Arkisto
- 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
- toukokuu 2014
- huhtikuu 2014
- maaliskuu 2014
- helmikuu 2014
- tammikuu 2014
- joulukuu 2013
- marraskuu 2013
- lokakuu 2013
- syyskuu 2013
Joskus epäily on järjetöntä
Helsingin Sanomien heinäkuun kolumnini päättyy näin:
”Siirtymä kuvitelluista ylhäältä annetuista totuuksista epävarman tiedon todellisuuteen on tieteen keskeinen saavutus. Kohtuuttoman epäilyn esittäminen perustellun epävarmuuden väreissä, jotta ilmastokatastrofiin ei puututtaisi, on surullinen esimerkki tämän saavutuksen väärinkäytöstä.”
Blogit ovat lomalla heinäkuun ajan. Elokuussa pitäisi olla lisäselvyyttä BICEP2:n havainnoista, ja toivon mukaan blogipohja on vaihtunut ja kommentointi toimii taas – tuntuu kummalliselta kirjoittaa tänne saamatta kommentteja ja kysymyksiä.
Portaat muinaiseen maailmaan: askelmista 4 ja 5
BICEP2-koeryhmän väittämästä gravitaatioaaltolöydöstä on tullut uutta tietoa – tai uusia huhuja. Planck-ryhmään kuuluva tutkija kertoi viime viikolla, että heiltä on tulossa heinäkuun loppuun mennessä uusiin havaintoihin perustuva analyysi Linnunradan pölystä peräisin olevasta polarisoituneesta mikroaaltotaustasäteilystä. Tulokset kuulemma tukevat sitä näkemystä, että BICEP2 ei ole nähnyt gravitaatioaaltoja. Planckin uusien tulosten on kokonaisuudessaan määrä tulla julkisiksi vasta lokakuussa.
Olen aiemmin kirjoittanut havaitun BICEP2:n havaitseman polarisaation yhteydestä gravitaatioaaltoihin. Uusien tarkastelujen valossa tämä yhteys on aiempaa huterampi, mutta käsittelen kuitenkin nyt hieman sitä, mitä BICEP2:n havainnoista voisi päätellä, jos ne todella johtuvat gravitaatioaalloista. Vaikka BICEP2 ei olisikaan havainnut gravitaatioaaltoja, voi olla että joku muu lähitulevaisuuden mikroaaltokoe niin tekee.
4) Voivatko havaitut gravitaatioaallot olla peräisin muualta kuin inflaatiosta?
Gravitaatioaallot ovat pieniä häiriöitä gravitaatiokentässä, ja niitä syntyy massojen liikkuessa. Gravitaatioaaltoja syntyy koko ajan, mutta ne ovat tyypillisesti hyvin heikkoja. BICEP2 ei näe aaltoja suoraan, vaan koeryhmä päättelee niiden olemassaolon siitä, että mikroaaltojen polarisaatio on erilainen eri suunnissa taivaalla, satojen miljoonien vuosien etäisyyksillä. BICEP2:n näkemissä aalloissa on erityistä tämä valtava aallonpituus, mikä viittaa siihen, että niiden alkuperä on kosminen inflaatio. Tähän liittyy kosmologisen horisontin käsite.
Maailmankaikkeus on äärellisen ikäinen ja valo kulkee äärellisellä nopeudella, joten näemme vain äärellisen osan maailmankaikkeutta. Näkemämme alueen rajaa kutsutaan kosmologiseksi horisontiksi. Maailmankaikkeuden ikä on noin 14 miljardia vuotta, joten jos maailmankaikkeus ei laajenisi, niin horisontin etäisyys olisi nykyään 14 miljardia valovuotta. Koska maailmankaikkeus laajenee, horisontti on kauempana, noin 50 miljardin valovuoden etäisyydellä. Valon etäisyys lähtöpisteestään ei kasva vain siksi, että valo liikkuu, vaan myös sen takia, että avaruus venyy.
Horisontti kasvaa aina ajan myötä, koska valo on ehtinyt kulkea pidemmän matkan. Tämä ei kuitenkaan välttämättä tarkoita sitä, että myöhemmin näkisi suuremman osan maailmankaikkeutta. Näin tapahtuu vain silloin, kun valon kulkema matka kasvaa nopeammin kuin maailmankaikkeuden osien välinen etäisyys. Jos maailmankaikkeuden laajeneminen hidastuu, näin käy: ajan kuluessa näkyviin tulee uusia alueita, joista ei ole aiemmin saanut mitään tietoa. Jos laajeneminen kiihtyy, käy toisin päin: näkyviin ei tule uusia alueita, ja vanhatkin katoavat hiljalleen näkyvistä. Tällöinkin horisontin sisällä oleva alue kasvaa, mutta sen osuus koko maailmankaikkeudesta pienenee.
