Kosmokseen kirjoitettua

Todellisuus on outo ja kosmisia kohtaamisia

11.6.2014 klo 17.16, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

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.

---

Denialismi, luonnontieteiden edistyksen oheisvahinko?

6.5.2014 klo 19.30, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kari Enqvist ja minä olemme kirjoittaneet Tieteessä tapahtuu –lehden uusimpaan numeroon artikkelin suhteellisuusteoriadenialismista. Juttu on luettavissa lehden sivuilta. Ingressi on tämä:

Suhteellisuusteoria ja muut nykyfysiikan teoriat ovat hienostuneita matemaattisia rakennelmia. Usein ne pyrkivät kuvaamaan maailmaa perustavimmalla tasolla, ja siksi ne kiehtovat myös alan ulkopuolisia. Niiden abstraktius ja etääntyminen välittömästä kokemuspiiristä aiheuttaa kuitenkin myös syvää epäuskoa.

---

Miehityksen keskellä

4.5.2014 klo 19.11, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vierailin pääsiäisen aikoihin miehitetyillä palestiinalaisalueilla Länsirannalla Birzeitin yliopiston fysiikan laitoksella puhumassa BICEP2-kokeen tuloksista.

On tavallista, että ylivoimaisesti suurin osa yliopistojen luennoitsijoista ja professoreista on miehiä, erityisesti fysiikassa, syystä tai toisesta. Näin Birzeitissäkin: fysiikan laitoksen akateemisen henkilökunnan viidestätoista jäsenestä vain kaksi on naisia, toinen heistä on vierailuani emännöinyt laitoksen johtaja Wafaa Khater. Näin iso epäsuhta ei valitettavasti ole harvinainen: esimerkiksi Iso-Britannian tähtitieteen professoreista vain 3% on naisia (ainakin tämä oli tilanne jokunen vuosi sitten), ja Helsingin yliopistonkin fysiikan professoreiden joukossa on paljon enemmän miehiä kuin naisia.

Poikkeuksellista Birzeitissä sen sijaan on opiskelijoiden naisvaltaisuus. Wafaan mukaan 80% fysiikan opiskelijoista on naisia (tämä epätasapaino näkyy ennen seminaaria napsayttämässäni kuvassakin). Kuulemma fysiikan naisopiskelijat ovat myös tyypillisesti miehiä motivoituneempia.

 

Eräs syy naisopiskelijoiden suureen osuuteen fysiikassa on se, että suuri osa heistä tähtää opettajiksi. Helsingin yliopistonkin fysiikan laitoksella opettajalinjalla on enemmän naisia kuin fysiikan opiskelijoissa keskimäärin. Suomessa fyysikoksi valmistuvilla on erinomaiset työnäkymät ja useita erilaisia mahdollisia työtehtäviä. Miehitetyillä palestiinalaisalueilla ei ole palestiinalaista teollisuutta, joka työllistäisi tutkijoita, joten gradun tekemisen jälkeen vaihtoehtoina ovat lähinnä opettajan ammatti, yliopistotyö tai ulkomaille lähteminen.

Kaikilla Birzeitin yliopiston fysiikan laitoksen professoreilla ja luennoitsijoilla on tohtorin tutkinto ulkomailta, enimmäkseen Yhdysvalloista tai Euroopasta. Tapasin itse asiassa Wafaan ensimmäisen kerran vuonna 2007 CERNissä, ja hän on ollut myös Helsingin yliopistossa tutkimassa teoreettista hiukkasfysiikkaa. Erään toisen henkilökunnan jäsenen tutkimusaihe sattui olemaan toisen väitöskirjaohjaajani Esko Keski-Vakkurin erikoisalalta, mustien aukkojen käsittelemisestä säieteoriassa.

Surullista kyllä, Birzeitissa ei kuitenkaan ole juuri mahdollista tehdä fysiikan tutkimusta, kaikki aika menee opetukseen ja hallinnollisiin tehtäviin. Yliopistotutkijoilla menee yleensäkin paljon aikaa muuhun kuin tutkimukseen, mutta harvoissa paikoissa tilanne on näin hankala. Fyysikot ovatkin Birzeitin yliopiston hallinnossa yliedustettuina, kenties heitä pidetään jotenkin erityisen järjestelmällisinä. Byrokratian lisääntymisen ja korkeampien hallintoportaiden kontrollin illuusion päivittely yhdistääkin fyysikoita maasta ja instituutista riippumatta.

