Kosmokseen kirjoitettua

Tällainen sekoilu

2.7.2025 klo 23.19, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime vuoden tapaan vastailen tänäkin vuonna aamuyöllä Ropecon-tapahtumassa kysymyksiin kosmologiasta ja ties mistä. Mukana on muidenkin alojen Aku Ankan ystäviä.

Ohjelmanumeron nimi on Luulitte, että tällainen sekoilu on lopetettu!, ja se pidetään lauantain 26.7. ja sunnuntain 27.7. välisenä yönä alkaen kello yksi. Sen kuvaus on seuraava:

Never stop the madness, kohta vedetään taas! Akuankkameemeihin perustuva asiantuntijapaneeli kokoontuu vastaamaan mitä haluaa toistensa ja kuulijoiden kysymyksiin erityisesti sekoiluista, joiden luulitte lopetetun! Todennäköisesti Ropeconin akateemisesti meritoitunein ja ponöttävin ohjelma, jota ei oikeastaan suositella minkään ikäisille. Paneelissa erikoiseläinlääkäri Katri, kallonkutistaja Janka, örkkitieteiden tohtori Loponen, toimittaja Maria, juoksuhautoihin kaivautunut Tuomas, ilmastofyysikko Merli, kosmologi Syksy ja pelitutkimuksen dosentti Jaakko. Moderaattorina toimii ortospede Lähdeoja.

Ropeconiin saa lippuja täältä.

---

Helpommin virheistä

18.6.2025 klo 21.47, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Tänään kollegani Jacopo Fumagalli Barcelonan yliopistosta puhui Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarien sarjassa teoreettisten kosmologien kaksi ja puoli vuotta kestäneestä kiistasta sitä, miten käsitellä kvanttifysiikkaa laajenevan maailmankaikkeuden alkuhetkillä.

Väittelyssä on ollut mukana tunnettuja teoreetikkoja ja siitä on kirjoitettu nopeaan tahtiin kymmeniä tieteellisiä artikkeleita. Nyt sumu vaikuttaa hälvenneen, ja Fumagalli on yksi niistä, jotka ovat näyttäneet valoa.

Kiistan alussa ovat muinaiset mustat aukot – tai oikeastaan sellaiset mallit kosmiselle inflaatiolle, jotka tuottavat mustien aukkojen siemeniä. Inflaatio on onnistunein selitys maailmankaikkeuden rakenteiden alkuperälle. Ideana on, että hyvin varhaisina aikoina jokin kenttä (kenties Higgsin kenttä) täyttää avaruuden ja saa sen laajenemiseen kiihtymään.

Avaruuden laajeneminen venyttää kvanttivärähtelyitä hiukkasfysiikan mittakaavasta kosmiseen mittakaavaan. Inflaation loppuessa kenttä hajoaa hiukkasiksi: sinne missä kentän energia on kvanttivärähtelyjen takia isompi, syntyy enemmän hiukkasia. Nämä epätasaisuudet sitten kasvavat gravitaation takia ja lopulta romahtavat galakseiksi, tähdiksi ja muiksi klimpeiksi.

Tämä osa tarinaa on teoreettisesti tunnettu jo 1980-luvulta ja kokeellisesti testattu 1990-luvulta alkaen. Mutta jos inflaatio synnyttää pieniä ison mittakaavan epätasaisuuksia joista syntyy galakseja, voisiko se myös saada aikaan isoja pienen mittakaavan epätasaisuuksia jotka romahtavat mustiksi aukoiksi ja selittävät pimeän aineen? Muinaisten mustien aukkojen tuottaminen inflaation avulla on nykyään hyvin suosittua (minäkin työskentelen sen parissa).

Inflaatio on ainoa fysiikan alue, missä on onnistuneesti yhdistetty yleinen suhteellisuusteoria (joka selittää kiihtyvän laajenemisen) ja kvanttifysiikka (joka selittää epätasaisuuksien siemenet) ja testattu ennusteita havainnoilla. Mutta meillä ei ole kvanttigravitaatioteoriaa, joka kertoisi miten kuvata aika-avaruutta ja gravitaatiota kokonaan kvanttifysiikan keinoin. Osaamme laskea mitä inflaatiossa tapahtuu vain silloin, kun kvanttivärähtelyt ovat pieniä. Mustien aukkojen tuottamiseen tarvitaan kuitenkin isoja massakeskittymiä, ja siis isoja kvanttivärähtelyjä.

Marraskuussa 2022 Jason Kristiano ja Jun’ichi Yokoyama iskivät tähän mahdolliseen ristiriitaan. He väittivät, että mustien aukkojen vaatimat isot kvanttivärähtelyt pilaavat inflaation oikeaksi osoittautuneet ennusteet galaksien siemenistä, ja että tämä sulkee pois inflaation selityksenä mustille aukoille. (Tai ainakin suurimman osan siihen esitetyistä malleista.)

Vahva väite herätti paljon huomiota, ja sekä idean kannattajat että vastustajat panivat tiuhaan tahtiin useita lyhyitä artikkeleita arXiv-nettiarkistoon, missä he arvostelivat toistensa laskuja ja perusteluita. Osa niistä on sittemmin julkaistu vertaisarvioiduissa tieteellisissä lehdissä, mutta ideoiden todenperäisyyttä ei oikeasti tarkisteta vertaisarvioinnissa, vaan silloin kun muut tutkijat vastaavat niihin julkisesti.

Inflaation kvanttifluktuaatioiden toisiinsa kohdistaman vaikutuksen selvittäminen vaatii pitkiä ja huolellisia laskuja. Usein kun fyysikot lähtevät tekemään jotain vaivalloista, he miettivät etukäteen joidenkin yleisten periaatteiden ja karkeiden arvioiden perusteella, mikä vastaus suunnilleen olisi.

Fumagallilla oli selvä näkemys. Hän oli vakuuttunut, että mustista aukoista vastuussa olevat kvanttifluktuaatiot eivät voi vaikuttaa niihin, jotka synnyttävät galakseja, koska ne ovat paljon pienemmässä mittakaavassa. Fysiikassa on tapauksia, joissa pienten pituuksien ilmiöt vaikuttavat isompiin, mutta yleensä eri mittakaavojen tapahtumat ovat erillään. Ei tarvitse tuntea hiekanjyvien yksityiskohtia Maan ja Kuun liikkeiden laskemiseksi.

Fumagallilta sai puolessa vuodessa valmiiksi ensimmäisen artikkelin, missä hän pyrki osoittamaan, että kun kaikki isolta näyttävät kvanttikorjaukset otetaan huomioon, ne kumoavat toisensa. Ajatus oli oikein, mutta lasku väärin, koska Fumagalli oli sivuuttanut osan tärkeistä kvanttikorjauksista. Puutteen korjaaminen kesti yli vuoden, mutta lopulta Fumagalli sai kerättyä kaiken kauniisti yhteen, ja osoitti että jok’ikinen hankalalta näyttävä kvanttikorjaus menee vastakkain toisen samanlaisen kanssa.

Samalla muutkin olivat saaneet yhä huolellisempia laskuja tehtyä, ja tulokset kallistuvat nyt selvästi sen puolelle, että Kristianon ja Yokoyaman osoittamaa ongelmaa ei ole olemassa. Mutta vaikka heidän väitteensä osoittautui vääräksi, se ei ollut turha.

Protofyysikko Francis Bacon totesi 1600-luvulla, että totuus löytyy helpommin virheistä kuin sekaannuksesta. Kristianon ja Yokoyaman esittämä lasku oli selkeä, ja se houkutteli muita tekemään tarkempaa tutkimusta sen osoittamiseksi vääräksi tai oikeaksi. Samalla kun tähän nimenomaiseen kysymykseen saatiin vastaus, niin kehitettiin sekä ymmärrystä että laskumenetelmiä varhaisen maailmankaikkeuden kvanttifysiikalle, millä saattaa vielä olla yllättäviä sovelluksia.

