Viisareina tähdet
Kirjoitin kesäkuussa maailmankaikkeuden iän määrittämisestä. Mainitsin, että jos ”tiedetään miten jotkut kappaleet –vaikkapa tähdet tai galaksit– kehittyvät, niin sellaisen iän voi arvioida ulkonäön perusteella”. Palaan nyt tähän iän arviointiin.
Maailmankaikkeudessa on galakseja, joiden kehityksen avulla mitataan aikaa. Kosmologeille on tullut tavaksi kutsua niitä kosmisiksi ”kronometreiksi” eli aikamittareiksi. Tälle on kyllä arkisempikin sana: kello.
Viisarikello kertoo, montako kertaa viisari on liikkunut sovitun nollakohdan jälkeen (eli viimeisimmän keskiyön tai keskipäivän). Kun tiedetään, kauanko yksi viisarin liike kestää, tämä lukumäärä kertoo paljonko aikaa on kulunut.
Kun aikaa mitataan galakseista, viisareina ovat tähdet. Tähtien elämänkaari tunnetaan hyvin: tähti muodostuu kaasupilvien romahtaessa ja kehittyy eri vaiheiden läpi valkoiseksi kääpiöksi, neutronitähdeksi tai mustaksi aukoksi, riippuen siitä kuinka massiivinen se on.
Niinpä galaksin iän voi määrittää katsomalla missä kehitysvaiheessa olevia tähtiä siinä on. Erityisesti vanhimmat tähdet ovat tärkeitä, koska ne antavat alarajan galaksin iälle. Galaksien valo sisältää valtavan otoksen erilaisten tähtien valosta – esimerkiksi Linnunradassa noin 100 miljardia tähteä.
Tässä on se hyvä puoli, että ei ole niin väliä mitä joillekin yksittäisille tähdille on tapahtunut – poikkeamat hukkuvat isoon otokseen. Varjopuoli on se, että tähtien kehityksen lisäksi pitää tietää, miten tähtien jakauma kehittyy galaksissa.
Tämän takia yritetään keskittyä galakseihin, jotka eivät ole yhtyneet toisiin galakseihin. Galaksien sulautuminen sekoittaa niiden tähdet keskenään, minkä takia on vaikeampi selvittää millainen tähtien jakauma oli alun perin ja miten se on kehittynyt. Lisäksi pyritään valitsemaan galakseja, joissa ei enää juuri muodostu uusia tähtiä, tähtiväestö vain vanhenee tasaisesti.
Sen lisäksi, että yhdessä galaksissa on paljon tähtiä, vaihtelua suitsitaan käyttämällä kellona yhden galaksin sijaan tuhansia galakseja eri puolilla taivasta. Tällöin mahdollisesti poikkeuksellisten yksittäisten galaksien vaikutus on vähäinen, ja satunnaisten vaihtelujen merkitys pienenee otoksen koon kasvaessa.
Galaksin valosta on helppo mitata punasiirtymä, joka kertoo paljonko avaruus on laajentunut sen jälkeen kun valo lähti matkaan. Kun verrataan sitä, miten eri galaksien punasiirtymä riippuu niiden iästä, saadaan selville, miten maailmankaikkeus laajenee ajan kuluessa. Tämä on yksi suorimpia tapoja mitata avaruuden laajenemisnopeutta ja sen muutosta.
Usein laajenemisnopeus sen sijaan päätellään mittaamalla galaksien punasiirtymiä ja etäisyyksiä. Etäisyyden ja punasiirtymän suhdetta verrataan jonkin kosmologisen mallin ennusteeseen, ja mallista sitten lasketaan miten avaruus on laajennut. Tällainen päätelmä laajenemisnopeudesta on epäsuora ja riippuu käytetystä kosmologisesta mallista. Isoin epävarmuus liittyy siihen, millaista olettaa pimeän energian olevan.
Laajenemisnopeuden määrittäminen kosmisten kellojen avulla ei riipu siitä millaista pimeä energia on, mutta se on herkkä sille, miten tähtisisällön kehitystä mallinnetaan. Galaksit ovat monimutkaisempia kappaleita kuin tähdet, ja niiden tähtiväestön synnystä ja kehityksestä on kilpailevia malleja. Mallit johtavat erilaisiin tuloksiin galaksien iästä ja siten maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta.
