Portaat muinaiseen maailmaan: askelmista 4 ja 5
BICEP2-koeryhmän väittämästä gravitaatioaaltolöydöstä on tullut uutta tietoa – tai uusia huhuja. Planck-ryhmään kuuluva tutkija kertoi viime viikolla, että heiltä on tulossa heinäkuun loppuun mennessä uusiin havaintoihin perustuva analyysi Linnunradan pölystä peräisin olevasta polarisoituneesta mikroaaltotaustasäteilystä. Tulokset kuulemma tukevat sitä näkemystä, että BICEP2 ei ole nähnyt gravitaatioaaltoja. Planckin uusien tulosten on kokonaisuudessaan määrä tulla julkisiksi vasta lokakuussa.
Olen aiemmin kirjoittanut havaitun BICEP2:n havaitseman polarisaation yhteydestä gravitaatioaaltoihin. Uusien tarkastelujen valossa tämä yhteys on aiempaa huterampi, mutta käsittelen kuitenkin nyt hieman sitä, mitä BICEP2:n havainnoista voisi päätellä, jos ne todella johtuvat gravitaatioaalloista. Vaikka BICEP2 ei olisikaan havainnut gravitaatioaaltoja, voi olla että joku muu lähitulevaisuuden mikroaaltokoe niin tekee.
4) Voivatko havaitut gravitaatioaallot olla peräisin muualta kuin inflaatiosta?
Gravitaatioaallot ovat pieniä häiriöitä gravitaatiokentässä, ja niitä syntyy massojen liikkuessa. Gravitaatioaaltoja syntyy koko ajan, mutta ne ovat tyypillisesti hyvin heikkoja. BICEP2 ei näe aaltoja suoraan, vaan koeryhmä päättelee niiden olemassaolon siitä, että mikroaaltojen polarisaatio on erilainen eri suunnissa taivaalla, satojen miljoonien vuosien etäisyyksillä. BICEP2:n näkemissä aalloissa on erityistä tämä valtava aallonpituus, mikä viittaa siihen, että niiden alkuperä on kosminen inflaatio. Tähän liittyy kosmologisen horisontin käsite.
Maailmankaikkeus on äärellisen ikäinen ja valo kulkee äärellisellä nopeudella, joten näemme vain äärellisen osan maailmankaikkeutta. Näkemämme alueen rajaa kutsutaan kosmologiseksi horisontiksi. Maailmankaikkeuden ikä on noin 14 miljardia vuotta, joten jos maailmankaikkeus ei laajenisi, niin horisontin etäisyys olisi nykyään 14 miljardia valovuotta. Koska maailmankaikkeus laajenee, horisontti on kauempana, noin 50 miljardin valovuoden etäisyydellä. Valon etäisyys lähtöpisteestään ei kasva vain siksi, että valo liikkuu, vaan myös sen takia, että avaruus venyy.
Horisontti kasvaa aina ajan myötä, koska valo on ehtinyt kulkea pidemmän matkan. Tämä ei kuitenkaan välttämättä tarkoita sitä, että myöhemmin näkisi suuremman osan maailmankaikkeutta. Näin tapahtuu vain silloin, kun valon kulkema matka kasvaa nopeammin kuin maailmankaikkeuden osien välinen etäisyys. Jos maailmankaikkeuden laajeneminen hidastuu, näin käy: ajan kuluessa näkyviin tulee uusia alueita, joista ei ole aiemmin saanut mitään tietoa. Jos laajeneminen kiihtyy, käy toisin päin: näkyviin ei tule uusia alueita, ja vanhatkin katoavat hiljalleen näkyvistä. Tällöinkin horisontin sisällä oleva alue kasvaa, mutta sen osuus koko maailmankaikkeudesta pienenee.
Kosmisen mikroaaltotaustan syntyhetkellä maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden ikäinen. Jos maailmankaikkeuden laajeneminen olisi aina hidastunut, valo olisi tuolloin ehtinyt kulkea korkeintaan 760 000 valovuotta. BICEP2:n näkemien gravitaatioaaltojen aallonpituus on samaa suuruusluokkaa. (Tai siis oli tuolloin: maailmankaikkeus on sittemmin laajentunut 1090-kertaisesti, joten gravitaatioaallot ovat venyneet satojen miljoonien valovuosien mittoihin.)
