Arkisto

• marraskuu 2023
• lokakuu 2023
• syyskuu 2023
• elokuu 2023
• kesäkuu 2023
• toukokuu 2023
• huhtikuu 2023
• maaliskuu 2023
• helmikuu 2023
• tammikuu 2023
• joulukuu 2022
• marraskuu 2022
• lokakuu 2022
• syyskuu 2022
• elokuu 2022
• kesäkuu 2022
• toukokuu 2022
• huhtikuu 2022
• maaliskuu 2022
• helmikuu 2022
• tammikuu 2022
• joulukuu 2021
• marraskuu 2021
• lokakuu 2021
• syyskuu 2021
• elokuu 2021
• kesäkuu 2021
• toukokuu 2021
• huhtikuu 2021
• maaliskuu 2021
• helmikuu 2021
• tammikuu 2021
• joulukuu 2020
• marraskuu 2020
• lokakuu 2020
• syyskuu 2020
• elokuu 2020
• kesäkuu 2020
• toukokuu 2020
• huhtikuu 2020
• maaliskuu 2020
• helmikuu 2020
• tammikuu 2020
• joulukuu 2019
• marraskuu 2019
• lokakuu 2019
• syyskuu 2019
• elokuu 2019
• heinäkuu 2019
• kesäkuu 2019
• toukokuu 2019
• huhtikuu 2019
• maaliskuu 2019
• helmikuu 2019
• tammikuu 2019
• joulukuu 2018
• marraskuu 2018
• lokakuu 2018
• syyskuu 2018
• elokuu 2018
• kesäkuu 2018
• toukokuu 2018
• huhtikuu 2018
• maaliskuu 2018
• helmikuu 2018
• tammikuu 2018
• joulukuu 2017
• marraskuu 2017
• lokakuu 2017
• syyskuu 2017
• elokuu 2017
• kesäkuu 2017
• toukokuu 2017
• huhtikuu 2017
• maaliskuu 2017
• helmikuu 2017
• tammikuu 2017
• joulukuu 2016
• marraskuu 2016
• lokakuu 2016
• syyskuu 2016
• elokuu 2016
• kesäkuu 2016
• toukokuu 2016
• huhtikuu 2016
• maaliskuu 2016
• helmikuu 2016
• tammikuu 2016
• joulukuu 2015
• marraskuu 2015
• lokakuu 2015
• syyskuu 2015
• elokuu 2015
• kesäkuu 2015
• toukokuu 2015
• huhtikuu 2015
• maaliskuu 2015
• helmikuu 2015
• tammikuu 2015
• joulukuu 2014
• marraskuu 2014
• lokakuu 2014
• syyskuu 2014
• elokuu 2014
• kesäkuu 2014
• toukokuu 2014
• huhtikuu 2014
• maaliskuu 2014
• helmikuu 2014
• tammikuu 2014
• marraskuu 2013
• lokakuu 2013
• syyskuu 2013

---

Näkökulman muutoksia

23.12.2013 klo 00.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Seurasin Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen tähtitieteilijöiden kanssa torstaina 19.12. kun Gaia-satelliitti lähti Maapallolta kello 11.12 Suomen aikaa. Satelliittien laukaisussa on oma jännityksensä: jos hiukkaskiihdyttimen kanssa tulee paha ongelma, niin laitteen voi korjata kuntoon ja käynnistää uudelleen. (Näin kävikin LHC:lle vuonna 2008, kun yhdeksän päivää käynnistyksen jälkeen tapahtui vakava onnettomuus.) Mutta jos kantoraketti räjähtää tai satelliitin ohjaussuihkut eivät toimi, niin menetys on peruuttamaton. Gaian tapauksessa kaikki sujui suunnitelmien mukaisesti. Naapuriblogista voi lukea Gaia-tiimin johtaja Timo Prustin kokemuksista laukaisusta, ja Tiedetuubi kertoo aiheesta lisää.

Gaia on rakennettu tähtitieteen tarkoituksiin: se mittaa miljardi tähteä, eli noin prosentin kaikista Linnunradan tähdistä, sekä lukuisia asteroideja, Aurinkokunnan ulkopuolisia planeettoja ja muita lähitienoiden kappaleita. Gaialla on suuri merkitys tähtitieteelle, yksityiskohtia voi lukea Tähdet ja avaruus -lehden uusimmasta numerosta 7/2013.