Jotkut suositut kehitysmallit ennustavat maailmankaikkeuden iän aivan pieleen. Voi sanoa, että laajenemisnopeuden kannalta tällä ei ole väliä, koska se riippuu vain siitä, miten ikä muuttuu punasiirtymän myötä, ei iän nollakohdasta. Kello voi mitata ajan kulumista tarkasti, vaikka se olisi väärässä ajassa. Mutta se, että malli ennustaa yhden asian väärin herättää epäilyksen siitä, osuuko oikeaan muissa asioissa.
Yksi kosmologian pohdituimpia kysymyksiä tällä hetkellä on se, että kosmisesta mikroaaltotaustasta päätelty avaruuden laajenemisnopeus on pienempi kuin lähellä olevien supernovien avulla mitattu. Kosmiset kellot sopivat paremmin yhteen supernovien tulosten kanssa kuin kosmisen mikroaaltotaustan, mikä viittaa siihen, että ristiriitaa ei voi ratkaista peukaloimalla mikroaaltotaustaa. Tilastolliset virherajat sekä tähtiväestön kehitysmallien epävarmuus ovat tosin vielä liian isoja, jotta tästä voisi tehdä varmoja päätelmiä.
Eteenpäin pääsemiseksi ei riitä että mitataan lisää galakseja, tarvitaan parempi ymmärrys niiden tähtiväestön kehityksestä. Tämä on esimerkki kosmologian ja tähtitieteen (hienommin sanottuna astrofysiikan) erosta. Tähtitieteilijät tutkivat galakseja niiden itsensä takia, kosmologit käyttävät niitä kelloina.
Pallomaiset tähtijoukot saattaisivat olla yksinkertaisempia kohteita mallintaa kuin galaksit. Olisikohan niiden havaitseminen mahdollista tulevaisuudessa jopa kosmologisilta etäisyyksiltä? Jollei suoraan, niin ehkä käyttäen painovoimalinssejä apuna(?)
En osaa sanoa – nehän ovat merkittävästi himmeämpiä kuin galaksit (koska niissä on vähemmän töhtiä).
Painovoimalinsseistä ei ole sikäli apua, että tällaisiin havaintoihin tarvitaan suuri määrä kohteita. On harvinaista, että meidän ja kohteen väliin sattuu tarpeeksi iso linssi tarpeeksi keskelle, että kirkkaus kasvaa merkittävästi.
Olen nähnyt tulkintoja, että Linnunradan pallomaisissa tähtijoukoissa tähdet olisivat vanhimpia tunnettuja tähtiä – siis useita miljardeja valovuosia sitten muodostuneina.
Jotenkin niin, että niissä olisi sitä alkuperäistä vetyä runsaasti ja siksi eivät olisi räjähdelleet niin usein supernovina.
Mietin, että jos silloin alkuaikoina muodostuneena olisi pienehköt mustat aukot kerryttäneet pallomaisia muotoja keskimäärin tiheämmästä tähtimäärästä ja siten niitä pallomuodostelmia kehittynyt paljon – jääden sitten kiertämään myöhemmin isompien galaksimuodostelmien kehille – niiden painovoimien nopeudet riittäneet pysyttäytymiseen etäällä.
Vaikka vielä ei tarkoin tiedettänekään mitä niiden palomuodostelmien keskuksiin kehittynyt – lienevät kuitenkin samankaltaisiksi lähtöasetelminaan kehittyneet, pitkäikäisiksi kertymiksi.
Kyllä, pallomaisissa tähtijoukoissa on vanhoja tähtiä. Mustia aukkoja ei tarvita pallomaisten tähtijoukkojen synnyn selittämiseen.
Onko mahdollista, että mikroaaltotaustan syntyaikana laajeneminen oli hitaampaa kuin myöhemmin galaksien syntymisen jälkeen?
Ei. Maailmankaikkeuden laajeneminen hidastuu siihen asti, kunnes pimeä energia (tai mikä sitten onkaan vastuussa kiihtyvästä laajenemisesta) ottaa vallan vajaan 10 miljardin vuoden iässä. (Lukuun ottamatta kosmista inflaatiota ensimmäisen sekunnin perukoilla.)
