin sanoo myös, että ei ole selvää, onnistuvatko he puhdistamaan Linnunradasta tulevan signaalin havainnoistaan ja ottamaan systemaattiset virheet huomioon tarpeeksi hyvin. Planckin polarisaatiodatan julkistusajankohdaksi on ilmoitettu lokakuu.

Toistaiseksi ei siis ole varmuutta siitä, onko BICEP2:n signaali todella kosmologista alkuperää, eikä selity Linnunradasta tulevalla säteilyllä. Toisaalta analyysissä ei ole mitään ilmeisiä virheitä eikä vakavia puutteita. Lisäksi mitattujen pyörteiden koko taivaalla on juuri se, mitä gravitaatioaalloilta odottaisikin, vaikka niiden voimakkuus onkin hieman odotettua isompi.

Jatkan seuraavassa merkinnässä siitä, voisivat B-moodit kertoa jostain muusta uudesta fysiikasta kuin gravitaatioaalloista, voisivatko gravitaatioaallot olla peräisin jostain muualta kuin muinaisten aikojen kosmisesta inflaatiosta, ja mitä ne kertovat maailmankaikkeuden alkuhetkistä.