---

Voitto vailla iloa

10.6.2025 klo 13.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Viime viikolla Zoltan Fodor Pennsylvanian osavaltion yliopistosta (ja useista muista instituuteista) puhui Helsingin yliopistolla Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa myonin magneettisesta momentista.

Aihe sai vuonna 2021 paljon julkisuutta, kun hiukkasfysiikan tutkimuslaitos Fermilab pisti ulos lehdistötiedotteen, jonka mukaan sen uudet mittaukset tarjoavat ”vahvaa todistusaineistoa” tuntemattomasta fysiikasta. Sanomalehdet hehkuttivat tulosta Atlantin molemmin puolin: vaikutusvaltainen yhdysvaltalainen julkaisu The New York Times piti uutista verkkosivujensa etusivulla peräti kaksi viikkoa.

Sattumalta Fermilabilta tuli viime viikolla aiheesta uusi lehdistötiedote juuri samana päivänä, kun Fodor puhui Helsingissä. Siinä kehutaan Fermilabin nyt julkistettujen koetulosten parempaa tarkkuutta ja kerrotaan, miten iso ryhmä teoreettisia fyysikoita (Fodorin mukaan vuonna 2020 heitä oli 134, kaksi vuotta myöhemmin yli 200) perusti kansainvälisen yhteisprojektin myonin magneettisen momentin laskemiseksi teoreettisesti.

Vuonna 2020 ryhmän tulos oli pahassa ristiriidassa Fermilabin kokeiden kanssa, ja kun teoreetikot päivittivät ennustusta vuonna 2023, ero kasvoi niin isoksi, että Fermilab olisi voinut julistaa tehneensä löydön, jos sen johto olisi uskonut sekä kokeiden että teoreettisen laskun tulosta. Fermilab ei tehnyt niin. Fodorin työ selittää miksi.

Fermilabin vuoden 2021 tiedote vaikeni siitä, että edellisenä vuonna Fodor ja yhteistyökumppanit olivat julkistaneet laskunsa, jonka tulos oli sopusoinnussa Fermilabin kokeiden kanssa. Uudessa tiedotteessa tätä ei ole ohitettu, mutta pääpaino on pantu sille, että iso teoriaryhmä on uusinut laskunsa ja tulos on nyt lähempänä mittauksia.

Olisi kenties ollut aiheellista mainita, että tämä uusi tulos on räikeässä ristiriidassa saman ryhmän vuosien 2020 ja 2023 laskujen kanssa, eli ne olivat pahasti väärin. Fodor täytti puheessaan Fermilabin tiedotteesta puuttuvat palaset.

Teoreetikoiden joukko, jossa Fodor on mukana, oli Fermilabin mainostamaa ryhmää paljon pienempi. Se myös käytti erilaista menetelmää, ja sen tulos on ollut koko ajan oikein: fysiikassa tutkijoiden lukumäärä tai enemmistön mielipide eivät ratkaise.

Iso teoriaryhmä on korvannut laskun vaikeat osat eri kokeista mitatuilla tuloksilla. Fodorin mukaan jo 2020 oli tiedossa, että osa näistä koetuloksista oli keskenään ristiriidassa, mikä teki niiden yhdistämisestä kyseenalaista. Fodor ja kumppanit laskivat sen sijaan tulokset numeerisesti supertietokoneella. Nämä laskut ovat hyvin vaativia. Niissä pitää täsmällisesti yhdistää kaikki hiukkasfysiikan Standardimallin kolme vuorovaikutusta, sähkömagneettinen, heikko ja vahva.

Fodorin ja kumpp. laskun tulos sopii yhteen kokeiden kanssa miljardisosan sadasosan tarkkuudella. Tämä on voitto fysiikalle ja huolelliselle työlle, missä selvitetään yksityiskohdat seikkaperäisesti. Riemua ei ole silti ilmassa: Fodor totesi, että hän olisi ennemmin halunnut varmistaa löydön.

Ennenaikaiset julistukset eivät ole tavattomia. Vuonna 2011 OPERA-koeryhmä vihjasi löytäneensä ylivalonnopeudella kulkevia neutriinoita ja vuonna 2014 BICEP2-koeryhmä väitti löytäneensä muinaisen maailmankaikkeuden gravitaatioaaltoja. Nyt tilanne on erilainen: Fermilabin verrattoman tarkoissa koetuloksissa ei ole mitään vikaa. (Fodor vertasi tarkkuutta siihen, että henkilövaaka erottaisi yhden silmäripsen painon.) Uudet mittaukset sopivat yhteen aiempien kanssa, ja ovat vahvistaneet niiden luotettavuutta.

Tällä kertaa ongelma oli teorian puolella, mutta yhteistä OPERAn ja BICEP2:n kanssa on se, että julkistushetkellä oli tiedossa avoimia kysymyksiä, joiden takia olisi ollut syytä pysähtyä ja harkita asiaa uudelleen.

Siteerasin vuoden 2021 blogimerkinnässä Fermilabin koeryhmän jäsentä, joka (mielestäni liioitellusti) sanoi myonin magneettisen momentin olevan hiukkasfysiikan viimeinen toivo. Nyt ei ole enää mitään ristiriitaa kokeiden ja teorian välillä. Fodor totesi, että myonin magneettisen momentin saralla kumpikaan ei parane hänen elinaikanaan niin paljon, että voisi odottaa mitään mielenkiintoista. CERNin LHC-kiihdytin jatkaa datan jauhamista, mutta myös hiukkaskiihdytinten osalta vaikuttaa siltä, että ei ole paluuta menneisiin aikoihin, jolloin ne tekivät jatkuvasti löytöjä ja johtivat perustavanlaatuisen fysiikan tutkimusta.

Horisonttia kohti

30.5.2025 klo 23.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Olin viime viikolla Brysselissä workshopissa NEHOP25 – lyhenne sanoista NEw Horizons in black Hole Physics (suom. UHMA25- Uudet Horisontit Mustien Aukkojen fysiikassa). Tämä oli kolmas vuosittaisessa sarjassa, Napolin ja Edinburghin kokousten jälkeen. Paikkana oli Université Libre de Bruxelles, jonka kampuksella brutalistiset betonisärmiöt pilkistävät vihreiden puiden ja rehevien pensaiden seasta ja korpit hyökkäävät yliopistolaisten kimppuun.

Nyt on mustien aukkojen kulta-aika. LIGO-havaintolaite teki kymmenen vuotta sitten ensimmäisen suoran havainnon gravitaatioaalloista, ja niitä on tullut satakunta lisää. Suurimman osan lähteenä on ollut kaksi toisiaan kiertävää ja yhteen sulautuvaa mustaa aukkoa, minkä takia kaikesta mustiin aukkoihin liittyvästä on tullut suosittua. Muitakin mustiin aukkoihin liittyviä havaintoja on yhä enemmän, esimerkiksi vuonna 2019 Event Horizon Telescope julkisti ensimmäiset valokuvat läheltä mustien aukkojen tapahtumahorisonttia.

Idea siitä, että on olemassa mustia aukkoja, jotka eivät ole syntyneet tähtien romahduksessa vaan paljon aiemmin on sekin saanut piristysruiskeen, ja tämä tapaaminen keskittyi niihin. Aiheesta on juuri ilmestynyt oppikirjakin. Muinaiset mustat aukot saattavat olla pimeää ainetta tai toimia galaksien keskustoissa olevien jättimäisten mustien aukkojen siemeninä.