Kosmologia kuitenkin tutkii maailmankaikkeutta kokonaisuutena, eikä lähiavaruuden kappaleiden paremmasta ymmärtämisestä yleensä ole siinä paljon hyötyä. Gaia on kuitenkin myös kosmologisesti mielenkiintoinen, koska se mittaa etäisten kohteiden parallaksia ennennäkemättömän tarkasti.

Parallaksi tarkoittaa sitä, että kohteiden sijainti näyttää erilaiselta, kun niitä tarkastellaan eri paikasta. ESAn sivuilla on asiasta havainnollinen selitys. Kun katsoo ojennetun käden pystyssä olevaa peukaloa ensin vasemmalla silmällä ja sitten oikealla, niin peukalo näyttää olevan eri kohdassa. Jos tietää silmien välisen etäisyyden, niin paikan muutoksesta voi laskea etäisyyden peukaloon: mitä isompi muutos, sitä pienempi etäisyys. Tarkkailemalla useiden näkyvissä olevien esineiden paikan muutosta pystyy selvittämään niiden kaikkien etäisyydet ja saa kolmiulotteisen kuvan ympäristöstä.

ESAn esimerkissä vasemmalla ja oikealla silmällä katsominen rinnastetaan mittausten tekemiseen Maapallolta sen ollessa Auringon vastakkaisilla puolilla. Tämä matka on 300 miljoonaa kilometriä, eli kosmologisesti katsottuna mitättömän pieni, noin sadasmiljardisosa etäisyydestä lähimpään galaksiin. Jos lähin galaksi olisi kymmenen metrin päässä, vastaava etäisyys olisi atomin levyinen. Gaia on niin tarkkanäköinen, että se pystyy erottamaan tätä vastaavan paikan muutoksen, mutta vain juuri ja juuri. (Voi itse asiassa olla, että tämä muutos on hieman liian pieni Gaialle.) Kosmologisiin etäisyyksiin on siis vaikea päästä. Kaksi seikkaa kuitenkin auttaa: Linnunradan liike muiden galaksien suhteen ja kaukana olevien kohteiden suuri määrä.

Ensinnäkin, Maapallo liikkuu Linnunradan mukana suhteessa kaukaisiin galakseihin 369 kilometriä sekunnissa. Tämä on mitattu nopeutemme suhteessa kosmiseen mikroaaltotaustaan. Koska galaksit ovat syntyneet kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyvistä epätasaisuuksista, ne ovat keskimäärin levossa kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, joten tämä on myös nopeutemme galaksien suhteen. Maapallo siis liikkuu kaukaisiin galakseihin nähden 12 miljardia kilometriä vuodessa, eli 78 kertaa Auringon ja Maapallon välin.

Toisekseen, Gaian odotetaan mittaavan puoli miljoonaa kvasaaria ja kolme miljoonaa galaksia kosmologisilla etäisyyksillä. Vaikka yhden kohteen parallaksi olisi pieni, niin kun tarkastellaan suurta määrää kohteita joiden paikka muuttuu samalla tavalla, saadaan kuva niiden yhteisestä paikan muutoksesta. (Gaia mittaa myös kohteiden punasiirtymän, joten tiedetään, mitkä kohteet ovat yhtä kaukana – kirjoitan punasiirtymästä joskus toiste!)

Näiden kahden asian takia Gaia saattaa pystyä mittaamaan parallakseja kohteista jotka ovat miljardien valovuosien päässä. Tämä on Gaian kykyjen äärirajoilla. Gaian kaavaillaan tekevän mittauksia viisi vuotta, ja kosmologinen data julkistetaan kokonaisuudessaan kolme vuotta mittausten loppumisen jälkeen, eli voi olla että vasta vuonna 2022 selviää, miten hyvin Gaia kosmologisissa mittauksissa onnistuu.

Mitä kosmisen parallaksin mittaamisella sitten saavutetaan? Kosmologisia etäisyysmittauksia on tehty 1920-luvulta asti, ja nykyään niitä on jo suoritettu tarkemmin kuin mihin Gaia kykenee. Juuri etäisyyksien tarkka selvittäminen vei vuonna 1998 siihen johtopäätökseen, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, mistä myönnettiin vuonna 2011 Nobelin palkinto. Nuo mittaukset kuitenkin perustuivat supernovien kirkkauteen: mitä himmeämpi kohde, sitä kauempana se on. Arkiskaalassa on aivan sama, mittaako kohteen etäisyyden kirkkaudesta, parallaksista tai vaikka näennäisestä koosta. Kosmologiassa tilanne on toinen.

