Kosmokseen kirjoitettua

Voimalinjojen siemenet

28.4.2016 klo 21.55, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Eräs maailmankaikkeuden silmiinpistävimpiä piirteitä on se, että siinä on rakenteita hyvin pienestä äärimmäisen isoon mittakaavaan. Galaksien superryppäiden tyypillinen koko on kymmenen miljoonan valovuoden luokkaa, ja isoin tunnettu rakenne on miljardin valovuoden pituinen galaksirihma Sloan Great Wall, joka on nimetty Sloan Digital Sky Surveyn mukaan. Rihman itse asiassa näki ensin havaintoprojekti 2dFGRS, mutta he eivät keksineet nimetä sitä.

Lisäksi niidenkään galaksien, jotka eivät kuulu isompiin rakenteisiin, sijainnit eivät ole riippumattomia toisistaan. Galaksit eivät ole syntyneet maailmankaikkeuteen tasaisesti sinne tänne, vaan niiden jakaumalla on tarkka muoto.

Paras selitys tämän rakenteen alkuperälle on kosminen inflaatio. Inflaatioidean mukaan maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin perukoilla kenttä nimeltä inflatoni täytti koko avaruuden. Inflatoni kiihdytti avaruuden laajenemista, mikä puolestaan venytti inflatonin kvanttivärähtelyjä kosmisiin mittoihin ja jäädytti ne paikalleen. Nämä inflatonin epätasaisuudet ovat sittemmin olleet galaksien ja muun rakenteen siemeniä.

Näkyvien galaksirihmastojen, ja niiden taustalla olevan pimeän aineen, lisäksi maailmankaikkeudessa on isoja rakenteita, jotka eivät koostu aineesta, vaan magneettikentistä. Magneettikenttien linjat ulottuvat valovuosista suurimpaan havaittavaan mittakaavaan, kymmeniin miljardeihin valovuosiin. (Olen aiemmin kirjoittanut, että miljoonaa valovuotta isompia magneettikenttiä ei havaittu. Tutustuttuani aiheeseen enemmän olen sitä mieltä, että se oli ehkä turhan varovainen arvio, vaikka havainnoista kiistelläänkin vielä.)

Galaksien magneettikentät ovat noin miljoona kertaa Maapallon magneettikenttää heikompia, mutta kosmisessa mittakaavassa ne ovat aika voimakkaita. Ne ovat vahvistuneet samalla tavalla kuin Maapallonkin magneettikenttä. Sähkövaraukset synnyttävät sähkökenttiä, ja pyörteiset sähkökentät synnyttävät magneettikenttiä. Maapallon metalliytimessä kiertävät sähkövirrat saavat aikaan magneettikenttiä, ja niissä liikkuvat sähkövaraukset synnyttävät lisää sähkövirtoja, jotka taas vahvistavat magneettikenttiä. Samalla tapaa galaksien pyöriminen voimistaa niiden magneettikenttiä. Galakseissa ei kuitenkaan ole samanlaisia isoja sähkövirtoja kuin Maapallon ytimessä, joten on epäselvää, mistä niiden magneettikentät ovat saaneet alkunsa.

Vielä hankalampi on selittää sitä, että magneettikenttiä on löydetty myös galaksien välisestä avaruudesta, miljardien valovuosien pituudelta. Ne ovat paljon galaksien kenttiä heikompia, ei tiedetä tarkalleen kuinka paljon: ainakin tuhat kertaa, kenties jopa sata miljoonaa kertaa heikompia. Suurimmillaan ne olisivat sattumoisin yhtä vahvoja kuin ihmisen aivojen magneettikentät. Ensi silmäyksellä yksinkertaisin selitys näille kentille olisi se, että ne ovat vuotaneet galakseista. Näitä isokokoisia magneettikenttiä vaikuttaa kuitenkin olevan jo melko varhaisessa maailmankaikkeudessa, ja on vaikea selittää sitä, miten ne olisivat ehtineet muodostua galakseissa ja valua ulos tarpeeksi nopeasti.

Eräs mahdollinen selitys on se, että galaksienväliset magneettikentät ja galaksien alkumagneettikentät eivät ole syntyneet sähkökentistä, vaan tyhjästä. Jos galaksien siemenet ovat syntyneet inflaation aikana kvanttifluktuaatioista, niin ehkä sama pätee magneettikenttiin? Tämä selittäisi magneettikenttien ison koon: ne ovat venyneet inflaation aikana.

Ongelmana on kuitenkin se, että magneettikentän kvanttifluktuaatiot käyttäytyvät laajenevassa avaruudessa eri tavalla kuin inflatonin. Kvanttifluktuaatioita on koko ajan kaikkialla, mutta arkioloissa ne ovat hyvin pieniä ja lyhytkestoisia. Kiihtyvä laajeneminen venyttää inflatonin värähtelyt kosmisiin mittoihin ja jäädyttää ne paikalleen. Näin pienestä värähtelystä syntyy mittavia epätasaisuuksia. Sähkömagneettinen kenttä käyttäytyy toisin: sen värähtelyt eivät jäädy paikalleen, ne vain jatkavat pomppimista ylös ja alas, vaikka avaruus kuinka laajenisi.

Jos tunnetut fysiikan lait eivät tuota haluttua tulosta, niin voi keksiä uusia. Magneettikenttien esimerkiksi ei odottaisi vuorovaikuttavan inflatonin kanssa, koska inflatonilla ei ole sähkövarausta. Jos kuitenkin muuttaa fysiikan lakeja siten, että magneettikentät kytkeytyvät suoraan inflatoniin tarvitsematta sähkövarausta, niin inflatoni antaa niille lisäpotkua, ja niiden kvanttivärähtelyt muuttuvat siten, että ne voivat synnyttää havaitut magneettikentät – ehkä.

Tässäkin on ongelmansa. Yksi on se, että kvanttivärähtelyt eivät synnytä vain magneettikenttiä, vaan myös sähkökenttiä, ja niistä tulee helposti liian voimakkaita. Toinen ongelma on se, että kun inflatoni antaa pontta magneettikentille, ne helposti rupeavat vuorovaikuttamaan sähköisesti varattujen hiukkasten kanssa liian voimakkaasti, jolloin tapahtumien seuraaminen muuttuu hyvin hankalaksi.

Itse työstän yhteistyökumppanieni kanssa artikkelia, jossa luulimme hetken keksineemme tavan välttää yllämainitut ongelmat. Olemme kuitenkin päätyneet vain toteamaan, miten vaikeaa se on, ja kaventamaan entisestään ratkaisun mahdollisuuksia.