Vinot kuvat

13.11.2021 klo 17.36, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yksi tämän vuoden odotetuimpia kosmologisia havaintoja on tutkimusryhmän Dark Energy Survey (DES) ensimmäisen kolmen vuoden tulokset. DESin jäsen Elisabeth Krause puhui niistä viime viikolla etänä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa.

DES otti vuosina 2013-19 Chilessä Andeissa olevalla teleskoopilla kuvia galakseista. Ensimmäisen kolmen vuoden aikana se mittasi yli sadan miljoonan galaksin paikat ja muodot. Projektin pääasiallinen tarkoitus on selvittää, vastaavatko havainnot yksinkertaisimman pimeän energian mallin eli tyhjön energian ennustuksia.

Tyhjön energiaa on esitetty maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen selitykseksi 1990-luvun puolivälistä alkaen, ja havainnot ovat lähes kokonaan sopineet sen ennustuksiin. Tervetulleeksi ongelmaksi on kuitenkin noussut se, että kosmisesta mikroaaltotaustasta päätelty arvo maailmankaikkeuden laajenemisnopeudelle on hieman pienempi kuin läheisistä supernovista suoraan mitattu arvo.

Koska kosmologisten havaintojen analysoimisessa on vaikea varmistaa, että kaikki mahdolliset virhelähteet on otettu kunnolla huomioon, kahden havaintotavan ristiriidan ratkaisemiseksi on tärkeää verrata kolmannenlaiseen havaintoon. Galaksien paikat ja muodot ovat hyvä kolmas tie, koska niihin vaikuttavat tekijät tunnetaan hyvin, galakseja on paljon ja niitä on helppo havaita.

Krausen esitys havainnollisti sitä, miten monipolvisia nykyiset analyysit ovat, ja miten paljon vaivaa virheiden ruotimiseen nähdään. Yksi merkittävä mahdollinen virheiden lähde liittyy ihmisten tapaan hyväksyä helpommin sellaisia vastauksia, jotka ovat sopusoinnussa aiemmin tunnetun kanssa. Fysiikassa tämä voi johtaa siihen, että virheitä etsitään hanakammin silloin, kun tulokset poikkeavat mallin ennusteista. Vastaavasti jos kaikki näyttää vastaavan odotuksia, virheitä saatetaan jättää etsimättä.

Tämän välttämiseksi on yhä tavallisempaa, että havainnot analysoidaan sokkona, niin että tutkijat itsekin näkevät tulokset vasta kun analyysi on valmis. DESin tapauksessa sen mittaamiin asioihin kuten maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen lisätään sattumanvaraisesti luku, joka paljastetaan vasta kun on päätetty mitä kaikkia virheitä otetaan huomioon ja ratkaiseva analyysi on tehty.

Maailmankaikkeuden laajeneminen vaikuttaa siihen, kuinka paljon galakseja muodostuu ja miten ne ovat jakautuneet. Mitä nopeammin avaruus laajenee, sitä vaikeampi tiheiden alueiden on romahtaa galakseiksi. Lisäksi, mitä nopeammin avaruus laajenee, sitä kauemmas galaksit ovat meistä etääntyneet. Tämä etäisyys vaikuttaa siihen, miten niiden muodot vääristyvät valon taipumisen takia, minkä selvittämisessä DES on omimmillaan.

Ensimmäinen yleisen suhteellisuusteorian kokeellisesti testattu ennustus oli se, että gravitaatio vaikuttaa valon kulkuun. Kun valon taipuminen Auringon lähellä mitattiin vuoden 1919 auringonpimennyksen aikaan, yleisestä suhteellisuusteoriasta tuli tiedeyhteisössä hyväksytty, ja sen pääasiallisesta kehittäjästä Albert Einsteinista tuli tiedejulkkis. Kuten fysiikassa usein käy, tämä gravitaatiolinssi-ilmiö on siirtynyt teorian testaukseen käytetystä ainutlaatuisesta kokeesta jokapäiväiseksi työkaluksi.

Jos tarkalleen meidän ja valonlähteen välissä on iso massakeskittymä, kohteen kuva voi vääristyä kokonaan. Tätä kutsutaan vahvaksi gravitaatiolinssi-ilmiöksi. Tämä on poikkeuksellista, koska yleensä taivaalla näkyvät massat eivät ole sopivasti linjassa. Mutta koska ainetta on joka paikassa, kaikkien näkemiemme kosmisten kappaleiden kuvat ovat hieman vinoutuneita. Tätä kutsutaan heikoksi gravitaatiolinssi-ilmiöksi, ja se on yksi kosmologian merkittävimpiä uusia havaintoväyliä.

