Vaniljan tuolla puolen
Olin toissaviikolla Beyond ΛCDM -konferenssissa Oslossa. Menneinä aikoina konferensseissa esiteltiin tuoreita tuloksia. Nykyään tutkimuksen hedelmät nautitaan nettiarkisto arXivista heti niiden valmistuttua, ja konferensseissa laitetaan ennemmin tunnettuja asioita järjestykseen ja vaihdetaan näkökulmia kuin julkistetaan mitään uutta.
Oslon tapaaminen keskittyi säröjen etsimiseen kosmologian vakiintuneesta mallista, joka tunnetaan kirjainyhdistelmällä ΛCDM. Ensimmäinen kirjain viittaa tyhjön energiaan, jota yleensä merkitään symbolilla Λ, ja loppuosan CDM on lyhenne sanoista cold dark matter, kylmä pimeä aine. Mallissa on muitakin osia, ja sen voi tiivistää seuraavasti.
Varhaisina aikoina maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyi jonkun kentän energian takia. Tämä kosminen inflaatio teki näkemästämme maailmankaikkeuden osasta ison ja melkein tasaisen. Inflaation aikana kvanttivärähtelyistä syntyi galaksien ja muun rakenteen siemenet ja gravitaatioaaltoja. Inflaation loputtua siitä vastuussa ollut kenttä hajosi hiukkasfysiikan Standardimallin hiukkasiksi (joista mekin rakennumme) ja pimeäksi aineeksi, joka koostuu toistaiseksi tuntemattomista raskaista hiukkasista. Maailmankaikkeuden ollessa noin kahdeksan miljardin vuoden ikäinen sen laajeneminen alkoi jälleen kiihtyä tyhjön energian ajamana. Kaikkina aikoina maailmankaikkeuden laajeneminen ja rakenteiden kehitys on yleisen suhteellisuusteorian mukaista.
Mallissa on kolme palaa, joista ollaan vielä kohtuullisen epävarmoja: inflaatio, pimeä aine ja tyhjön energia. Nimessä ΛCDM esiintyy näistä vain kaksi, joten mallin muut nimet saattavat olla osuvampia. Niitä ovat ”standardimalli” (se on yleisesti hyväksytty), ”sopumalli” (se sopii lähes kaikkiin havaintoihin) ja ”vaniljamalli” (se on oletusvalinta kosmologisten mallien joukossa).
Nimi ”standardimalli” voi olla hieman harhaanjohtava, koska sen voi käsittää niin, että malli olisi teoreettisesti yhtä perusteltu kuin hiukkasfysiikan Standardimalli, mikä lieneekin ollut yksi syy nimen valintaan. Mallit ovat kuitenkin luonteeltaan hyvin erilaisia.
Hiukkasfysiikan Standardimalli on kvanttikenttäteorian tarkalle pohjalle rakennettu teoria, jossa on noudatettu Murray Gell-Mannin totalitaristista periaatetta ”kaikki mikä ei ole kiellettyä on pakollista”. Tämä tarkoittaa sitä, että ensin päätetään säännöt ja rakennetaan sitten niiden puitteissa yleisin mahdollinen teoria.
Kosmologian ”standardimalli” on sen sijaan yksinkertaisin mahdollinen rakennelma, joka selittää havainnot, eikä sen yksinkertaisuus seuraa mistään periaatteista. Esimerkiksi ei tiedetä, miksi pimeän aineen hiukkasia olisi vain yksi (tai neljä jos neutriinot lasketaan). Malli ei myöskään ota kantaa siihen, miten inflaatio tarkalleen on tapahtunut tai mikä on se teoreettinen rakennelma, jonka palasia sekä pimeä aine että inflaatio ovat. Yleisesti pidetään myös suurena ongelmana sitä, että vaniljamalli ei selitä tyhjön energian arvoa, mutta hiukkasfysiikassa ei tilanne ole sen parempi siinä mielessä, että Standardimalli ei pysty ennustamaan alkeishiukkasten massojen arvoja.
Voi sanoa, että vaniljamalli kuvaa pimeää ainetta ja inflaatiota yleisluontoisesti, ja odottaa teoriaa, joka kertoisi mistä niissä on tarkalleen kysymys. (Ja voi olla, että myöhäisten aikojen kiihtyvästä laajenemisestakin on vastuussa jokin muu kuin tyhjön energia.) Tällaisia teorioita on satoja, joten on tarkempaa sanoa, että kosmologit odottavat havaintoja, jotka kertoisivat mikä näistä teorioista on oikein – tai että vaniljamalli on jossain suhteessa virheellinen, ei vain epätarkka.