Ajatuksen mustista aukoista pimeänä aineena esitti jo Stephen Hawking vuonna 1971. Tutkimuksen jatkuvuutta tapaamisessa edustivat vanhat tekijät Bernard Carr ja Michael Hawkins. Carr työskenteli Hawkingin kanssa mustien aukkojen parissa, ja kertoi puhuneensa niistä ensimmäisen kerran konferenssissa vuonna 1973, ennen kuin suuri enemmistö tämän workshopin osallistujista oli edes syntynyt. Tutkimuksen tekemisen taito kulkee kädestä käteen, ja epämuodollisilla keskusteluilla ja tapaamisilla on siinä suuri merkitys.

Suurimman osan tästä 52 vuodesta muinaiset mustat aukot ovat olleet syrjässä fysiikan valtavirrasta, mutta viime vuosina niitä tutkiva yhteisö on kasvanut paljon. Uusia teoreettisia tuloksia tulee tiuhaa tahtia, ja monet ongelmat ovat osoittautuneet vaikeammiksi ja mielenkiintoisemmiksi kuin mitä aiemmin hahmotettiin.

David Wands puhui mustien aukkojen tuottamisesta kosmisen inflaation avulla (minkä parissa itsekin työskentelen), ja totesi, että häntä kiinnostaa ensisijaisesti siihen liittyvien inflaation yksityiskohtien ymmärtäminen, ja vasta toissijaisesti mustat aukot.

Teoreettiset fyysikot ovat ennen kaikkea ongelmanratkaisijoita. Joskus ongelmat osoittautuvat oleellisiksi todellisen maailman ymmärtämisessä, joskus niiden hahmottamisella on yllättäviä seurauksia asioille joita ei ollut alun perin ajatellutkaan. Yksi esimerkki tästä on Hawkingin merkittävin saavutus fysiikassa, hänen mukaansa nimetty mustien aukkojen säteily, jonka Hawking päätyi löytämään pohtiessaan juuri muinaisia mustia aukkoja.

Mustien aukkojen synnyttäminen, olivat ne muinaisia tai nykyaikoina romahtavia, vaatii sitä että massaa pakkautuu hyvin tiiviisti. Jos tällaisia massakeskittymiä haluaa tuottaa kosmisen inflaation kvanttivärähtelyistä –jotka ovat paras selitys galaksien ja muiden isojen rakenteiden alkuperästä– niin värähtelyjen pitää siis olla isoja.

Marraskuussa 2022 Jason Kristiano ja Jun’ichi Yokoyama väittivät, että tällaiset isot kvanttivärähtelyt pilaavat inflaation ennusteet, koska tavallinen tapa laskea niitä pätee vain pienille värähtelyille. Tästä tuli kuuma aihe, josta kirjoitettiin lyhyessä ajassa kymmeniä tieteellisiä artikkeleita. Laura Iacconi esitti puheessaan uuden tavan osoittaa, että nämä isot kvanttivärähtelyt eivät pilaa inflaatiota. Nämä laskut ovat kirkastaneet sitä, miten kvanttifysiikkaa laajenevassa avaruudessa voidaan käsitellä.

Eemeli Tomberg, entinen jatko-opiskelijani ja yhä yhteistyökumppanini mustien aukkojen tutkimuksessa, puhui siitä miten kosminen inflaatio voi joissakin maailmankaikkeuden alueissa jatkua ikuisesti. Tämä saattaa asettaa inflaation ennusteet kyseenalaisiksi (asiasta tarkemmin täällä). Kvanttimekaniikassa läpimurron tehnyt fyysikko John Bell totesi aikoinaan, että suurin osa fyysikoista ajattelee, että ongelmat kvanttimekaniikan tulkinnassa kyllä selviävät kunhan istuu alas ja miettii niitä 15 minuuttia. Oma asenteeni ikuista inflaatiota kohtaan on ollut hieman samanlainen, mutta on oikeasti epäselvää, mistä ratkaisu löytyy.

Jos pimeä aine koostuu mustista aukoista, niin niiden massa voi olla korkeintaan asteroidin massan luokkaa, muuten ne olisi havaittu. Toisaalta massalle tulee alaraja siitä, että liian pienet mustat aukot olisivat höyrystyneet olemattomiin Hawkingin säteilyn takia. (Ellei säteily sitten lakkaa loppuvaiheessa jostain syystä, missä tapauksessa pimeä aine voi koostua jäljelle jäävistä nokareista.)

Viime vuosina on tullut muotiin idea siitä, että mustat aukot eivät höyrysty loppuun asti. Perusteluna on se, että koska mustissa aukoissa on paljon informaatiota ja energian säilymisen takia niiden massa ja siten koko pienenee säteillessä, niin informaatio pakkautuu yhä tiukempaan ja sen saaminen ulos (eli säteileminen) on yhä vaikeampaa. Emme tiedä, mikä on oikea tapa kuvata mustia aukkoja kvanttimekaanisesti, joten teorian kannalta on vaikea sanoa mitään kovin perusteltua tätä ideaa vastaan tai sen puolesta, mutta tässäkin workshopissa oli useita puheita sen mahdollisista seurauksista havainnoille.

Spekulaatioiden vastapainoksi monissa puheissa lähestyttiin mustia aukkoja tarkasti ja huolellisesti vankalla pohjalla olevan fysiikan suunnalta.

Nicolas Esser puhui siitä, miten asteroidin massaiset mustat aukot voisivat törmätä tähtiin ja syödä ne sisältäpäin. Mitä isompi tähti, sitä suurempi todennäköisyys kaapata musta aukko, joten tämä poistaisi näkemistämme tähtiväestöistä raskaan sarjan edustajia. Hän on yhteistyökumppaneineen tarkastellut tätä erittäin himmeiden kääpiögalaksien tapauksessa (samanlaisten, joiden perusteella hiljattain esitettiin, että pimeä aine vuorovaikuttaa itsensä kanssa). Raskaita tähtiä ei näytä puuttuvan, joten tulokset asettavat uuden rajan asteroidin massaisten mustien aukkojen massalle.

Marsin ja Maan etäisyys tunnetaan 70 senttimetrin (eli miljardisosan tuhannesosan) tarkkuudella. On esitetty, että jos musta aukko pyyhältäisi Aurinkokunnan läpi, se häiritsisi Maan ja Marsin ratoja niin paljon, että sen voisi havaita. Valentin Thoss esitteli kenties huolellisimpia toistaiseksi tehtyjä laskuja, ja totesi että tarkkuutta pitäisi itse asiassa parantaa muutamaan senttimetriin, mikä vaikuttaa hankalalta ellei rakenneta juuri sitä varten suunniteltua laitetta.

Itselleni yksi kohokohtia oli Carrin mukaansatempaava ja sydämellinen puhe havainnoista, jotka voivat tukea muinaisten mustien aukkojen olemassaoloa. Hän on monia muita optimistisempi, ja arvioi niiden olemassaolon todennäköisyydeksi (henkilökohtaiseen tuntemukseen perustuen) 80%.

Kokous osoitti, että mustien aukkojen tutkimuksessa teoria ja havainnot etenevät yhdessä, mikä on terveen fysiikan alan merkki. Voi hyvin olla, että seuraavan kymmenen vuoden kuluessa ehdotus mustista aukoista pimeänä aineena on varmistettu tai suljettu pois, mutta emme osaa sanoa, mitä muuta mielenkiintoista polun varrelta löytyy.