Jos galaksi olisi tismalleen pyöreä, niin heikon gravitaatiolinssi-ilmiön takia se puristuisi yhdestä suunnasta ja venyisi toisesta noin prosentin verran. Koska galakseilla on erilaisia muotoja ja näemme niitä eri kulmista, tätä ellipsiksi vääntymistä ei yksittäisen galaksin kohdalla voi erottaa (toisin kuin vahvaa gravitaatiolinssi-ilmiötä). Se tulee näkyviin vasta kun tarkastellaan isoa määrää galakseja ja katsotaan, mihin suuntaan ne ovat keskimäärin kallellaan. DES määrittää myös galaksien etäisyydet vain tilastollisesti, ei kaikille yli sadalle miljoonalle kohteelle erikseen.

DES pitää kirjaa galaksien kasautumisesta, muodon vinoutumisesta, ja näiden kahden riippuvuudesta toisistaan. Ensin koeryhmä tarkistaa, antavatko kaikki kolme havaintosarjaa yhtäpitävät tulokset laajenemisnopeudelle ja muille suureille, ja tämän toteamisen jälkeen ne yhdistetään isomman tarkkuuden saamiseksi. Osassa DESin havaintoja lähellä olevat galaksit näyttävät kasautuvan vahvemmin kuin muiden havaintojen perusteella odottaisi; tässä on luultavimmin kyse jostain niiden analyysiin liittyvästä ongelmasta.

Analyysiä oli tekemässä yli 200 ihmistä, ja se kesti noin neljä vuotta – kauemmin kuin datan kerääminen. Tulosten raportoiminen vei 29 artikkelia, satoja sivuja siis. Kuten nykyään lähes aina, oikean datan analysoimista edelsi suuri määrä simulaatioita, joilla testattiin, että menetelmät toimivat kuten pitää.

Pitkän työn tuloksena on se, että kaikki sopii yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa. Aiemmin vaikutti siltä, että galaksien kasaantuminen olisi heikompaa kuin mitä kosmisen mikroaaltotaussa näkyvien rakenteen siementen perusteella pitäisi. Ilmeisesti kyse oli kuitenkin vain sattumasta, koska näissä tarkemmissa havainnoissa ei tällaista eroa näy. Mitä laajenemisnopeuteen tulee, kun DESin laittaa yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, ristiriita supernovahavaintojen kanssa on nyt entistä jyrkempi.

Olen usein kirjoittanut väitetyistä, vihjatuista ja todellisista löydöistä, mutta niille pohjan luo huolellinen työ, jossa tarkennetaan jo tunnettua ja kehitetään menetelmiä löytämättä mitään uutta.

DES setvii parhaillaan lähellä olevien galaksien kasautumiseen liittyvää poikkeamaa, sekä analysoi kuusivuotiskauden jälkimmäisen kolmen vuoden havaintoja. Seuraava iso askel heikkojen gravitaatiolinssien ja pimeään energiaan liittyvien mittausten saralla on Euroopan avaruusjärjestö ESAn satelliitti Euclid, jonka odotettu taivaaseen nousemisen ajankohta on juuri siirtynyt ensi vuoden loppupuolelta vuoden 2023 alkupuolelle.

26 kommenttia “Vinot kuvat”

  1. Martti V sanoo:

    Onko universumin laajenemista tutkittu pienemmillä mittakaavaoilla kuten galaksien sisällä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Avaruus ei laajene galaksien sisällä, eikä muissakaan yhteen sidotuissa rakenteissa kuten galaksiryppäissä.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kaikkea Tekniikan Maailmaan kirjoitettua ei kannata uskoa.

          1. Jani sanoo:

            Jos kyseessä on uusi teoria niin ei kai sitä noin vain voi sanoa ettei siihen tule uskoa? Eikö tämä ”normi” laajeneminenkin ole vain teoria jota ei täysin ole pystytty oikeaksi osoittamaan vai miksi näitä kilpailevia teorioita tulee?

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            En kommentoinut tieteellistä teoriaa, vaan Takniikan Maailmaa. Tämä riittäköön tästä.

      1. Jarkko sanoo:

        Onko niin, että gravitaatio estää avaruuden laajenemisen galaksien sisällä ja muissa sidotuissa rakenteissa?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kyllä. Varhaisessa maailmankaikkeudessa kaikkien alueiden laajenemisnopeus on sadastuhannesosan tarkkuudella sama, mutta hiljalleen ylitiheiden alueiden laajeneminen hidastuu keskivertoa enemmän (koska gravitaatio vetää niiden ainetta puoleensa keskivertoa enemmän).