Kosmisen mikroaaltotaustan syntyhetkellä maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden ikäinen. Jos maailmankaikkeuden laajeneminen olisi aina hidastunut, valo olisi tuolloin ehtinyt kulkea korkeintaan 760 000 valovuotta. BICEP2:n näkemien gravitaatioaaltojen aallonpituus on samaa suuruusluokkaa. (Tai siis oli tuolloin: maailmankaikkeus on sittemmin laajentunut 1090-kertaisesti, joten gravitaatioaallot ovat venyneet satojen miljoonien valovuosien mittoihin.)
Informaatio kulkee korkeintaan valonnopeudella, joten on vaikea ymmärtää, miten tilanteessa, jossa laajeneminen hidastuu, olisi mahdollista saada aikaan horisontin kokoisia gravitaatioaaltoja. Jos gravitaatioaallot ovat peräisin aineen liikkeestä, niin tämä tarkoittaisi sitä, että aineen pitäisi muuttua samalla tavalla kaikkialla näkyvän maailmankaikkeuden alueella. Yksi mahdollisuus tähän on spekulatiiviset aineen olomuodon muutokset, jotka voivat tuottaa gravitaatioaaltoja, mutta ainakaan toistaiseksi tutkitut vaihtoehdot sovi BICEP2:n havaintoihin.
Kosminen inflaatio ratkaisee ongelman. Inflaation mukaan maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyi ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana. Tällöin tyhjän avaruuden kvanttifluktuaatioista syntyi gravitaatioaaltoja. Kiihtyvän laajenemisen takia aaltojen pituus venyi paljon isommaksi kuin maailmankaikkeuden näkyvän osan koko. Inflaation loputtua laajeneminen rupesi taas hidastumaan, joten horisontti alkoi saamaan kiinni näitä aaltoja, ja ne tulivat takaisin näkyviin. Inflaatio saa aikaan aaltoja monilla eri aallonpituuksilla, joten on aina olemassa gravitaatioaaltoja, joiden aallonpituus on sama kuin kulloisenkin horisontin.
Tämän takia BICEP2:n tulokset, jos niissä on kyse gravitaatioaalloista, tukevat voimakkaasti ideaa inflaatiosta, ja kertovat sen yksityiskohdista.
5) Mitä havaitut gravitaatioaallot kertovat inflaatiosta?
Koska BICEP2:n tulosten tulkinta on tällä hetkellä hyvin epävarma, kirjoitan niiden merkityksestä inflaatiolle vain lyhyesti.
Gravitaatioaallot kertovat, mikä oli maailmankaikkeuden energiatiheys inflaation aikaan. Koska maailmankaikkeus laajenee, sen energiatiheys (eli energia per tilavuus) laskee. Inflaation aikoihin energiatiheys oli hyvin suuri, joten inflaatiota koskevat havainnot antavat tietoa siitä, millaisia fysiikan lait ovat hyvin korkeilla energioilla.
Inflaation tuottamien gravitaatioaaltojen voimakkuus riippuu energiatiheydestä, ja BICEP2:n mukaan inflaation aikainen energiaskaala oli tuhat miljardia kertaa isompi kuin se, mikä LHC-kiihdyttimessä saavutetaan. Koska energiatiheys laskee ajan myötä, on myös mahdollista arvioida maailmankaikkeuden ikä inflaation aikana, ja BICEP2:n mukaan inflaatio tapahtui maailmankaikkeuden ollessa sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tuhannesosan ikäinen.
Suurimmassa osassa inflaatiomalleja energiaskaala on pienempi, joten niissä syntyy heikompia gravitaatioaaltoja. Esimerkiksi polarisaation B-moodeja ensimmäisenä, viime joulukuussa, havainneen South Pole Telescopen taustamateriaalissa todetaan, että inflaation aiheuttamista gravitaatioaalloista johtuvien B-moodien voimakkuus on isompi kuin gravitaatiolinsseistä aiheutuvien B-moodien (eli yhtä iso kuin mitä BICEP2 väittää) ”kaikissa paitsi optimistisimmissa inflaatiomalleissa”.