---

Taivutusmuotoja

25.5.2025 klo 23.00, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vuonna 1915 löydetty yleinen suhteellisuusteoria kertoo, miten aine kaareuttaa aika-avaruutta ja miten aika-avaruuden kaarevuus vaikuttaa aineen liikkeeseen. Esimerkkinä tästä Aurinko saa Maan kiertämään ympyrää ja kääntää valonsäteitä.

Se, että massat vetävät toisiaan puoleensa oli tiedetty 1600-luvulta asti, mutta valon taipuminen gravitaation takia oli uusi ilmiö. Siitä tuli yleisen suhteellisuusteorian ensimmäinen kokeellisesti varmennettu ennustus, kun vuonna 1919 havaittiin, että Aurinko muuttaa tähtien paikkaa taivaalla.

Tästä aikanaan vallankumouksellisesta ja vaikeasti mitattavasta gravitaatiolinssi-ilmiöstä on sadan vuoden kuluessa tullut arkinen työkalu. Huhtikuussa julkistetussa artikkelissa sitä on sovellettu kosmologian tämän hetken suurimpaan kysymykseen: kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee?

Kaikki kappaleet taivuttavat valoa, mutta koska ilmiö on heikko, tarvitaan paljon massaa, jotta se olisi mitattavissa. Aurinko muuttaa tähtien paikkoja taivaalla vain korkeintaan asteen kahdestuhannesosan verran. Mutta kun katsoo kosmologisilta etäisyyksiltä tulevaa valoa, niin meidän ja kohteen välissä on valtavasti massaa: galakseja, galaksiryppäitä ja muita rakenteita. Niiden vaikutus galaksien kuviin taivaalla on yksi Euroopan avaruusjärjestö ESAn Euclid-satelliitin kahdesta mittauskohteesta.

Mutta on vielä kaukaisempaa valoa: vanhin valo, jonka voimme nähdä on kosminen mikroaaltotausta. Se lähti matkaan kun maailmankaikkeus oli 380 000 vuotta vanha, 14 miljardia vuotta sitten. Galaksit ja muut rakenteet taivuttavat sen valonsäteitä asteen kolmaskymmenesosan verran.

Ilmiötä voi hahmottaa ajattelemalla kosmista mikroaaltotaustaa pikseleistä koostuvana kuvana. Gravitaatiolinssit siirtävät kaikkia pikseleitä sattumanvaraisesti lyhyen matkan. Tämä muuttaa kuvan muotoja sumentamalla pienet yksityiskohdat, mutta jättää isot piirteet ennalleen.

ESA:n Planck-satelliitti on tehnyt tarkimman mittauksen kosmisesta mikroaaltotaustasta koko taivaan täydeltä. Maanpäälliset teleskoopit ovat kuitenkin pistäneet paremmaksi pienissä osissa taivasta, vaikka eivät voi nähdä koko taivaankantta, koska Maa on tiellä. Chilessä sijaitseva Atacama Cosmology Telescope (ACT) on mitannut 23% ja Etelämantereelle rakennettu South Pole Telescope – 3G (SPT-3G) puolestaan 3.5% taivaasta.

Huhtikuussa julkistettiin uudet tulokset, missä näiden kolmen laitteen mittaukset kosmisen mikroaaltotaustan sumentumisesta valon taipumisen takia on pantu yhteen. Niistä on määritetty entistä tarkemmin se, paljonko ainetta meidän ja kosmisen mikroaaltotaustan lähtökohdan välissä on ja miten se on jakautunut.

Aineen jakaumaa voi mitata suoraankin: Euclidin toinen mittauskohde gravitaatiolinssi-ilmiön lisäksi on galaksien paikkojen määrittäminen, ja muut kokeet ovat tehneet sitä jo vuosikymmeniä, viimeisimpänä DESI–teleskooppi.

Kosmologiassa on kuitenkin ensiarvoisen tärkeää mitata samaa asiaa eri tavoilla, koska silloin on mahdollista tutkia havaintokohteiden lisäksi niiden analysoimisessa tehtyjä oletuksia. Jos havainnot eroavat toisistaan, niin jokin oletus (tai havainto) on väärin. Vertaamalla useita havaintoja voidaan erotella, mitkä oletukset sopivat yhteen ja mitkä eivät kuulu joukkoon.

Tämä on osoittautunut hedelmällisimmäksi tavaksi lähestyä kosmologian tämän hetken suurinta ristiriitaa, eli erilaisia tuloksia sille, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee.

Maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta voi mitata suoraan katsomalla, miten nopeasti läheiset (eli jokusen sadan miljoonan valovuoden päässä olevat) olevat galaksit etääntyvät meistä. Sitä voi toisaalta mitata epäsuoraan esimerkiksi kosmisesta mikroaaltotaustasta: maailmankaikkeuden laajenemisnopeus vaikuttaa siihen, miltä mikroaaltotaustan täplät näyttävät. Suora mittaus antaa isomman arvon laajenemisnopeudelle kuin kosminen mikroaaltotausta. Tulos on tilastollisesti erittäin merkittävä.

Planckin, ACT:in ja SPT-3G:n uusi tulos tukee näitä aiempia kosmiseen mikroaaltotaustaan liittyviä mittauksia laajenemisnopeudesta. Se on niistä riippumaton, koska se perustuu meidän ja valon lähtökohdan välisen massajakauman mittaamiseen gravitaatiolinssi-ilmiön avulla. Yleensä kosmisen mikroaaltotaustan analyysissä sen sijaan keskitytään siihen, mitä sen syntyessä tapahtui. Samaan tapaan katsomalla Aurinkoa voi saada tietoa sekä siitä, mitä Auringon pinnalla tapahtui valon lähtiessä sieltä liikkeelle, että siitä, mitä meidän ja Auringon välissä on, esimerkiksi sen kautta miten ilmakehä vaikuttaa siihen miltä Aurinko näyttää. Uusi tulos on yhteensopiva myös aiempien tulosten kanssa, missä maailmankaikkeuden laajenemisnopeus on määritelty galaksien ison mittakaavan rakenteesta.

Suora mittaustulos läheisten galaksien etääntymisnopeudesta on yhä enemmän yksin, kun yhä useampi menetelmä antaa pienemmän arvon. Tämä voi viitata siihen, että sen tulkinnassa käytetyissä oletuksissa on jokin iso virhe.

Sopivaa muutosta kosmologiseen teoriaan, joka saisi tulokset sopimaan yhteen ei ole löytynyt (vaikka yritystä teoreetikoilta ei ole puuttunut). Vaakakuppi on nyt painunut hieman enemmän sen puolelle, että kyse on virheestä havaintojen tulkinnassa, mutta tiukasta syynistä huolimatta sellaista ei ole löydetty, joten ongelma odottaa vielä ratkaisua.

---

Seulan korjaamista

29.4.2025 klo 22.24, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Mistä tietää, ovatko tieteelliset tulokset luotettavia? Ei ole mitään yhtä varmaa keinoa taata että mennään kohti tarkempaa tietoa, mutta yksi hyväksi osoittautunut tapa on tieteellisten artikkelien vertaisarviointi.

COVID-19-pandemian aikaan siitä kirjoitettiin julkisuudessa kaikenlaisia ei aina paikkansapitäviä kommentteja, joskus tutkimukseen muka pohjaten. Toisinaan näitä tarinoita arvosteltiin siitä, että tieteellisiä artikkeleita, joihin niissä vedottiin, ei oltu vielä julkaistu eikä siis vertaisarvioitu. Joskus taustalla oli ajatus, että vasta vertaisarvioituun artikkelin voi luottaa. On kuitenkin tuiki tavallista, että vertaisarvioidut artikkelit ovat virheellisiä – eikä vain lääketieteessä ja läheisillä aloilla, vaan myös fysiikassa. Tämä ei ole outoa, vaan väistämätöntä.

