Arkisto

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.

10 kommenttia “Voimalinjojen siemenet”

Eusa sanoo:

29.4.2016 19:35

Voivatko ulottuvat magneettikentät johtua siitä, että kuitenkin aine ja antiaine vaihtelisivat vuorottain kaikkeuden rakenteissa?

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

29.4.2016 19:57

Eusa:

Ei. Näkemämme rakenteet koostuvat aineesta, eivät antiaineesta. Jos osa niistä koostuisi antiaineesta, niin näkisimme gammasäteilyä sieltä, missä aine ja antiaine kohtaavat ja annihiloituvat.

(Vähän tällaista säteilyä nähdään paikoista, missä syntyy pieniä määriä antiainetta, kuten pulsarien läheisyydessä.)

Vastaa
Eusa sanoo:

29.4.2016 21:56

http://arxiv.org/pdf/1603.01169v2.pdf

http://arstechnica.com/science/2015/03/surprising-gamma-ray-signal-in-satellite-galaxy-could-come-from-wimps/

Lisääntyvissä määrin saadaan annihilaatioihin sopivia gammasäteilyhavaintoja, joiden alkuperä on arvailujen varassa. Vaikka INTEGRAL onkin herkempi kuin aiemmat ilmaisimet, sen herkkyys ei riitä havaitsemaan annihilaatiomerkkejä varhaisista galaksiytimistä suuremmalla kuin sigma 1 -tasolla, saati kvasaareista. Vaaditaan uuden sukupolven herkkyydeltään parannettujen soft-ray -spektrometrien ja millimetriluokan aaltojen VLBI-vastaanottimien tarkkuutta jotta päästään eroon merkittävistä rajoituksista positronisisällön tunnistamiseksi aktiivisten galaksiydinten suihkuissa (tai elektronisisältöä antigalakseissa).

Onhan oletettavaa, että meidän on tutkittava varhaista kaikkeutta, koska myöhemmät vaiheet olisivat ilmeisen luonnollisesti tasapainottaneet ratadynamiikat niin, että annihilaatioita tapahtuisi enää harvakseltaan.

Intergalaktisten magneettikenttien arvoitus on kyllä kaikkien tutkimuspanosten arvoista. Hienoa, että olette onnistuneet kaventamaan mahdollisuuksien kenttää.

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

29.4.2016 22:08

Eusa:

Nuo ovat juuri sitä vähäistä säteilyä, johon yllä viittasin. Jos olisi olemassa (tai olisi näkyvässä maailmankaikkeudessa ollut olemassa) antiaineesta koostuvia rakenteita, niin gammasäteilyä tulisi valtavan paljon enemmän.

Vastaa
1. Eusa sanoo:
  
  30.4.2016 01:13
  
  Kiitos vastauksista!
  
  Voimakas aineen ja antiaineen keskittyminen ja vain vähäinen sekoittuminen voisivat selittää puuttuvaa gammasäteilyä, jos annihilaatioprosessit kuitenkin osoittautuvat sinänsä yleiseksi ilmiöksi – tai sitten pimeä aine on hiukkasia ja harrastaa annihiloitumista jollain tavoin peräti elektroni-positroni-taajuudella.
  
  Vastaa
  1. Syksy Räsänen sanoo:
    
    30.4.2016 14:30
    
    Eusa:
    
    Ei voisi selittää. Jos antiainerakenteita olisi olemassa, niin näkyisi paljon havaittua enemmän gammasäteilyä.
    
    Tämä riittäköön tästä.
    
    Vastaa
Miguel sanoo:

9.5.2016 13:30

Jäin miettimään tuota sanavalintaasi: ”Suurimmillaan ne olisivat sattumoisin yhtä vahvoja kuin ihmisen aivojen magneettikentät.”

Tarkoititko tuolla ”sattumoisin” jotain?

Vastaa
1. Syksy Räsänen sanoo:
  
  9.5.2016 16:45
  
  Miguel:
  
  Sitä, että kyseessä on sattuma.
  
  Vastaa
MV sanoo:

6.7.2016 11:24

Terve, Syksy

Voisitko hieman selittaa mita tarkoitetaan tuolla magneettikenttien ”vuotamisella” tai ”valumisella” galakseista?

Terveisia kollegallesi Kimmo T:lle (vanha opiskelukaveri 😉

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

6.7.2016 15:35

MV:

Galakseista virtaa ulos varattuja hiukkasia, esimerkiksi supernovaräjähdyksistä syntyvien tuulien myötä, ja nämä kuljettavat mukanaan magneettikenttää.

Vastaa

Vastaa Peruuta vastaus

Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä

19.4.2016 klo 18.57, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun tiistaina 10.5. kello 17 aiheesta ”Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä”. Tiivistelmä on seuraava:

Kosminen mikroaaltotausta on maailmankaikkeuden vanhinta valoa. Se kantaa viestiä kosmisesta inflaatiosta, joka on maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin aikana tapahtunut kiihtyvän laajenemisen vaihe, jossa kaiken rakenteen siemenet syntyivät. Helsingin yliopiston Planck-tutkimusryhmä on mukana tekemässä lopullista analyysiä Planck-satelliitin havainnoista kosmisesta mikroaaltotaustasta. Samaan aikaan teoreetikot laskevat, mitä kosmisessa mikroaaltotaustassa ja hiukkaskiihdyttimissä pitäisi näkyä, jos inflaatiosta on vastuussa Higgsin hiukkaseen liittyvä Higgsin kenttä.