BICEP2:n gravitaatioaallot siis heittäisivät roskakoriin suurimman osan inflaatiomalleista. Tämä on erinomaisen hyvä asia tieteen etenemisen kannalta. Kukaan ei liene laskenut, paljonko erilaisia inflaatiomalleja on esitetty, mutta sellaisia malleja, jotka ovat tietyssä mielessä yksinkertaisia, on keksitty noin 200 erilaista. Niistä vain 36 sopii sekä Planckin että BICEP2:n havaintoihin, joten BICEP2 on merkittävästi lisännyt tietoamme inflaatiosta. Oikeita inflaatiomalleja on tietysti korkeintaan yksi, ja tarvitaan tarkempia havaintoja erottelemaan noita jäljellejääneitä 36:ta – sekä uusia inflaatiomalleja, joita on jo kehitetty nimen omaan sopimaan BICEP2:n tuloksiin. On kuitenkin vielä ennenaikaista kuopata yhtään mallia, ennen kuin BICEP2:n tuloksista saadaan selvyys, kenties jo tänä kesänä.
3 kommenttia “Portaat muinaiseen maailmaan: askelmista 4 ja 5”
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Kaikenlaisia selityksiä
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Tila kosmologiassa
-
Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Sormustimen verran
Vastaa
Askel taaksepäin
Tuuli on kääntynyt BICEP2:ta vastaan. Koeryhmä ilmoitti 17.3. suurella fanfaarilla havainneensa varhaisen maailmankaikkeuden kosmisessa inflaatiossa syntyneitä gravitaatioaaltoja. Jos tämä pitää paikkansa, niin kyseessä on ensimmäinen varma kokeellinen todiste kvanttigravitaatiosta.
Tarkemmin sanottuna, BICEP2 on nähnyt B-moodeina tunnetun pyörrekuvion taivaalta tulevissa mikroaalloissa. Tästä on monta askelta inflaatiossa syntyneisiin gravitaatioaaltoihin. Ehkä epävarmin on se, ovatko BICEP2:n näkemät polarisoidut mikroaallot osa kosmista mikroaaltotaustaa vai tulevatko ne Linnunradasta. Jos ne ovat peräisin omasta galaksistamme, niin ne eivät kerro mitään varhaisesta maailmankaikkeudesta, ainoastaan kotinaapurustomme pölystä ja magneettikentistä.
Kirjoitin aiemmin seuraavasti:
”Toistaiseksi ei siis ole varmuutta siitä, onko BICEP2:n signaali todella kosmologista alkuperää, eikä selity Linnunradasta tulevalla säteilyllä. Toisaalta analyysissä ei ole mitään ilmeisiä virheitä eikä vakavia puutteita. Lisäksi mitattujen pyörteiden koko taivaalla on juuri se, mitä gravitaatioaalloilta odottaisikin, vaikka niiden voimakkuus onkin hieman odotettua isompi.”
Totesin myös, että:
”BICEP2:sta ilmestyneissä papereissa valtaosasta (ellei peräti kaikissa) on oletettu, että havainnot pitävät paikkansa. Tämä on ymmärrettävää, koska on nopeampaa sanoa, miten valmiit teoreettiset mallit sopivat yhteen uusien havaintojen kanssa kuin ruveta syynäämään sitä, onko havainnot tehty oikein. BICEP2:n datan kriittistä tarkastelua tulee kuitenkin varmasti vielä julki, erityisesti Planck-satelliitin tutkijaryhmältä.”
Sittemmin mainitsin yhdestä artikkelista, jossa on esitetty mahdollinen Linnunradassa oleva lähde BICEP2:n havaitsemille polarisoiduille mikroaalloille. BICEP2:n analyysistä on nyt lisäksi löydetty yksi vakava puute, ja riippumattomat tutkijaryhmät ovat päätyneet siihen johtopäätökseen, että BICEP2:n signaali saattaa olla peräisin Linnunradasta.
BICEP2 katsoi vain pientä osaa taivasta. Suunta oli valittu sen perusteella, että siellä Linnunradasta tulisi mahdollisimman vähän polarisoitunutta mikroaaltosäteilyä. Ongelmana on se, että luotettavia karttoja Linnunradan polarisoituneesta mikoaaltotaustasäteilystä ei ole julkisesti saatavilla. Planck-ryhmä on tehnyt tarkimmat mittaukset, mutta sen oma analyysi on vielä kesken. Datan on määrä tulla julkiseksi lokakuussa, kun Planck on ehtinyt käydä sen läpi huolella. BICEP2:n ilmoituksen jälkeen toukokuussa Planck on julkaissut polarisaatiodataa joistakin taivaan osista, mutta ei BICEP2:n alueesta.