Vertaisarviointi tarkoittaa sitä, että yksi tai useampi asiantuntija käy läpi artikkelin ja kertoo tieteellisen lehden editorille, pitäisikö se julkaista sellaisenaan, muuttaa vai hylätä. Editorit yleensä noudattavat arvioijien suosituksia, mutta he voivat myös päättää toisin tai pyytää uusia arvioita. Hylätyt artikkelit usein julkaistaan toisessa, kenties vähemmän arvostetussa lehdessä.

Ainakin fysiikassa vertaisarvioijat tarkistavat yleensä lähinnä sen, että artikkelissa on tarpeeksi uutta sisältöä, ei ole ilmeisiä virheitä, ja on viitattu asiallisesti alan tutkimukseen. Kun tutkailee artikkelia vain jokusen tunnin, on vaikea saada selkoa sen kaikista yksityiskohdista. Tulosten oikeellisuus selviää vasta sitten, kun koko tutkimusyhteisö pääsee tutustumaan niihin ja voi yrittää toistaa niitä. Tämän takia ulkopuolisen voi olla vaikea arvioida julkaistujenkin tulosten luotettavuutta, koska hän ei tiedä minne ne sijoittuvat tutkimuksen kentällä, mikä sekin näkyi COVID-19-pandemian aikana.

Vertaisarviointi on silti keskeinen tapa valvoa tutkimuksen laatua, mutta se on nykyään ongelmissa. Kun kirjoitin Helsingin yliopiston Think Open -blogiin tieteellisen julkaisemisen siirtämisestä pois kaupallisilta kustantajilta, jotkut kommentit kiinnittivätkin niihin huomiota (vastaukseni on täällä).

Eräs ongelma on se, että artikkeleita kirjoitetaan yhä enemmän. Yksi syy tähän on se, että tutkijoiden määrä kasvaa. Koska arvioijat ovat samaa porukkaa kuin kirjoittajat, heidänkin määränsä toki kasvaa. Mutta nykyään on myös iso paine hankkia yhä enemmän tieteellisiä meriittejä yhä nopeammin. Tämän takia monet pyrkivät julkaisemaan enemmän ja käyttämään vähemmän aikaa sellaisiin asioihin, jotka ovat meriittien kannalta toissijaisia – kuten muiden artikkelien vertaisarviointiin.

Toinen ongelma on se, että tyypillisesti arvioijien raportit ovat anonyymejä, ja ne näkee vain lehden kustannustoimittaja ja artikkelin kirjoittajat. Niinpä maine ei kärsi, vaikka vähän hutiloisi – eikä kasva siitä, että tekee työnsä huolellisesti. Vertaisarvioinnista ei sitä paitsi saa paljon tieteellisiä meriittejä.

Siitä ei myöskään makseta rahaa – poikkeuksia on, mutta silloinkin korvaus on yleensä nimellinen. Tieteellinen julkaiseminen perustuu ilmaiseen työhön, tai tarkemmin sanottuna siihen, että lehdet eivät maksa kirjoittajille eivätkä arvioijille. Näiden oma yliopisto tai tutkimuslaitos maksaa heille palkkaa siitä, että he käyttävät aikaansa tieteelliseen työhön, mutta he voivat pitkälti itse valita, miten aikansa jakavat.

Niinpä lehtien on nykyään vaikeampi saada vertaisarvioijia artikkeleille, eikä raporttien laatu vaikuta olevan nousemaan päin. Lisäksi tieteen maastossa liikkuu saalistajalehtiä, jotka julkaisevat mitä tahansa roskaa: näin voittaa sekä lehti (joka myy artikkelit yliopistoille ja ehkä pyytää julkaisumaksun kirjoittajalta) että kirjoittaja (joka saa ansiotta tieteellisiä meriittejä). Vain yliopistot, muut tutkijat, tiedeyhteisö ja tutkimukseen nojaava yhteiskunta häviävät.

Hiukkasfyysikko Tommaso Dorigo aiemmin tässä kuussa tiivisti tilanteen toteamalla, että vertaisarvioinnista ei saa palkkioksi edes taputusta selkään. Joitakin vuosia sitten kustantajat saivat päähänsä lähettää ahkerasti artikkeleita vertaisarvioineille tutkijoille sähköpostissa jonkun tittelin (”ensiluokkainen arvostelija”), olisiko heillä ollut myös pinssejä. Kollegani suhtautuivat asiaan epäuskoisella naurulla. Dorigo ehdottaa, että kustantajat sen sijaan ottaisivat käyttöön erään oudon niksin: maksaisivat työstä palkkaa.

Tämä varmasti kasvattaisi halua kirjoittaa arvioita. Samalla se kuitenkin lisäisi lehtien kustannuksia. Dorigo toteaa, että sadan dollarin palkkio olisi vain 5% lisää yhden artikkelin hintaan. Artikkelien hinnat ovat kuitenkin jo nyt niin korkeita, että yliopistoilla ei ole varaa maksaa niitä (olen kirjoittanut aiheesta täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä). Siirtyminen kaupallisista lehdistä tiedeyhteisön julkaisemiin overlay-lehtiin laskisi kustannuksia noin 99% ja saattaisi siten auttaa vertaisarvioinninkin järjestämisessä uudelleen.

Euroopan avoimen tieteen lippulaiva Plan S on viimeisimmässä luonnoksessaan nostanut vertaisarvioinnin uudistamisen keskeiseksi tavoitteeksi. Yksi sen vaatimuksista on vertaisarvioijien raporttien ja editorien päätösten julkistaminen. Toinen on artikkelien julkistaminen jo ennen vertaisarviointia – kuten fysiikassa tehdäänkin arXiv-arkistossa. Kolmas on arvioijien raporttien tekeminen julkiseksi, mikä luultavasti kannustaisi ottamaan työn vakavammin (vaikka ne olisivatkin yhä anonyymejä).

On myös ehdotettu ja otettu käyttöön vaihtoehtoisia tai tukevia tapoja arvioida artikkeleiden oikeellisuutta, kuten avoin arviointi ja korjaaminen nettialustoilla, missä ei ole yhtä editoria, jolla on valta päättää julkaisemisesta. Mikään ei kuitenkaan ole korvannut vertaisarviointia.

Silloinkin kun artikkeli julkaistaan lehdessä ilman merkittäviä muutoksia, vertaisarviointi on vaikuttanut siihen, koska kirjoittajat ovat laatineet artikkelin tietäen, että se käy läpi vertaisarvioinnin. Tutkijat tietysti joka tapauksessa vertaavat omia tuotoksiaan muiden työhön ja haluavat näyttää hyvältä. Mutta koska artikkelit ovat keskeisessä asemassa työpaikkojen ja rahoituksen jakamisessa, on tärkeää, että on mekanismi, joka hillitsee painetta keskittyä julkaisujen määrään laadun kustannuksella ja varjelee tieteen luotettavuutta.

Se vähä minkä taivasta näkee

5.4.2025 klo 13.52, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Euroopan avaruusjärjestö ESAn kosmologiasatelliitti Euclidin ensimmäiset tieteelliset havainnot on julkistettu. Suomen Euclid-ryhmän johtaja Elina Keihänen Helsingin yliopistolta puhui niistä viime keskiviikkona kosmologiaseminaarien sarjassamme.

