Kosmokseen kirjoitettua

Spekulaatioista tieteeksi

9.10.2019 klo 01.30, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti tänään, että vuoden 2019 fysiikan Nobelin palkinnosta puolet saa James Peebles ja toisen puolen Michel Mayor ja Didier Queloz. Palkinto myönnetään ”ansioista maailmankaikkeuden kehityksen ja Maapallon paikan kosmoksessa ymmärtämisessä”. Peeblesin osuus annetaan ”teoreettisista löydöistä fysikaalisessa kosmologiassa”, Mayorin ja Quelozin ”auringonkaltaista tähteä kiertävän eksoplaneetan löytämisestä”.

Yleensä fysiikan Nobelin palkinnot annetaan yksittäisestä kokeellisesta tai teoreettisesta edistysaskeleesta, kuten maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen havaitsemisesta, alkeishiukkasten massojen alkuperän ymmärtämisestä, neutriinojen massojen löytämisestä tai törmäävien mustien aukkojen lähettämien gravitaatioaaltojen havaitsemisesta.

Mayorin ja Quelozin nobelinpuolikas sopii tähän kaavaan. Peeblesin kohdalla on sen sijaan kyse ennemmin elämäntyöpalkinnosta: palkinnon perusteluissa tuodaan esille työ usean aiheen parissa, nostamatta yhtä toisten ylitse. Lyhyen perustelun termi ”fysikaalinen kosmologia” kehystää tekstiä: Peeblesiä kuvaillaan avainhenkilöksi kosmologian siirtymässä ”spekulaatioista tieteeksi”. Tämä siirtymä ajoitetaan 1960-luvulle, tarkalleen Peeblesin vuoden 1965 tieteelliseen artikkeliin, jossa hän yhdisti kosmisen mikroaaltotaustan galaksien syntyyn. Myös fyysikko Jakov Zeldovitšin artikkeli samalta vuodelta mainitaan. Perustelujen mukaan näitä kahta artikkelia ”voidaan pitää alkupisteenä fysikaaliselle kosmologialle, missä fysiikan lakeja sovelletaan koko maailmankaikkeuteen”.

Tämä on liioiteltua. Kuten tekstissä mainitaan, koko maailmankaikkeuden käsittelyn yleisen suhteellisuusteorian keinoin aloitti jo Albert Einstein vuonna 1917, ja vuonna 1922 Aleksander Friedmann löysi mallin, jolla maailmankaikkeuden laajenemista kuvataan vielä nykyäänkin. Termillä ”fysikaalinen kosmologia” luultavasti haetaan sitä, että vasta muiden fysiikan haarojen yhdistäminen kosmologiaan teki siitä (ja yleisestä suhteellisuusteoriasta) todella hedelmällisen tieteenalan. Tämäkin kehitys tosin alkoi jo aiemmin: kuten taustamateriaalissa kerrotaan, vuonna 1948 Ralph Alpher, George Gamow ja (ainakin nimensä osalta) Hans Bethe yhdistivät ydinfysiikan ja kosmologian selittääkseen alkuaineiden synnyn.

Tämä ei muuta sitä, että Peebles todella on ollut keskeinen rooli monissa kosmologian tärkeimmissä oivalluksissa. Hän oli ensimmäisten joukossa ennustamassa kosmisen mikroaaltotaustan olemassaolon, selvittämässä kevyiden alkuaineiden syntyä, ja kehittämässä pimeän aineen malleja, joissa on kyse uudesta tuntemattomasta hiukkasesta. Peebles myös nosti nykyään pimeän energian nimellä tunnetun aineen kosmologian keskiöön yli 10 vuotta ennen kiihtyvän laajenemisen havaitsemista (jonka se selittää).

(Tiedeakatemian sekä suurelle yleisölle suunnatussa että tieteellisessä taustamateriaalissa on muuten selitetty väärin se, miten kosmisen mikroaaltotausta epätasaisuuksista voidaan päätellä avaruuden geometria. Edelliseen merkintään liittyen on huvittavaa huomata myös se, että ilmaisua big bang, alkuräjähdys, on käytetty näissä teksteissä eri tavalla: edellisessä termillä viitataan kaiken alkuun ja ja jälkimmäisessä aikakauteen, jolloin aine oli kuumaa ja tiheää.)

Kaikki nämä asiat ovat joko nykykosmologian varmennettuja menestyksiä tai tärkeitä avoimia kysymyksiä. Keskeisistä tutkimusaiheista vain aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan synty ja kosminen inflaatio puuttuvat listasta; ne ovat hiukkasfysiikan puoleista kosmologiaa, ja Peebles on lähestynyt aihetta astrofysiikasta käsin. Peebles kyllä käytti inflaation ennusteita keskeisenä elementtinä pimeää ainetta ja pimeää energiaa koskevassa työssään. Joitakin kutkuttanee se, miten taustamateriaali esittelee (aivan oikein) inflaation muuhun kosmologiaan elimellisesti kytkeytyvänä tärkeänä osana, siitä kun ei ole vielä myönnetty Nobelin palkintoja, joita povataan ja janotaan.

Sattumoisin juuri tänään kurssilla Fysiikkaa runoilijoille sanoin, että pimeästä aineesta ei ole vielä annettu ainuttakaan Nobelin palkintoa, vaikka se havaittiin jo 86 vuotta sitten. Monet olivat toivoneet Vera Rubinille Nobelia pimeään aineeseen liittyvistä havainnoista, mutta hän kuoli 88-vuotiaana vuonna 2016 sitä saamatta.

Peeblesillä on ollut siinä määrin merkittävä rooli pimeän aineen muuttamisessa lähes varmaksi asiaksi, että lausuntoni voi katsoa kumotuksi: pimeä aine on tunnustettu Nobelilla. Taustaselityksissä pimeä aine esitetään jokseenkin varmennettuna tosiseikkana, josta on vain avoinna se, mistä hiukkasista on kyse. Erikseen mainitaan supersymmetriaan liittyvät nynnyt sekä aksionit, ja korostetaan tarvetta löytää pimeän aineen hiukkanen selvyyden saamiseksi.

Palkinto kunnioittaa paitsi Peeblesin monipuolista ja vuosikymmeniä uraa uurtanutta työtä, myös kosmologian kehittymistä rikkaaksi kokonaisuudeksi, jossa palaset ovat loksahtaneet paikoilleen hämmästyttävän saumattomasti. Mahdollisena särönä taustamateriaalissa mainitaan se, miten tällä hetkellä avaruuden avaruuden laajenemisnopeuden määrittäminen eri havainnoista antaa poikkeavia tuloksia, ja uskalletaan luvata että ”fysikaalisella kosmologialla on lisää yllätyksiä varastossa”.