Miten BICEP2 sitten oli arvioinut, kuinka paljon polarisoitunutta säteilyä sen katsomasta alueesta tulee? Yksi mahdollisuus on käyttää erilaisia malleja, jotka sopivat jo tehtyihin havaintoihin. Vaikka nämä havainnot eivät olisi tarpeeksi kattavia, mallien perusteella voidaan ennustaa, millaista polarisaation odottaisi olevan. Tämän perusteella BICEP2 arvioi Linnunradasta tulevan polarisoidun säteilyn voivan selittää vain pienen osan heidän mittaamastaan signaalista.
BICEP2 myös arvioi polarisaatioastetta havainnoista ja viittasi Planckin julkaisemattomaan dataan, tarkemmin sanottuna erään Planck-ryhmän jäsenen puheeseen. Tämä onkin eriskummallinen tapaus. BICEP2-ryhmä on vahvistanut käyttäneensä PowerPoint-esityksessä ollutta polarisaatiokartan kuvaa arvionsa pohjana. Tällaisia analyysejä ei ole tapana tehdä kuvien perusteella, vaan niiden taustalla olevien lukujen: kuvat vain havainnollistavat dataa. Tilanne ei silti ole täysin ainutlaatuinen: PAMELA-kokeen väitetyistä pimeän aineen havainnoista kirjoitettiin tieteellisiä julkaisuja puheessa esitetystä kalvosta otetun valokuvan perusteella.
Planckin kartassa näytettiin taivaan eri suuntien polarisaatioaste, eli se, kuinka suuri osa ei-kosmisesta säteilystä on polarisoitunutta (aiemmassa merkinnässä oli lyhyt selitys siitä, mitä polarisaatio on). Linnunradasta tulevan säteilyn määrä eri suunnissa tunnetaan varsin hyvin. Jos sen lisäksi tiedetään polarisaatioaste, niin voidaan laskea paljonko polarisoitunutta säteilyä on.
Raphael Flauger ja kumppanit ovat toistaneet Planckin esityksessä olleen kuvan analysoimisen. (Aiheesta myös Jesterin ja Sesh Nadathurin blogeissa.) Tutkijaryhmässä on mukana yksi Planck-satelliittia edeltäneen WMAP-satelliitin päätutkijoita, David Spergel. He digitoivat Planck-ryhmän esityksessä olleen kuvan ja muuttivat sen mallintamiseen kelpaavaksi dataksi. He ottivat huomioon digitoimisesta syntyvät virheet, eivätkä ne olleet suurin ongelma. Sen sijaan BICEP2-ryhmä näyttää ymmärtäneen väärin, mitä kartassa näytettiin. Siinä nimittäin oli mukana Linnunradasta tulevan mikroaaltosäteilyn lisäksi Linnunradan ulkopuolisten galaksien infrapunavalo. BICEP2-ryhmä oli ilmeisesti luullut, että kartassa näkyvä polarisaatioaste koskee vain galaksista tulevaa säteilyä.
Linnunradasta tuleva säteily on hyvin polarisoitunutta, eli se aaltoilee enemmän tiettyihin suuntiin, siksi että Linnunrata on erilainen eri puolilla. Esimerkiksi Linnunradan magneettikentät osoittavat tiettyihin suuntiin eivätkä ne ole yhtä voimakkaita kaikkialla.
Linnunrata ei ole poikkeus, muidenkin yksittäisten galaksien valo on polarisoitunutta. Mutta Maapallolle tulee infrapunasäteilyä hyvin suuresta määrästä galakseja. Koska galaksien asento meihin nähden on sattumanvarainen, galaksien yhteenlaskettu valo värähtelee yhtä paljon kaikkiin suuntiin, eli se ei ole voimakkaasti polarisoitunutta.
Esityksessä ollut kartta näytti, kuinka suuri osa Linnunradan mikroaalloista plus muiden galaksien infrapunavalosta on polarisoitunutta. Koska muiden galaksien infrapunavalo on vähemmän polarisoitunutta kuin Linnunradan mikroaallot, mikroaallot ovat voimakkaammin polarisoituneita kuin mikroaaltojen ja infrapunavalon summa. Näin BICEP2 aliarvioi Linnunradasta tulevan valon polarisaatioasteen pahasti.