Euclid on suunniteltu mittaamaan pimeän energian mahdollista muutosta ajassa (mainostekstien mukaan tavoitteena on peräti ”ratkaista pimeän energian mysteeri”). Pimeää energiaa pidetään ehkä fysiikan suurimpana arvoituksena, joten moni tutkimusryhmä on samalla jahdilla. Euclid on ainutlaatuinen siksi, että se mittaa samalla sekä galaksien paikkoja että muotoja. Ja Euclid on avaruudessa, mistä näkee tarkemmin kuin Maan ilmakehän alta. Tällaisista mittauksista tarkemmin täällä, täällä, täällä ja täällä.

ESA hyväksyi Euclidin 4. lokakuuta 2011, ja satelliitti laukaistiin 1. heinäkuuta 2023. Alku oli kivinen: satelliitti ei osoittanut minne piti, Floridasta oli tullut matkaan vettä joka jäätyi havaintolaitteiden pinnalle, ja yksi satelliitin uloke yllättäen heijasti havaintolaitteisiin auringonvaloa.

Ongelmat satelliittien kanssa eivät ole harvinaisia. Kun Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASAn Hubble-teleskooppi nousi kiertoradalle vuonna 1990, huomattiin, että sen pääpeili oli hiottu väärin, ja astronauttien piti käydä asentamassa laite joka paikkaa vian. Koska Euclid ei ole Maan kiertoradalla, vaan puolentoista miljoonan kilometrin päässä, ongelmia ei voi mennä korjaamaan paikan päälle.

Vika satelliitin suunnassa korjattiin muuttamalla ohjelmistoa, jää sulatettiin nostamalla satelliitin lämpötilaa, ja ylimääräinen valo vältettiin muuttamalla sitä, missä asennossa Euclid taivasta katsoo. Kesäkuusta 2024 alkaen satelliitti on toiminut moitteettomasti.

Euclidin ensimmäiset kuvat julkistettiin toukokuussa 2024, mutta ne olivat lähinnä PR-materiaalia. Nyt maaliskuun 19. päivä julkistettiin ensimmäinen ripaus tieteellistä dataa. Data perustuu yhden viikon mittauksiin, jotka kattavat noin tuhannesosan taivaasta, noin 300 kertaa täydenkuun kokoisen alueen. Teknologian kehityksestä kertoo se, että tämä on samaa luokkaa kuin Hubble-avaruusteleskoopin 35 vuoden aikana mittaama osa taivaasta. Euclidin näkemään palaan taivasta voi sukeltaa EsaSky-palvelussa.

Alue on liian pieni kosmologiseen analyysiin, mutta sitä voi käyttää tähtitieteeseen – voi siis tutkia yksittäisiä kappaleita, mutta ei koko maailmankaikkeuden kehitystä. Euclid havaitsi viikossa noin 30 miljoonaa kohdetta, joiden joukossa on galakseja, tähtiä ja asteroideja. Euclid katsoo poispäin Aurinkokunnan tasosta välttääkseen sieltä tulevaa valoa, ja sen tarkat laitteet erottavat sieltä pieniä asteroideja, joita muut eivät havaitse. Tämä data on kosmologeille hyödytöntä, mutta asteroiditutkijoille arvokasta. Julkistettu data antaa myös kosmologiasta kiinnostuneille Euclid-ryhmän ulkopuolisille tutkijoille mahdollisuuden harjoitella satelliitin datan analysoimista.

Kosmologista dataa saa odottaa lokakuuhun 2026, jolloin julkistetaan seitsemäsosa Euclidin odotetusta koko datasta. Toinen ja kolmas datajulkaisu on merkitty kalenteriin kesäkuulle 2028 ja 2031. Euclidin laskettiin kestävän kuusi vuotta. Vaikuttaa kuitenkin siltä, että sitä voidaan käyttää kenties vuosiakin pidempään. Kuuden vuoden jälkeen satelliitti on tarkoitus avata koko tiedeyhteisölle, niin että Euclid-ryhmän ulkopuolisetkin saavat ehdottaa, mitä havaintoja tehdään.

Nyt julkistetut havainnot ovat alle puoli prosenttia lopullisista. Kuuden vuoden aikana Euclid mittaa taivaasta 34% noin 17 miljardin valovuoden syvyyteen. Kosminen horisontti, eli pisin etäisyys mistä meille on ehtinyt tulla valoa, on 50 miljardin valovuoden päässä. Euclid siis luotaa merkittävän osan maailmankaikkeudesta – se näkee 4% koko tilavuudesta ja tuhannesosan kaikista galakseista. Euclid mittaa kolmen miljardin galaksin paikan ja muodon, ja tekee tarkkoja mittauksia kymmenien miljoonien galaksien lähettämästä säteilystä. Dataa kertyy noin 10 miljoonaa gigatavua. Datan tulkitsemiseen tarvitaan myös maanpäällisten teleskooppien havaintoja, jotka ovat kiinteä osan Euclid-ryhmän dataa.

Euclidilla on yhdeksän datakeskusta, jotka jauhavat dataa. Yksi niistä on Suomen kosmologinen datakeskus CDC-FI, jota käyttää myös ESAn seuraava satelliittihanke LISA. Siellä analysoidaan 5% Euclidin datasta.

Ison datamäärän seulomisessa käytetään yhä enemmän koneoppimista. Nyt Euclid-ryhmä julkisti datan myötä 34 tieteellistä artikkelia (ja lisää on tulossa), joista 27 käsitteli tieteellisiä tuloksia. Noista 27 artikkelista noin puolessa on mukana koneoppimista. Yksi esimerkki on se, miten Zooniverse-projektin kautta ihmiset luokittelivat Hubble-teleskoopin ja James Webb Space Telescopen näkemien galaksien muotoja, ja tätä data käytettiin kouluttamaan algoritmi tunnistamaan Euclidin valtavaa galaksimäärää, jota ihmiset eivät mitenkään ehtisi käydä läpi.

Kosmologit odottavat varmaan eniten sitä, miten Euclidin tulokset suhtautuvat DESI-teleskoopin vihjeisiin siitä, että pimeä energia muuttuu ajassa, eli ei ole vain tyhjän tilan energiaa. Jotkut DESI-ryhmän jäsenet ovat kehuskelleet, että heidän laitteensa on parempi mittaamaan galaksien paikkoja ja Euclid tulee jälkijunassa.

Mutta Euclid, toisin kuin DESI, ei luota vain galaksien paikkoihin, se katsoo myös niiden muotoja. Meidän ja galaksien välissä oleva massa taittaa galaksien valoa ja siten muuttaa hieman sitä, minkä muotoiselta galaksit näyttävät. Kun vertaa sitä, miten eri etäisyyksillä olevien galaksien muodot muuttuvat, voi päätellä miten massajakauma kehittyy ajassa. Tämä antaa erilaisen vipuvarren, ja ensi vuonna saamme selkoa siihen, oliko DESI edellä vai väärässä.

---

Jatkoa suosikkisarjalle

25.3.2025 klo 21.37, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Järjestimme toissaviikolla Helsingissä kosmologiakonferenssin. Lokakuussa 2023 Tukholmassa pidettiin ensimmäiseksi pohjoismaiseksi kosmologiatapaamiseksi nimetty tapahtuma, jonka toivottiin aloittavan vuosittaisten tapaamisen sarjan. (On kosmologiatapaamisia oikeasti ollut täällä aiemminkin.) Päätimme järjestää seuraavan Helsingissä, mutta aikaa vierähti vuoden sijaan puolitoista. Osallistujia oli noin 70, eli kosmologian mittapuulla tämä oli pienehkö paikallinen tapahtuma.

Tapaaminen tarjosi läpileikkauksen siihen, mitä kosmologit pohjoismaissa (ja vähän muuallakin) tällä hetkellä puuhaavat: pimeää ainetta, pimeää energiaa, yleisen suhteellisuusteorian laajennuksia, gravitaatioaaltoja ja mustia aukkoja. Tässä joitakin poimintoja kymmenistä puheista.

Ajankohtaisin hanke on Euroopan avaruusjärjestö ESAn Euclid–satelliitti. Valitettavasti sen ensimmäiset tulokset tulivat julki vasta seuraavalla viikolla, joten Suomen Euclid-ryhmän johtajan Elina Keihäsen puhe oli kuin traileri, joka rakentaa odotuksia. Ensimmäiset julkistetut havainnot koskevat joka tapauksessa lähinnä tähtitiedettä, uutisia kosmologiasta (kuten pimeän energian mahdollisesta aikakehityksestä) saadaan odottaa lokakuuhun 2026 asti.

Euclidin jälkeen ESAn seuraava kosmologiasatelliitti on gravitaatioaaltoja mittaava LISA. Sen on määrä nousta taivaalle 2035, mutta teorian ennusteita ja data-analyysin menetelmiä valmistellaan tohinalla jo nyt. Samaa suomalaista kosmologian datakeskusta, jolla on perattu Euclidin tekemiä havaintoja, käytetään LISAn havaintojen simuloimiseen ja simuloidun datan analysoimiseen, mitä Deanna Hooper Helsingistä esitteli.

Nykykosmologiasta kertoo paljon se, että LISAn kaltaisten monimutkaisten kokeiden tulkinta vaatii yli kymmenen vuoden valmistelua. Kiinnostavinta on se, mitä ei osata odottaa, mutta sitä suuremmalla syyllä pitää tarkkaan tietää miltä odotettu signaali näyttää, jotta voi erottaa poikkeamat ja pystyy seulomaan signaalin kohinasta.

LISA on suunniteltu näkemään galaksien keskustoissa yhtyvien mustien aukkojen lähettämät gravitaatioaallot, mutta sen näköalaan sattuvat osumaan myös Higgsin kentän olomuodon muutoksessa syntyneet gravitaatioaallot. Tämä ensimmäisen sekunnin sadasosan miljardisosan aikana tapahtunut mullistus on varhaisen maailmankaikkeuden keskeinen tapahtuma, ja Suomessa ja muualla pohjoismaissa ollaan maailman kärjessä sen laskemisessa, millaisia gravitaatioaaltoja siinä voi syntyä.

Idea on yksinkertainen: kun olomuoto muuttuu, niin syntyy kuplia, kuin veden kiehuessa, ja kuplien törmäykset värisyttävät aika-avaruutta eli saavat aikaan gravitaatioaaltoja. Käytännössä ennusteiden laskeminen on osoittautunut pitkälliseksi tehtäväksi, jossa etenemisestä Jorinde van de Vis CERNistä kertoi.

David Mota Oslosta puhui yleisen suhteellisuusteorian laajennuksista. Yleinen suhteellisuusteoria on toistaiseksi perustavanlaatuisin teoriamme ajasta, avaruudesta ja gravitaatiosta. Siihen on kehitetty satoja laajennuksia (minäkin olen työskennellyt useiden sellaisten parissa). Poikkeamille yleisestä suhteellisuusteoriasta on kuitenkin tarkentuneiden havaintojen myötä yhä vähemmän tilaa nykymaailmankaikkeudessa. (Varhaisessa maailmankaikkeudessa on toisin.)

Jos haluaa galaksien mittakaavassa tai muissa tutkimattomissa kolkissa muuttaa yleistä suhteellisuusteoriaa, niin täytyy tehdä paljon töitä muutosten piilottamiseksi siellä, missä havaintoja on. On huvittavaa verrata tilannetta tieteenhistorioitsija Thomas Kuhnin vuonna 1961 esittämään arvioon, jonka mukaan yleinen suhteellisuusteoria saattaa unohtua pian kokonaan, koska sitä on niin vaikea kokeellisesti testata.

Kosmologeilta usein kysytään, eikö gravitaatioteorian muokkaus voisi tehdä pimeän aineen tarpeettomaksi, mutta pimeä aine on havaintojen puolesta osoittautunut ylivoimaiseksi. Sen ainesosia ei kuitenkaan ole suoraan löydetty, vaikka niitä kovasti etsitään, kuten Matti Heikinheimo Helsingistä kertoi.

Pimeän aineen etsiminen on kasvanut isoksi tutkimusalueeksi, ja kokeita on ainakin parikymmentä ympäri maailmaa. Yksi niistä, DAMA/Libra, on väittänyt löytäneensä pimeän aineen hiukkasen. Heikinheimo ja muut tutkijat Helsingistä ovat mukana kokeessa COSINUS, jonka odotetaan lyövän lisää nauloja DAMAn/Libran arkkuun. COSINUS aloittaa pian datan keräämisen.

Tälläkin alalla teknologinen edistys on ollut valtavaa. Aikoinaan neutriinoiden suoraa havaitsemista pidettiin lähes mahdottomana, pian laitteet ovat niin herkkiä, että etsitty signaali uhkaa hukkua neutriinoiden taustakohinaan.

Yksi muodikas ehdokas pimeäksi aineeksi ovat mustat aukot, joista Hardi Veermäe Tallinnasta puhui. Niiden etsinnässä ei ole kyse vain uusista havainnoista, vaan myös sen ymmärtämisestä, mitä kaikkea mustat aukot oikeastaan tekevätkään. Veermäe kuvasi, miten aukot voivat muodostaa pareja ja kolmikoita, jotka kieppuvat toistensa ympäri niin kiivaasti, että niiden lähettämät gravitaatioaallot olisi voitu jo nähdä – tämä ei sulje pois kaikkia ideoita mustista aukoista, mutta osan kylläkin.

Vaikka kosmologia on kansainvälistä, on myös hyödyllistä ylläpitää paikallista yhteisöä ja rakentaa yhteistyötä. Oli erityisen mukava nähdä paljon osallistujia Baltiasta, ja voi olla, että seuraava pohjoismainen kosmologiatapaaminen pidetään Tartossa tai Vilnassa (käsityksemme pohjoismaista on melko laaja).

---

Vastauksia ja kommentteja tieteellisestä julkaisemisesta

10.3.2025 klo 17.31, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kirjoitin loppuvuodesta 2023 Helsingin yliopiston ThinkOpen-blogiin tieteellisen julkaisemisen ongelmista ja niiden ratkaisemisesta korvaamalla kaupalliset lehdet overlay-lehdillä. Kirjoituksen tiimoilta on ollut blogissa monia puheenvuoroja, ja kommentoin niitä nyt. Kirjoitan blogimerkinnässä seuraavasti:

Joidenkin kommenttien perusteella tuntuu siltä, että tutkijat eivät tiedä, miten vakavasta ongelmasta on kyse. Tieteellisen julkaisemisen ongelmien mittakaava ja kiireellisyys näkyvät ehkä selvemmin rahoittajille, jotka tarkastelevat asiaa rahoituksen kokonaisuuden ja vaihtoehtokustannusten kannalta kuin yksittäisille tutkijoille, joiden yksilöllisiä etuja nykyinen järjestelmä palvelee hyvin.

[…]

Yksi rohkaiseva merkki on se, että Bill ja Melinda Gatesin säätiö on tutkijoita ja yliopistoja edellä: säätiö on vuoden 2025 alusta alkaen vaatinut, että kaikki sen rahoittama tutkimus julkistetaan välittömästi nettiarkistoissa. Overlay-lehdet ovat ilmaisista nettiarkistoista johdonmukainen seuraava askel.

Kääpiöiden tasanko

5.3.2025 klo 18.46, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Lokakuisen blogimerkinnän kommenteissa kysyttiin havainnoista, joiden mukaan yksinkertaisin pimeän aineen malli ei selitä tähtien liikkeitä eräissä Linnunrataa kiertävissä kääpiögalakseissa. Havainnot osoittautuivat niin kiinnostaviksi, että kutsuimme Helsinkiin yhden tutkimuksen tekijöistä, Jorge Sanchez Almeidan Kanariansaarten astrofysiikan instituutista; hän esitteli työtä tänään Helsingin yliopiston kosmologiaseminaarien sarjassa.

Almeida aloitti mainitsemalla, että tiedelehti Nature on valinnut sen, mitä pimeä aine on yhdeksi tieteen isoimmista kysymyksistä. Pimeästä aineesta on valtavasti varmennettuja havaintoja, mutta toistaiseksi ne kaikki perustuvat gravitaatioon, eikä tiedetä mistä pimeä aine koostuu. Suurimmalla osalla pimeän aineen ehdokkaista on kuitenkin myös muita vuorovaikutuksia itsensä ja tavallisen aineen kanssa, yleensä tosin hyvin heikkoja. Näitä vuorovaikutuksia etsitään hiukkasfysiikan keinoin, mutta niistä saattaa näkyä merkkejä myös taivaankappaleiden liikkeissä.

Pimeää ainetta on helpointa tutkia siellä, missä sitä on eniten. Galakseissa tämä tarkoittaa keskustaa: mitä lähempänä on keskustaa, sitä enemmän on pimeää ainetta. Ongelmana esimerkiksi Linnunradan kohdalla on kuitenkin se, että koska näkyvä aine klimppiytyy pimeää ainetta tehokkaammin, sen määrä suhteessa pimeään aineeseen kasvaa sekin keskustaa kohti. Tämän takia on vaikea selvittää sitä, miten pimeä aine on jakautunut Linnunradan keskustassa, ja kuinka paljon siihen vaikuttavat pimeän aineen itsensä ominaisuudet ja kuinka paljon tavallinen aine.

Onneksi Linnunradalla on kiertolaisina paljon kääpiögalakseja, eli siis pieniä galakseja. Monet niistä ovat hyvin himmeitä, koska niissä on ei ole paljon tähtiä. Pienen galaksin gravitaatio on sen verta heikkoa, että galaksi ei pysty pitämään tähtien muodostamiseen tarvittavaa kaasua tiukasti sidottuna, vaan se irtoaa supernovien puhaltamana tai viereisten galaksien vetämänä. Tämä tekee kääpiögalakseista otollisia kohteita pimeän aineen tutkimukselle.

Maailmankaikkeudessa on pimeän aineen massaa keskimäärin noin viisi kertaa niin paljon kuin näkyvän aineen massaa. Eri paikoissa suhde on kuitenkin erilainen. Almeida ja kumpp. ovat suunnanneet katseensa kuuteen erittäin himmeään kääpiögalaksiin, joissa on noin satatuhatta kertaa enemmän pimeää ainetta kuin näkyvää ainetta – keskustoissa, joita he tutkivat, noin tuhat kertaa enemmän.

Näissä kääpiögalakseissa pimeän aineen liikkeet määrää yksin se itse, näkyvällä aineella ei ole merkitystä. Koska pimeää ainetta ei nähdä, päätelmät siitä perustuvat näkyvän aineen liikkeisiin pimeän aineen muodostamassa ympäristössä.

Almeidan ja kumpp. mukaan tähtien liikkeistä voi päätellä, että pimeän aineen tiheys on kääpiögalaksien keskustan läheisyydessä vakio, se ei riipu etäisyydestä keskustasta, eli sen huippu on tylppä. Pimeän aineen jakauma näyttää samalta kaikissa kääpiögalakseissa, mikä vahvistaa tulosta.

Tämä olisi merkittävä löytö. Tiedetään, että jos pimeä aine vuorovaikuttaa vain gravitaation kautta ja liikkuu hitaasti, niin sen tiheys kasvaa keskustaa lähestyttäessä – pimeä aine kasautuu keskelle, eli sen huippu on terävä.

Almeidan tutkimusryhmä esittääkin selitykseksi, että on havaittu pimeän aineen uusi vuorovaikutus itsensä kanssa. Ajatus on yksinkertainen: jos pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat voimakkaammin toistensa kanssa, ne päätyvät lähellä keskustaa tasapainotilaan, sen sijaan että suurempi osa putoaisi hyvin lähelle.

Siitä onko pimeällä aineella galakseissa tylppä vai terävä huippu on väitelty 1990-luvun alusta asti. Silloin simulaatiot kehittyivät niin pitkälle, että ne pystyivät ennustamaan pimeän aineen jakauman olevan keskustassa terävä, mutta havaintojen mukaan se oli tylppä. Paremmat simulaatiot osoittivat, että ristiriita johtui siitä, että aiemmissa simulaatioissa ei ollut mukana tavallista ainetta, joka tasoittaa pimeän aineen jakauman.

Tämän ongelman Almeida ja kumpp. ovat poistaneet keskittymällä galakseihin, missä näkyvää ainetta on hyvin vähän. Mutta se, että näkyvää ainetta on vähän, muodostaa oman ongelmansa, koska havainnot perustuvat näkyvään aineeseen. Niiden tulkinnassa pitää tehdä oletuksia siitä, miten pimeä aine liikkuu, mistä taasen ei ole mitään havaintoja. Almeida ja kumpp. ovat olettaneet, että pimeän aineen nopeusjakauma on samanlainen joka suunnassa keskustan ympärillä.

Tämä voi pitää paikkansa, mutta oletus, ja heidän käyttämänsä menetelmän riippuvuus siitä, olisi hyvä tarkistaa. Astrofyysikko Till Sawala Helsingistä ehdotti heidän menetelmänsä testaamista soveltamalla sitä kirkkaampiin kääpiögalakseihin, joista on parempia havaintoja.

Vaikka menetelmä osoittautuisi luotettavaksi, ei kuitenkaan riitä, että pystyy selittämään yhdet uudet havainnot, pitää myös varmistaa, että selitys on sopusoinnussa vanhojen havaintojen kanssa.

Pimeän aineen vuorovaikutuksia itsensä kanssa on tutkittu vertaamalla pimeän aineen ja tähtien liikkeitä galaksiryppäissä, erityisesti Luotiryppääksi nimetystä kaksikosta on tullut kuuluisa. Mitään pimeän aineen kitkaa ei ole havaittu, mikä antaa tarkkoja rajoja sille, kuinka paljon pimeän aineen hiukkaset voivat vetää toisiaan puoleensa. Jos näitä rajoja soveltaa kääpiögalakseihin, ne sulkevat pois Almeidan ja kumpp. selityksen.

Asia ei kuitenkaan ole näin yksinkertainen, koska pimeän aineen vuorovaikutusten voimakkuus voi riippua siitä, miten nopeasti ne liikkuvat. Ja mitä isompi on aineklimppi (rypäs vs kääpiö), sitä isompi on sen gravitaatio ja siksi sitä isompia ovat sen osasten nopeudet. Jos vuorovaikutuksen voimakkuus riippuu sopivasti nopeudesta, teoria voi ehkä olla sopusoinnussa havaintojen kanssa. Tällaisia vuorovaikutuksia pimeälle aineelle on tutkittu jo ainakin parikymmentä vuotta, ja teoreettisilla fyysikoilla on antaa sopivia malleja suoraan hyllyltä.

Suurin osa poikkeavista havainnoista ei osoittaudu läpimurroiksi vaan virheiksi havainnoissa tai tulkinnassa, mutta suurin osa läpimurroista alkaa pieninä poikkeamina. Tässä tapauksessa saanemme lähitulevaisuudessa tietää, kummasta on kyse.