Oslon konferenssissa pureuduttiin tarkkaan sekä vaniljamallin teoreettisiin laajennuksiin ja vaihtoehtoihin (inflaatiolle, pimeälle aineelle ja tyhjön energialle) että havaintoihin. Esille tuotiin useita havaintoja, jotka näyttävät hieman poikkeavan vaniljamallin ennusteista. Oli teoria mikä hyvänsä, lähes aina löytyy jotain ongelmalliselta näyttäviä havaintoja ihan vain siksi, että osa havainnoista, tai niiden tulkinnasta, on väärin. Osa löydetyistä poikkeamista saattaa vihjata vaniljan tuonpuoleisesta fysiikasta, mutta varmuutta ei ole.
Myöskään mikään vaihtoehtoisista teorioista ei ole vakuuttanut suurta osaa kosmologien yhteisöstä. Tämä ei tietenkään tarkoita sitä, etteikö jokin niistä voisi olla oikein, mutta ainakin toistaiseksi ne ovat joko liian kehittymättömiä tai ennusteiltaan liian lähellä vaniljamallia, että ne olisivat osoittautuneet paremmiksi.
Kun BICEP2:n väitetty gravitaatioaaltolöytökin on hiipunut, niin jotkut pelkäävät, että kosmologialla olisi kukoistuksen jälkeen edessään samanlainen kuiva kausi kuin hiukkasfysiikalla. Kosmologien onneksi uusia ja uudenlaisia havaintoja tulee kuitenkin koko ajan lisää, jokusen vuoden kuluttua myös Euroopan avaruusjärjestö ESAn Euclid-satelliitilta. Kosmologit ovat ennemmin nälkäisiä löytöjen puutteessa kuin tyytyväisiä laakereillaan.
Varmasti tuossa konferenssissa käsiteltiin myös tapausta BICEP2, ainakin käytävillä. Onko mitään uutta kerrottavaa? Uuttahan on lupailtu tähän vuoden alkuun (kohta helmikuu).
Lentotaidoton:
Keskusteltiin toki. Planck-tiimin puhemies George Efstathiou piti Planckin tuloksista puheenkin. Hän viittasi epäsuorasti BICEP2:n tuloksiin sanomalla, että BICEP2:n ja Planckin yhdistetty data-analyysi ei ole vielä julkinen, mutta että luvassa ei ole yllätyksiä, ja että jokainen voi vetää tästä tästä lausunnosta omat johtopäätöksensä.
Yleisesti pidetään luultavana, että yhdistetty analyysi osoittaa, että BICEP2:n havaitsema polarisaatiokuvio aiheutui galaksin pölystä tulevista mikroaalloista, ei gravitaatioaaltojen vaikutuksesta kosmiseen mikroaaltotaustaan.
Mikä on konsensus tällä hetkellä ns. dark flow’n suhteen? Olisiko siinä sopiva aihe blogikirjoitukseksi?
Jyri T.:
Kyseinen ilmiö (eli galaksien koherentti liike yhteen suuntaan miljardien valovuosien mittakaavassa) ei koskaan ole ollut vakaalla pohjalla. Uudet havainnot, mukaan lukien Planckin havainnot, eivät ole tukeneet sen olemassaoloa. Se ei ole siinä määrin merkittävä, että kirjoittaisin siitä blogissa.
Ehkä hieman aiheen sivusta, koskien painovoima-aaltoja yleensä, ei vain inflaation aikaansaamia: Arviot siitä koska ensimmäiset suorat havainnot gravitaatioaalloista saadaan ovat siirtyneet eteenpäin samalla kun tarkempia ilmaisimia on rakennettu (ainakin asiaa vain sivusta seuranneen näkövinkkelistä). Jostain syystä en ole kuullut spekuloitavan mitä tarkoittaisi jos aaltoja ei lainkaan löytyisi. Mitä jos äärimmäisen tarkoista mittauksista huolimatta signaalia ei havaita, ja painovoima-aaltojen olemassaolo joudutaan kyseenalaistamaan?
M Hiltunen:
Kyse on luultavasti siitä, että lähellä olevien gravitaatioaaltoja tuottavien systeemin lukumäärä on arvioitua pienempi. Jos kymmenen vuoden kuluttuakaan lähiseuduilla syntyneitä aaltoja ei nähdä, pitänee merkittävästi uudelleenarvioida käsityksiä järjestelmistä, joissa on mustia aukkoja ja neutronitähtiä (erityisesti niiden lukumääristä).