Tai näin ainakin Flauger ja kumppanit väittävät. BICEP2 ei ole vahvistanut asiaa, mutta tekemällä tuon virheen Flauger ja kumppanit saavat suunnilleen samanlaisen tuloksen kuin BICEP2-ryhmä. Jos virheen korjaa, polarisaatioaste on isompi. Tämä ei kuitenkaan ole lopullinen sana asiasta. Ensinnäkin Planckin esittelemä kuva on alustava, ja toisekseen se on otettu eri aallonpituudella kuin BICEP2:n mittaukset, ja polarisaatioaste riippuu aallonpituudesta.
Lisäksi sekä Flauger ja kumpp. että toinen tutkijaryhmä ovat uudelleen arvioineet malleja Linnunradan polarisaatiosäteilylle, käyttäen Planckin toukokuussa julkaisemia karttoja. Molempien johtopäätös on se, että Linnunradan pölyn ja magneettikentissä liikkuvien hiukkasten lähettämien mikroaaltojen polarisaatio voi olla tarpeeksi voimakasta, ja sen pyörteiden koko voi olla sopiva, selittääkseen kaikki BICEP2:n havainnot.
Nämä analyysit kuitenkin pohjaavat paljolti siihen, mitä tapahtuu Linnunradan tyypillisissä taivaan osissa, kun taas BICEP2 valitsi katsomansa taivaan osan juuri sen perusteella, että se ei ole tyypillinen. Luotettavaa tietoa BICEP2:n katsoman taivaansiivun puhtaudesta ei siis vielä ole.
On mahdollista, että BICEP2 on nähnyt muinaisten gravitaatioaaltojen jäljen, mutta kosmologien yleinen mielipide on kääntynyt innostuneesta epäileväksi. Valoa asiaan tulee BICEP2-koeryhmän uuden Keck-teleskoopin mittauksista, joita tehdään kahdella taajuudella, mikä on tärkeää kosmisen ja Linnunradasta tulevan signaalin erottelemiseksi.
Lopulliseen selvyyteen tarvitaan Planckin tarkkoja mittauksia Linnunradan säteilystä, joiden on määrä tulla julki lokakuussa. Sen verran voi ulkopuolisena sanoa, että Planck-ryhmän jäsenet, jotka olivat kovin vakavina BICEP2:n ilmoittaessa löydöstään, ovat viime aikoina näyttäneet varsin onnellisilta.
Päivitys (20/06/14): BICEP2-ryhmän artikkeli on julkaistu eilen, vertaisarvioinnin jälkeen. Julkaistussa versiossa koeryhmä on ottanut esitetyn kritiikin huomioon ja lieventänyt lausuntojaan. Artikkelissa ei enää väitetä, että Linnunradasta tuleva säteily on tarkasti mallinnettu, sen sijaan siinä sanotaan että ”lisää dataa selvästi tarvitaan tilanteen selvittämiseksi”. Aiempi maininta siitä, että ”B-moodi –kosmologian uusi aikakausi on alkanut” on muuttunut muotoon ”Jos [signaalin] alkuperä on tensorit [eli gravitaatioaallot], mitä yllä esitetty todistusaineisto tukee, niin se kertoo B-moodi –kosmologian uudesta aikakaudesta. Mutta jos nämä B-moodit ovatkin todistusaineistoa korkeasta pölysignaalista, se paljastaa edessä olevien haasteiden mittakaavan”.
Todellisuus on outo ja kosmisia kohtaamisia
Blogipohjaa uudistetaan, ja blogit ovat sen takia olleet tauolla. Muutos on kesken, ja kommentointi ei valitettavasti taida tällä hetkellä toimia. BICEP2:n tulosten kanssa on tapahtunut paljon viimeisen kuukauden aikana, kirjoitan siitä piakkoin, mainitsen nyt vain kaksi ajankohtaisehkoa asiaa.
Helsingin Sanomien kesäkuun kolumnini päättyy näin:
”Olemassaolollamme ei ole kosmista tarkoitusta, teoillamme on vain se merkitys, minkä niille annamme, ja olemme vastuussa niistä vain toisillemme.”
Olen mukana tiistaina 26.8. kello 21 Runokuun Kosmisissa kohtaamisissa. Tilaisuuteen pitää ilmoittautua etukäteen osoitteeseen ilmoittautumiset(at)nuorenvoimanliitto.fi.