          Jossain vaiheessa gravitaation hidastava vaikutus on niin iso, että alue lopettaa laajenemisen ja alkaa romahtamaan. Yleensä pyöriminen pysäyttää romahduksen (kuten galakseissa), mutta tarpeeksi isosta ylitiheydestä voi syntyä musta aukko.

          1. Jarkko sanoo:

            Erittäin mielenkiintoista. Kiitos selvennyksestä!

      2. Martti V sanoo:

        Eli big rip skenaario ei ole realistinen?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Se on yksi mahdollisuus, mutta ei kuvaa nykytilannetta, eikä tässä ollut kysymys siitä.

          1. Martti V sanoo:

            Repeytymisessä pitäisi pimeän energian voittaa gravitaatio. Vaikeaa kuvitella että se olisi mahdollista.

          2. Syksy Räsänen sanoo:

            Repeytyminen on ilmiö, joka tapahtuu sellaisissa pimeän energian malleissa, joissa pimeän energian energiatiheys kasvaa rajatta maailmankaikkeuden laajetessa. Ei ole mitään erityistä todisteita eikä teoreettisia perusteita odottaa, että tällaiset mallit kuvaavat todellisuutta, ne ovat vain yksi mahdollisuus.

  2. pösilö sanoo:

    voisiko olla niin, että avaruuden romahtaminen on jo alkanut jossain päin menneisyydessä ja tämä romahduksen paine saa meidän näkemämme osan avaruutta näyttämään ikäänkuin laajentuvalta? Tämä selittäisi sen, miksi menneisyydessä entropia on alhainen.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei.

      1. pösilö sanoo:

        entä jos avaruus lähtökohtaisesti käpristyy nurinpäin? eikä olekkaan täysin laakea – ja välimatkan lisääntyessä massa erkanee kiihtyvästi.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Kiihtyvän laajenemisen mahdollisista syistä, ks. http://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kolmen_vaihtoehdon_mysteeri

  3. Jari Toivanen sanoo:

    Onko olemassa jokin raja, minkä suuruinen/tiheyksinen tuon sidotun rakenteen on oltava, jotta sen gravitaatio riittää pysäyttämään avaruuden laajenenmisen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Se riippuu alueen muodosta, mutta karkea arvio on, että alue lopettaa laajenemisen kun sen tiheys on noin kuusi kertaa keskitiheys.

  4. Martti sanoo:

    Onko varteenotettavaa tutkimusta, että pimeän energian määrä olisi muuttunut universumin historian aikana? Universumin laajeneminen alkoi kiihtyä joitakin miljardeja vuosia sitten. Onko se selitettävissä pelkästään gravitaation vaikutuksen heikkenemisellä, kun galaksijärjestelmät olivat erkaantuneet tarpeeksi kauas?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Sitä mahdollisuutta, että pimeän energian energiatiheys muuttuu ajan kuluessa on tutkittu paljon. Ainakaan toistaiseksi havainnoista ei ole löytynyt mitään tukea tälle.

      Kiihtyvän laajenemisen mahdollisista syistä, ks. https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kolmen_vaihtoehdon_mysteeri

  5. Martti V sanoo:

    Voiko pimeä energia olla inflaatiota ajanut kenttä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Onhan se mahdollista. Tällaisia malleja tutkitaan jonkun verran.

  6. Milenkiintoista. Näyttää siltä, että tilastotiede (stokastinen) on tulossa yhä enemmän mukaan tähtitieteeseen, joka nojautuu (deterministiseen) fysikaaliseen mallintamiseen maailmasta. Onko olemassa astronomisen tilastotieteen tutkimusryhmiä ja julkaisusarjoja? Mitkä ovat suurimmat keksinnöt, mitä tähtitieteessä on tehty, jotka nojautuvat tilastotieteeseen?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      DES on ennemmin kosmologiaa kuin tähtitiedettä. Siinä ei olla kiinnostuneita galakseista sinällää, vaan siitä mitä niiden avulla voidaan sanoa maailmankaikkeudesta kokonaisuutena.

      Ei ole erillistä ”astronomista tilastotiedettä”. Tilastolliset menetelmät ovat keskeinen osa kaikkia kokeellisen fysiikan aloja.

    2. Gc sanoo:

      Minä olen huomannut tuon saman että tähtitieteessä käytetään stokastisia prosesseja. Näihin aika vaativiin matemaattisiin välineisiin kyllä voi tarvita erityisasiantuntemusta. Tämä linkki saattaa olla relevantti. https://en.wikipedia.org/wiki/Astrostatistics

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *