Silmukoiden koukkuamista
Toissaviikolla Helsingissä pidettiin gravitaatioaaltodetektori LISAn kosmologiatyöryhmän kokous. LISAn on määrä nousta taivaalle vasta vuonna 2034, mutta miljardien eurojen projektia suunnitellaan hyvissä ajoin.
En ole LISA-projektissa mukana, joten työryhmien organisoimisen ja projektien hallinnoimisen sijaan seurasin lähinnä esityksiä mahdollisista gravitaatioaaltojen lähteistä, joita LISAn voisi havaita.
LISA näkee varmasti galaksien keskustoissa olevien miljoonia tai miljardeja kertaa Aurinkoa raskaampien mustien aukkojen törmäyksiä. Havainnot auttavat ymmärtämään niiden syntyä ja kasvua, joka liittyy isäntägalaksien kehitykseen tavalla, jota ei vielä täysin ymmärretä. LISA saattaa myös nähdä näihin valtaviin mustiin aukkoihin tiukoilla radoilla syöksyviä kevyempiä kappaleita. Jättiläisten lisäksi LISA pystyy myös seuraamaan sitä, miten muutaman Auringon massan kokoiset mustat aukot kiertävät toisiaan ennen yhteen suistumista. LIGO näkee parien noin viimeisen sekunnin, LISA havaitsee loppua edeltäneet rauhallisemmat hetket vuosia aiemmin. Pidempi havaintoaika auttaa testaamaan yleistä suhteellisuusteoriaa tarkemmin.
Varmojen tähtitieteellisten kohteiden lisäksi kiinnostavia ovat spekulatiiviset hiukkasfysiikkaan liittyvät havainnot, yhtenä niistä kosmiset säikeet.
Kosmiset säikeet ovat kappaleita, joiden leveys on hiukkasfysiikan luokkaa, mutta pituus on kosminen. Säikeiden halkaisija on tyypillisesti paljon protonin sädettä pienempi ja pituus miljardeja valovuosia, eli ne ovat oleellisesti yksiulotteisia kappaleita. (Säieteorian säikeiden kanssa kosmisilla säikeillä ei välttämättä ole mitään tekemistä, vaikka säieteoriassakin sellaisia voi olla.)
Kosmiset säikeet –jos niitä on olemassa– ovat muodostuneet sekunnin ensimmäisen murto-osan aikana hiukkasfysiikan kenttien olomuodon muutoksissa. Tapahtumaa voi hahmotella vertaamalla veden muutoksiin. Nestemäisessä vedessä ei ole mitään erityisiä suuntia, molekyylit poukkoilevat samalla tavalla joka puolelle. Veden jäätyessä molekyylit asettuvat aloilleen säännölliseksi kristalliksi. Kun jäätyminen alkaa eri kohdista, kasvavat kristallit osoittavat eri suuntiin. Kahden kristallin kohdatessa syntyy virhe, kohtaamispinta, joka on erilainen kuin kumpikaan niistä.
Hiukkasfysiikassa on veden sijaan kyse hiukkaskentistä, jotka muuttamat olomuotoaan kun aineen lämpötilan laskee maailmankaikkeuden laajetessa. Kaksiulotteisten pintojen lisäksi voi syntyä yksiulotteisia kosmisia säikeitä ja pistemäisiä monopoleja. Nämä ovat kaikki ovat yhtymäpisteissä syntyneitä virheitä.
Hiukkasfysiikan Standardimallin kenttien muutoksissa ei synny tällaisia jäänteitä, mutta monissa sen laajennuksissa syntyy. Kosmiset säikeet olivat suosiossa 1980-luvulla, jolloin ne kilpailivat kosmisen inflaation kanssa rakenteen synnyn selittämisestä.
Inflaation mukaan maailmankaikkeuden kaiken rakenteen siemenet ovat syntyneet kvanttivärähtelyistä. Vaihtoehtoinen selitys oli se, että aineen epätasaisuudet ovat syntyneet raskaiden säikeiden pyyhkiessä aineen halki ja sekoittaessa sitä. Vastuussa olevien säikeiden paino on huimaa mittaluokkaa: sadan metrin pala painaisi yhtä paljon kuin Kuu.
Kvanttivärähtelyt ja kosmiset säikeet saavat aikaan erilaisia siemeniä. Kosmisesta inflaatiosta vastuussa olevan kentän arvo on kvanttivärähtelyjen takia joissain paikoissa isompi ja toisissa pienempi. Kaikki ain syntyy tästä kentästä. Tämän takia sinne, missä kentän arvo on isompi, syntyy enemmän sekä tavallista ainetta että pimeää ainetta. Kosmiset säikeet sen sijaan vispaavat aineen osasia siten, että aineen tiheys säilyy samana: kun säikeet tekevät jonnekin aallonharjan tavallista ainetta, ne myös synnyttävät aallonpohjan pimeää ainetta.
Kosmisesta mikroaaltotaustasta näkyy yksityiskohtaisesti, millaisista epätasaisuuksista rakenteet ovat syntyneet. 1990-luvulla tehdyt tarkat mittaukset osoittivat, että tavallisen aineen ja pimeän aineen huiput ovat samoissa kohdissa: inflaation ennuste on oikea ja kosmisten säikeiden väärä.
Tappion myötä kosmisten säikeiden hohto hiipui, mutta viime vuosina niistä ollaan taas kiinnostuttu. Yksi syy on herkemmät havaintolaitteet. Vaikka kosmiset säikeillä ei ole pääosaa maailmankaikkeuden tarinassa, ne voivat silti näytellä pientä roolia, jonka havaitsee kun oikein tihrustaa. Mitä kevyempiä säikeet ovat, sitä vähäisempi vaikutus niillä on. Kosmisesta mikroaaltotaustasta on etsitty jälkiä säikeistä, jotka hieman häiritsisivät inflaation synnyttämiä epätasaisuuksia, mutta mitään ei ole näkynyt. LISAsta tulee paljon tarkkasilmäisempi kosmisten säikeiden syynääjä.
Maailmankaikkeuden laajetessa säikeet venyvät avaruuden mukana katkeamatta. Ne myös liikkuvat avaruudessa ja voivat kiertyä itsensä ja muiden ympäri. Jos säie kiertyy lenkille ja koukkaa itsensä kanssa, lenkki voi leikkautua irti. Orpo silmukka sitten säteilee energiansa pois hiukkasina ja gravitaatioaaltoina ja kutistuu olemattomiin. Säikeet myös värähtelevät, mikä sekin synnyttää gravitaatioaaltoja, erityisesti risteämiskohdissa, mistä lenkit ovat leikkautuneet irti ja jättäneet jälkeensä terävän kulman sileän säikeen keskelle.
Gravitaatioaaltojen kautta LISA voi havaita säikeitä, jotka ovat miljoona kertaa kevyempiä kuin ne, mitkä olisivat selittäneet rakenteiden synnyn. Nämä ovat aivan liian kevyitä kosmisen mikroaaltotaustan havaittavaksi, mutta arkisessa mittakaavassa silti valtavan raskaita – millimetri painaisi saman verran kuin Mount Everest.
Uusien hiukkasfysiikan kenttien etsiminen gravitaatioaaltojen kautta on esimerkki siitä, miten fyysikot kehittävät uudenlaisia mittalaitteita ja keksivät odottamattomia tapoja naarata tuonpuoleista, kun mitään uutta ei ole nähty.
Maallikon ehkä tyhmä kysymys: mikä oletettujen kosmisten säikeiden varmasti ilmoitetun painon (sata metriä protonin ”paksuista” säiettä Kuun verran) aiheuttaa?
Samalla ihan pieni terminologinen kommentti: veden jäätymistä kuvaavassa kohdassa esiintyy sana ”kristalli”. Kun sanalla on suomessa eri merkityksiä (monet ehkä näkeee kimpaleen vuorikristallia eli kvartsia kiteisessä muodossa tai kiderakenteeltaan amorfisen kristallihiotun lasivaasin), olisiko parempi puhua ”kiteistä” (jäähän on kiderakenteeltaan kuusikulmaista)? Kiteen englanninkielinen vastine on ”crystal”.
Kiitos kysymyksestä, on hauska päästä kommenteissa selventämään asioita, joita sujuvuuden ja pituuden vuoksi en laita merkintään.
Säikeiden jännitys, eli energia per pituusyksikkö, on vakio, eli ne venyvät siten, että se säilyy vakiona. (Toisin kuin vaikkapa kuminauhat, joiden jännitys kasvaa venytettäessä.) Tämä jännitys määräytyy siitä energiasta, millä kentän olomuodon muutos tapahtuu.
Selvennettäköön, että säikeiden halkaisija on siis palkon protonia pienempi – tuossa rakenteen siementen selittäjäksi tarkoitetussa tapauksessa 10^(16) kertaa pienempi.
Pyyhkiessään aineen halki kosmiset säikeet aiheuttavat suhteellisia tiheysvaihteluita, jotka ovat suuruusluokkaa jännitys * Newtonin vakio, eli (muutoksen energiaskaala/Planckin massa)^2. 1980-luvulla suosituksi tulleissa yhtenäisteorioissa kaikki vuorovaikutukset yhtyvät energialla, joka on noin 100 kertaa pienempi kuin kvanttigravitaation Planckin skaala, joten tämä ennusti varhaisten aikojen epätasaisuuksien suuruuden, noin 10^(-5), oikein.
Inflaatiomallit eivät yleensä ennusta epätasaisuuksien suuruutta, ne voisivat periaatteessa olla palkon isompia tai pienempiä. Tässä mielessä kosmiset säikeet olivat vakuuttavampi ehdokas, kun tuo yhtenäisteorian energiaskaala tiedettiin erikseen.
Niinpä tilanne näytti hyvältä: yhtenäisteorioiden skaala tunnetaan ja ne ennustavat olomuodon muutoksia joissa syntyy kosmisia säikeitä. Hiukkasfysiikka ja kosmologia sopivat hienosti yhteen.
Valitettavasti tämä ei kuitenkaan pitänyt paikkaansa. Kosmiset säikeet ovatkin varoittava esimerkki siitä, miten kauniita ja harhaanjohtavia sattumia fysiikassa on.
Saatat olla kide-sanasta oikeassa.
Erittäin mielenkiintoista, mutta voisiko LISA havaita myös eetteripyörteitä yms. tonttuhiukkasia? Jotenkin tulee mieleen, että tutkijat hypettävät ja markkinoivat projektiaan suurelle yleisölle sekä erityisesti poliitikoille, joille pelkistä mustista aukoista puhuminen tuo mieleen vain budjettivajeen.
Tarkennatko kysymystäsi? En ymmärrä kommenttiasi mustista aukoista ja budjettivajeesta.
Lisäluettavaa esim.: https://cosmosmagazine.com/physics/cracks-in-the-universe
Jahtaammeko turhaan? Another possibility is that ancient cosmic strings radiated away their energy and faded to nothingness too quickly after the Big Bang to have left a lasting impression.