Avaruus kehittyy merkittävästi valon matkatessa miljardeja vuosia, ja tämä vaikuttaa eri tavalla kirkkauteen ja parallaksiin. Niinpä vertaamalla kirkkautta ja parallaksia saadaan uusi näkökulma siihen, miten maailmankaikkeus kehittyy ja mikä saattaa olla kiihtyvän laajenemisen syynä. Pääasiallisen tutkimuskohteeni, rakenteiden vaikutuksen maailmankaikkeuden laajenemiseen, kannalta tämä on kiinnostavaa. Niinpä tutkailin parallaksia tämän vuoden viimeisessä tieteellisessä artikkelissani, joka tuli julki sopivasti Gaian taivaalle nousemisen jälkeisenä yönä. Tähän on hyvä päättää vuosi.

---

Hirvittäviä hyppäyksiä

16.12.2013 klo 02.01, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Huomasin YLEltä uutisen jonka mukaan ”Universumi voi romahtaa koska tahansa – tai sitten ei”. Jutun mukaan on mahdollista, että ”Muutos puristaisi kaiken aineen pieneksi supertiheäksi palloksi. Samalla maailmankaikkeus nykymuodossaan lakkaisi olemasta”. Tiedeuutisissa on tavallista törmätä artikkeleihin, joiden ihmeellisyydelle vetää vertoja vain niiden perättömyys, joten en ajatellut kirjoittaa aiheesta enempää. Kun kuitenkin tulin katsoneeksi asiaa tarkemmin, huomasin että taustalla onkin ihan mielenkiintoista tutkimusta.

YLE oli saanut jutun Tähdet ja avaruus –lehdestä, joka puolestaan oli poiminut sen sivustolta SpaceDaily.com. Kun aihe on vaikea eivätkä toimittajat ole käsittelemiensä asioiden asiantuntijoita, niin kertomus voisi helposti muuttua yhä uskomattomammaksi joka askeleella. Itse asiassa YLEn uutinen on kuitenkin kohtuullinen tiivistelmä SpaceDaily.comin artikkelista. Uutisen poskettomat väitteet ovat tosin kaukana siitä, missä itse tieteellisessä tutkimuksessa on kyse, mutta ne eivät ole SpaceDaily.comin toimittajan keksintöä. Kyseisen sivuston ”uutinen” on nimittäin sanatarkka kopio Eteläisen Tanskan yliopiston lehdistötiedotteesta.

Kuten olen aiemmin sanonut, toimittajia voi syyttää siitä, että he suhtautuvat tutkijoiden lehdistötiedotteisiin kritiikittömästi, mutta suurin osa paisuttelusta on yleensä tutkijoiden itsensä tekosia. (Esimerkkejä voi katsastaa Peter Woitin blogista Not Even Wrong.)

Tutkimus sinänsä on kiinnostava, se koskee Higgsin kenttää. Hiukkasfysiikan Standardimallin Higgsin kenttä täyttää koko avaruuden. Sitä voi verrata sähkökenttään, paitsi että sähkökentällä on voimakkuuden lisäksi suunta, Higgsin kentällä on vain voimakkuus. Higgsin kenttä on tällä hetkellä kaikkialla havaitussa maailmankaikkeudessa yhtä voimakas. Higgsin kentän voimakkuus ilmenee nykymaailmankaikkeudessa lähinnä siten, että tunnetut alkeishiukkaset saavat massansa vuorovaikuttamalla kentän kanssa. (Poikkeuksena Higgsin hiukkanen itse sekä mahdollisesti neutriinot, joiden massojen alkuperästä ei ole varmuutta.) Mitä voimakkaampi Higgsin kenttä on ja mitä vahvemmin hiukkanen vuorovaikuttaa sen kanssa, sitä suurempi hiukkasen massa on.

Varhaisessa maailmankaikkeudessa Higgsin kentän voimakkuus on ollut erilainen kuin nykyään, ja on mahdollista, että se muuttuu tulevaisuudessa. Kentän käytöksen määrää se, miten se vuorovaikuttaa itsensä ja muihin hiukkasiin liittyvien kenttien kanssa. Nämä vuorovaikutukset ovat niin monimutkaisia, että niitä ei pystytä laskemaan täysin tarkasti, teoriaa pitää aina yksinkertaistaa jotenkin. Oleg Antipinin ja muiden tutkimuksessa, joka on toiminut lehdistötiedotteen pohjana, esitetään uudenlainen tapa yksinkertaistaa vuorovaikutusten laskemista. Kysymys on siitä, mitä osia teoriasta otetaan mukaan ja mitä jätetään pois, ja Antipin ja kollegat esittävät hieman erilaista kirjanpitoa kuin mitä yleensä on käytetty.

Tutkijat soveltavat artikkelissaan uutta menetelmää sen laskemiseen, miten Higgsin kenttä käyttäytyy, kun sen voimakkuus on hyvin suuri. Nykypäivänä Higgsin kenttä näyttää olevan stabiili. Tämä tarkoittaa sitä, että jos kentän voimakkuus muuttuu vähän, niin se palaa takaisin vanhaan arvoonsa. Kenttä lepää rauhassa kuin kivi kaivon pohjalla. On mahdollista, että jos kenttä olisi hyvin voimakas, niin se ei olisi enää stabiili, vaan se voimakkuus rupeaisi kasvamaan rajatta. Toisaalta voi olla, että hyvin voimakas kenttä olisi vielä stabiilimpi kuin nykyinen. Kummassakin tapauksessa kenttä saattaa hypätä hirvittävän ison välin hyvin suurelle arvolle, kuin kivi kaivosta viereisen syvemmän kaivon pohjalle, tai pohjattomaan kuiluun. (Kun asian ilmaisee näin, niin se kuulostaa kummalliselta, mutta kvanttimekaniikassa tällaista tunneloitumista tosiaan tapahtuu – aiheesta kenties myöhemmin lisää.)

Mitä merkitystä tällä sitten on? Jos Higgsin kentän arvo kasvaisi rajatta, niin siihen liittyvästä energiatiheydestä tulisi hyvin negatiivinen, mikä johtaisi maailmankaikkeuden romahtamiseen. Toisekseen, jos Higgsin kenttä on vastuussa varhaisen maailmankaikkeuden inflaationa tunnetusta tapahtumasta, niin siihen liittyvä kentän voimakkuus on hyvin suuri, ja kentän käytös pitää tuntea tarkkaan. 

Higgsin kentän stabiilius riippuu sen massasta ja vuorovaikutuksesta itsensä ja muiden hiukkasten kanssa. Standardimallissa Higgsin kenttä on suurilla voimakkuuksilla niin lähellä stabiilin ja epästabiilin rajaa, että tämänhetkisen mittaustarkkuuden rajoissa ei voida sanoa, kummalla puolella se on. Laskuihin vaikuttavat tunnettujen hiukkasten lisäksi kaikki muut hiukkaset. Lienee olemassa ainakin pimeän aineen hiukkanen, ja luultavasti useita muitakin toistaiseksi tuntemattomia hiukkasia, joten pelkästään Standardimallin hiukkassisällöllä tehdyt laskut, kuten Antipinin ja kollegoiden tutkimus, eivät ole viimeinen sana. Artikkelin johtopäätös joka tapauksessa on se, että approksimaatiot Higgsin kentän käyttäytymisestä eivät vielä ole tarpeeksi tarkkoja, että voitaisiin päätellä, mitä tapahtuu kentän ollessa hyvin voimakas.

Miten tästä on hypätty yliopiston lehdistötiedotteeseen, jonka mukaan hiukkasista voi koska tahansa tulla paljon raskaampia, aine puristua supertiheäksi palloksi ja maailmankaikkeus lakata olemasta?

Jos Higgsin kenttä siirtyisi epästabiiliin tilaan, niin tämä saattaisi tosiaan johtaa maailmankaikkeuden romahtamiseen, kuten mainittua. Mutta tästä lehdistötiedotteessa ei vaikuta olevan kysymys, vaan siitä, että kentän voimakkuus hyppäisi stabiiliin tilaan. Tällöin naiivisti ajateltuna hiukkasten massat (ja siten myös energiat) kasvaisivat. Mutta laskuissa Higgsin kentän tilan muuttumisesta ei ole otettu huomioon tätä – laskun koko idea on se, että maailmankaikkeus siirtyy tilaan, jossa kokonaisenergia on sama tai alempi, ei isompi. Jos hiukkasten massojen kasvun ottaisi huomioon, energia kasvaisi. Toisin sanoen, lehdistötiedotteen kuvaama hyppy on mahdoton. Tutkimuksessa ei mitään tällaisia väitteitä ole, romahtamisesta tai muusta maailmanlopusta ei siinä puhuta sanallakaan.

Lehdistötiedotteessa on mainittu yhteyshenkilönä tutkimuksen tekemiseen osallistunut jatko-opiskelija Jens Krog. Hän on myös ainoa henkilö, jota on lehdistötiedotteessa ”haastateltu”. Ei ole selvää, mikä osa tekstistä on hänen käsialaansa ja mikä kenties yliopiston tiedottajien. Ei liene syytä laittaa liikaa painoarvoa sille, että kyseessä on jatko-opiskelija, koska yhtä harhaanjohtavia tekstejä tulee vanhempienkin tutkijoiden nimissä. Yleinen käytäntö sitä paitsi on, että ennen väitöskirjan valmistumista jatko-opiskelijoiden synnit kuuluvat ohjaajien kannettavaksi, ja lehdistötiedotteen sisällön pitäisi olla kaikkien hyväksymä.

Tässä tapauksessa lehdistötiedote oli harhaanjohtava ja virheellinen. Mutta silloinkin kun tiedote kuvaa tutkimuksen sisältöä oikein, on ongelmallista, että toimittajat päättelevät pelkästään tiedotteen lähettämisestä, että jotain merkittävää on tapahtunut. Tämä onkin luonnollista – jos kysymys olisi sellaisesta pienestä askeleesta joita otetaan kymmeniä päivittäin, niin miksi juuri tästä olisi kirjoitettu tiedote? Esimerkiksi muka valoa nopeammiksi neutriinoiksi luullun mittausvirheen tapauksessa asia olisi pitänyt selvittää tutkimusryhmän tai laajemman tiedeyhteisön sisällä eikä uutisoida koko maailmalle.

Olen itse kerran joutunut tällaiseen tilanteeseen. Väitöskirjaopiskelijani Mikko Lavinnon ja Jagellon yliopistossa Krakovassa työskentelevän Sebastian J. Szybkan kanssa kehitimme kosmologisen mallin, jossa on alueita, jotka ovat sisältä isompia kuin ulkoa, tutkiaksemme rakenteiden vaikutusta maailmankaikkeuden laajenemiseen. Nimesimme ne Tardis-alueiksi, Oxford English Dictionaryyn Dr Who –sarjasta päätyneen sanan mukaan; sana tarkoittaa jotakin jonka sisäinen koko on isompi kuin ulkoinen. Nimen takia tutkimus sai huomiota netissä. Yhtä juttua varten toimittaja haastatteli minua, ja siitä tulikin ihan asiallinen. Ajattelin, että matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan tiedottajaa saattaisi kiinnostaa asian saama huomio, joten laitoin hänelle viestin. Puolitoista tuntia myöhemmin sain yllätyksekseni sähköpostissa lehdistötiedotteen luonnoksen. Soitin tiedottajalle ja sanoin, että parempi olla laittamatta tiedotetta, koska vaikka artikkeli on mielestäni hyvä ja kiinnostava, tiedotteen lähettäminen antaa liiallisen vaikutelman tutkimuksen merkityksestä. (Tiedottaja suhtautui asiallisesti, mutta voin kuvitella hänen miettineen, millaisia hölmöjä jotkut tutkijat ovat: miksi ottaa yhteyttä tiedottajaan, jos ei kerran halua, että tämä tiedottaa?)

Päävastuu tutkimuksesta tiedottamisesta asianmukaisesti on tutkijoilla itsellään. Higgsin hiukkasen löytymisen asiallinen uutisointi osoittaa, että tiedotusvälineet pystyvät esittämään tieteelliset läpimurrot oikeassa viitekehyksessä ja merkitykset paikalleen pistäen, jos niille tarjotaan siihen vankka pohja. Mutta toimittajienkin tulisi tehdä osansa ja etenkin ihmeellisten löytöjen kohdalla lehdistötiedotteiden tai muiden lehtien artikkelien kopioimisen sijaan selvittää miten asian laita todella on.