Maailmankaikkeuden laajenemisnopeus kosmisen mikroaaltotaustan syntyessä oli paljon isompi kuin nyt.
Siitäkö johtuu, että kosminen taustasäteily on mikroaalto säteilyä, mutta Jjames Webb teleskoopin näkemät vanhimmat galaksit, jotka ovat lähes yhtä vanhoja mitä taustasäteily näkyvät infrapuna alueella?
Aallonpituuden määräytyy siitä, kuinka paljon maailmankaikkeus on kaikkiaan venynyt, ei siitä hidastuuko laajenemisnopeus.
Havainnot mikroaaltotaustasta näyttää siltä, että laajeneminen oli hitaampaa. Uskotaanko edelleen, että kyse on systemaattisesta mittausvirheestä?
Ei oikein tiedetä mitä ajatella. Monia mahdollisia virheitä on tutkittu, eikä mitään ole löytynyt. Toisaalta myöskään vakuuttavaa teoreettista selitystä, joka sopisi kaikkiin havaintoihin, ei ole löytynyt.
ei varsinaisesti liity aiheeseen, nöyrät pahoittelut;
voivatko eräissä teorioissa mainitut lisäulottuvuudet olla aikaulottuvuuksia, tilaulottuvuuksien sijaan? Esim 10-ulottuvuutta muodostuisi 3 tila- & 7 aikaulottuvuudesta? Matemaattisesti tällä ei liene eroa; mutta käytännön erona se, ettei lisää tilaulottuvuuksia tarvitse ”etsiä”
Entä voiko olla muun tyyppisiä ulottuvuuksia kuin aika- tai tilaulottuvuudet?
kiitos
Teorioita, joissa on useampi kuin yksi aikaulottuvuus on tutkittu. Käsittääkseni tosin säieteorian ulottuvuuksien luku 10 on oikeasti 1+9, eli mukana on oletus siitä, että on tasan yksi aikaulottuvuus.
On iso matemaattinen ero siinä onko kyseessä aika- vai paikkaulottuvuus (tai ainakin sillä on isot matemaattiset seuraukset). Erosta suppeassa suhteellisuusteoriassa: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/yhden-merkin-varassa/
Aika- ja paikkasuuntien lisäksi on olemassa valonkaltaisia suuntia, mutta valonkaltaisia ulottuvuuksia ei kaiketi ole olemassa. (Valonkaltainen suunta tarkoittaa karkeasti sitä, että liikutaan yhtä paljon aika- ja paikkasuunnassa yhtä aikaa. Valonkaltaiset suunnat voi siis ymmärtää yhdistelmänä paikka- ja aikasuuntia.)
Kun ei liity merkinnän aiheeseen, niin ei tästä sen enempää.
Jos oletetaan, että kiihtyvä laajeneminen johtuu kosmisen rakenneverkon tiivistymisestä, niin saisiko eritavalla mitattujen laajenemisnopeuksien ero jonkin luonnollisen selityksen, vai olisiko asia edelleen mysteeri?
Pitää olla kädessä tarkka lasku, ennen kuin voi verrata sen ennusteita havaintoihin.
Utamin kysymyksiä: Muuttuuko asia lisäämällä ulottuvuuksia olettamalla aika yhdeksi niistä? Miten ns. suunnat poikkeavat ulottuvuuksista? Miten paljon on yhtä paljon aika- ja paikkasuunnassa? Liikutaanko aika- ja paikkasuunnassa yhtä aikaa, siis mitä yhtä aikaa? Einsteinin aika-avarusjatkumo lienee koordinaatisto, missä hiljaista on kuin huopatossutehtaassa.
Kun kysymykset eivät liity merkinnän aiheeseen, niin ei niistä sen enempää.
Voiko universumin muoto olla epähomogeeninen, jolloin ΛCDM malli antaisi eri vastauksen Hubblen vakiolle mikroaaltotaustasta ja supernovista mitattuna. Eli jos mikroaaltotaustasta mitattu avaruuden muoto on lievästi postiviinen, voi se olla hieman erilainen supernova mittausten alueessa.
Avaruuden epähomogeenisuuden vaikutusta on tutkittu, mutta siitä ei ole löytynyt tyydyttävää selitystä.