Informaatio kulkee korkeintaan valonnopeudella, joten on vaikea ymmärtää, miten tilanteessa, jossa laajeneminen hidastuu, olisi mahdollista saada aikaan horisontin kokoisia gravitaatioaaltoja. Jos gravitaatioaallot ovat peräisin aineen liikkeestä, niin tämä tarkoittaisi sitä, että aineen pitäisi muuttua samalla tavalla kaikkialla näkyvän maailmankaikkeuden alueella. Yksi mahdollisuus tähän on spekulatiiviset aineen olomuodon muutokset, jotka voivat tuottaa gravitaatioaaltoja, mutta ainakaan toistaiseksi tutkitut vaihtoehdot sovi BICEP2:n havaintoihin.
Kosminen inflaatio ratkaisee ongelman. Inflaation mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyi ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana. Tällöin tyhjän avaruuden kvanttifluktuaatioista syntyi gravitaatioaaltoja. Kiihtyvän laajenemisen takia aaltojen pituus venyi paljon isommaksi kuin maailmankaikkeuden näkyvän osan koko. Inflaation loputtua laajeneminen rupesi taas hidastumaan, joten horisontti alkoi saamaan kiinni näitä aaltoja, ja ne tulivat takaisin näkyviin. Inflaatio saa aikaan aaltoja monilla eri aallonpituuksilla, joten on aina olemassa gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on sama kuin kulloisenkin horisontin.
Tämän takia BICEP2:n tulokset, jos niissä on kyse gravitaatioaalloista, tukevat voimakkaasti ideaa inflaatiosta, ja kertovat sen yksityiskohdista.
5) Mitä havaitut gravitaatioaallot kertovat inflaatiosta?
Koska BICEP2:n tulosten tulkinta on tällä hetkellä hyvin epävarma, kirjoitan niiden merkityksestä inflaatiolle vain lyhyesti.
Gravitaatioaallot kertovat, mikä oli maailmankaikkeuden energiatiheys inflaation aikaan. Koska maailmankaikkeus laajenee, sen energiatiheys (eli energia per tilavuus) laskee. Inflaation aikoihin energiatiheys oli hyvin suuri, joten inflaatiota koskevat havainnot antavat tietoa siitä, millaisia fysiikan lait ovat hyvin korkeilla energioilla.
Inflaation tuottamien gravitaatioaaltojen voimakkuus riippuu energiatiheydestä, ja BICEP2:n mukaan inflaation aikainen energiaskaala oli tuhat miljardia kertaa isompi kuin se, mikä LHC-kiihdyttimessä saavutetaan. Koska energiatiheys laskee ajan myötä, on myös mahdollista arvioida maailmankaikkeuden ikä inflaation aikana, ja BICEP2:n mukaan inflaatio tapahtui maailmankaikkeuden ollessa sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tuhannesosan ikäinen.
Suurimmassa osassa inflaatiomalleja energiaskaala on pienempi, joten niissä syntyy heikompia gravitaatioaaltoja. Esimerkiksi polarisaation B-moodeja ensimmäisenä, viime joulukuussa, havainneen South Pole Telescopen taustamateriaalissa todetaan, että inflaation aiheuttamista gravitaatioaalloista johtuvien B-moodien voimakkuus on isompi kuin gravitaatiolinsseistä aiheutuvien B-moodien (eli yhtä iso kuin mitä BICEP2 väittää) ”kaikissa paitsi optimistisimmissa inflaatiomalleissa”.
BICEP2:n gravitaatioaallot siis heittäisivät roskakoriin suurimman osan inflaatiomalleista. Tämä on erinomaisen hyvä asia tieteen etenemisen kannalta. Kukaan ei liene laskenut, paljonko erilaisia inflaatiomalleja on esitetty, mutta sellaisia malleja, jotka ovat tietyssä mielessä yksinkertaisia, on keksitty noin 200 erilaista. Niistä vain 36 sopii sekä Planckin että BICEP2:n havaintoihin, joten BICEP2 on merkittävästi lisännyt tietoamme inflaatiosta. Oikeita inflaatiomalleja on tietysti korkeintaan yksi, ja tarvitaan tarkempia havaintoja erottelemaan noita jäljellejääneitä 36:ta – sekä uusia inflaatiomalleja, joita on jo kehitetty nimen omaan sopimaan BICEP2:n tuloksiin. On kuitenkin vielä ennenaikaista kuopata yhtään mallia, ennen kuin BICEP2:n tuloksista saadaan selvyys, kenties jo tänä kesänä.
3 kommenttia “Portaat muinaiseen maailmaan: askelmista 4 ja 5”