Tilaisuudessa puhuvat ajankohtaisista tutkimusaiheista myös Markku Sipilä (ilmakehätieteet), Emilia Kilpua (avaruusfysiikka), Leena Järvi (ilmakehätieteet) ja Tomas Kohoult (geofysiikka). Esitykset ovat noin 15 minuutin mittaisia, ja niiden kuvauksen näkee tapahtuman sivulta. Siellä voi myös ilmoittautua tapahtumaan; viimeinen ilmoittautumispäivä on 5.5.. Tilaisuus on suunnattu erityisesti tiedetoimittajille, mutta se on avoin kaikille; tilaisuus on ilmainen.

Yksi kommentti “Kosminen mikroaaltotausta, inflaatio ja Higgsin kenttä”

Paluuviite: Kosmokseen kirjoitettua | Käänteitä taivaankannen selityksessä

Vastaa Peruuta vastaus

Kvanttirikko

14.4.2016 klo 21.13, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainitsin kolmisen vuotta sitten, että peliyhtiö Remedy oli konsultoinut minua peliinsä Quantum Break liittyen. Viime viikolla peli ilmestyi (traileri on tällainen), samoin kun siihen liittyvä Cam Rogersin kirja Quantum Break: Zero State.

Aikamatkustus ja ajan manipulointi on pelissä keskeistä, ja kirjoittajat halusivat perustaa fiktionsa faktoihin. Niinpä he pyysivät minut kertomaan ajan fysiikasta ja aikamatkustuksesta. (Pelin ohjaaja Sam Lake kommentoi aihetta vähän täällä.) Kerroin heille kahtalaisesta ymmärryksestämme ajasta, vähän samoin kuin mistä olen täällä kirjoittanut. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika-avaruus on muuttumaton ja ajaton kokonaisuus. Toisaalta kvanttimekaniikan mukaan menneisyys on kiinnitetty, mutta tulevaisuutta ei ole määrätty, ja on olemassa erityinen tapahtumisen hetki.

Peli ei pyri olemaan tieteellisesti tarkka, mutta siinä on pidetty kiinni ajatuksesta, että menneisyyttä ei voi muuttaa. Minusta on myös hauskaa, että pelissä aikamatkustus toimii siten, että kierretään aikakonetta ympäri. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan tarpeeksi nopeasti pyörivässä avaruudessa voi todella matkata ajassa taaksepäin, jos kulkee sopivassa paikassa oikeaan suuntaan. (Ei tiedetä, kuvaako tämä teorian piirre todellisuutta.)

Fysiikasta puhumisessa alan ulkopuolisille on se mukava puoli, että tulee katsoo tuttuja asioita uudesta näkökulmasta. Samasta syystä oli hauskaa tavata pelin kirjoittajia ja ideoida fysiikkaa sen kannalta, mikä toimii pelissä.

Pelin kirjoittajat myös halusivat Quantum Breakiin aikamatkustusta koskevan laskun, jossa on virhe, jonka eräs henkilöistä voi korjata. Yhtälön vilahdus pelissä näyttää tältä. Kyseessä on ihan oikea lasku, ja koska käytin hetken aikaa sen setvimiseen, päätin laittaa myös yleisen suhteellisuusteorian kurssin tehtäväksi. Tämä onkin ensimmäinen kerta, kun luennoimani kurssin laskuharjoituksissa on ollut aikamatkustukseen liittyvää tuotesijoittelua.

4 kommenttia “Kvanttirikko”

Lentotaidoton sanoo:

19.4.2016 12:24

Nämä pelimiehet esittelivät vanhaa ideaa ajan kvantittumisesta eli chronokentistä ja chronopartikkeleista. Chrononistakin löytyy googlettamalla paljon. Ovatko mielestäsi chrononit toistaiseksi täydellistä toymodell tasoa?

“We had discussions and brainstorming sessions as well, around the Higgs field, the Higgs boson and how that relates to the idea of gravity; how, in theory, there could be a similar field and particle that is tied to time. From that we got our idea for chronofields and chronoparticles, which are based on the scientist in the story, called Meyer-Joyce fields and particles.”

https://en.wikipedia.org/wiki/Chronon
http://arxiv.org/abs/quant-ph/9706059
http://tao.cgu.org.tw/index.php?id=196
http://tao.cgu.org.tw/index.php?id=196

Vastaa
Syksy Räsänen sanoo:

19.4.2016 13:13

Lentotaidoton:

Peliin tarvittiin joku tapa pisteyttää sitä, miten paljon pelaaja voi manipuloida aikaa ja sille joku selitys pelin maailmassa.

Ehdotin, Roger Penrosen spekulaatioita tietoisuudesta mukaillen, että aivoissa on jokin elin, joka vastaanottaa ja varastoi tietynlaisia hiukkasia, ja näiden hiukkasten avulla voi manipuloida aikaa. En muista ideoinnin yksityiskohtia enää.

Oikean fysiikan kanssa tällä ajan manipuloimisosuudella ei ole juuri mitään tekemistä (toisin kuin aikakonemekanismilla).

Vastaa
Lentotaidoton sanoo:

19.4.2016 14:21

Niin tarkoitit ilmeisesti näitä Penrosen mikroputkia:

http://www.science20.com/news_articles/quantum_vibrations_evidence_theory_consciousness-127866
http://www.kurzweilai.net/discovery-of-quantum-vibrations-in-microtubules-inside-brain-neurons-corroborates-controversial-20-year-old-theory-of-consciousness

Vastaa
1. Syksy Räsänen sanoo:
  
  19.4.2016 14:54
  
  Niitäpä juuri.
  
  Vastaa