Birzeitin yliopiston taipaleesta kiinnostuneille suosittelen yliopiston pitkäaikaisen virkaatekevän johtajan, toissavuonna kuolleen Gabi Baramkin, kirjaa ”Peaceful Resistance: Building a Palestinian University Under Occupation”.

Kolumni. Maanantaina 5.5. ilmestyvä kuukausittainen Helsingin sanomien tiedekolumnini käsittelee taloustieteen ja poliittisten päätösten suhdetta, otsikoksi tuli jotain sentapaista kuin Talouspolitiikkamme perustuu uskomuksiin. Seuraava kolumni ilmestyy 2.6..

Päivitys (05/05/14): Kolumnini on luettavissa Helsingin Sanomien verkkosivuilla.

---

Portaat muinaiseen maailmaan: askelma 3

14.4.2014 klo 10.57, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

BICEP2-koeryhmä ilmoitti maaliskuun 17. päivä havainneensa B-moodeina tunnetun pyörrekuvion kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatiossa. Se saattaa aiheutua maailmankaikkeuden ensihetkien kosmisessa inflaatiossasyntyneistä gravitaatioaalloista. Matkalla BICEP2:n havainnoista inflaatioon on viisi askelmaa:

1) Onko BICEP2 havainnut B-moodeja?

2) Voivatko havaitut B-moodit selittyä tunnetuilla ilmiöillä?

3) Voivatko havaitut B-moodit selittyä muilla uusilla ilmiöillä kuin gravitaatioaalloilla?

4) Voivatko havaitut gravitaatioaallot olla peräisin muualta kuin inflaatiosta?

5) Mitä havaitut gravitaatioaallot kertovat inflaatiosta?

Kirjoitin edellisessä merkinnässä, että vastaus ensimmäiseen kysymykseen on ”erittäin luultavasti” ja toiseen ”ei vaikuta siltä, mutta varmuuden saamiseksi pitää odottaa Planck-satelliitin havaintoja”. Mainitsin myös, että melkein kaikissa silloin ilmestyneistä 88:sta asiaa käsittelevästä artikkeleista (nyt, viikkoa myöhemmin, niitä on noin 116) oli oletettu, että BICEP2:n havainnot pitävät paikkansa. Nyt on ilmestynyt ainakin yksi piristävä poikkeus, jossa on esitetty, että Linnunradassa saattaisi olla supernovien jäänteisiin liittyvä merkittävä B-moodien lähde, jota ei ole otettu huomioon. Ehdotuksessa on useita epävarmoja kohtia, mutta se on seuraamisen arvoinen, ja palaan asiaan tilanteen tarkentuessa. Aiheesta enemmän Physics Worldissa ja Peter Colesin blogissa (myös kommentit ovat kiinnostavia).

Oletan tässä, että B-moodeja on havaittu ja että niiden alkuperä on Linnunradan ulkopuolella, eli jatkan askelmalle 3.

3) Voivatko havaitut B-moodit selittyä muilla uusilla ilmiöillä kuin gravitaatioaalloilla?

Gravitaatioaallot eivät ole ainoita asioita, jotka synnyttävät B-moodeja. Kuten edellisessä merkinnässä mainittiin, gravitaatiolinssit saavat aikaan samanlaisia pyörrekuvioita kuin gravitaatioaallot. B-moodien alkuperän voi päätellä siitä, minkä kokoisia ne ovat. Gravitaatiolinssien aikaan saamat pyörteet ovat liian pieniä selittääkseen BICEP2:n havainnot, koska linsseinä toimivien galaksien ja galaksiryppäiden koko taivaalla on liian pieni. Tarvitaan siis jotain isompaa. Kahta mahdollisuutta on ehdotettu: galaksien välisiä magneettikenttiä ja kosmisia säikeitä.

Galaksien väliset magneettikentät olisivat luonteva vaihtoehto. Tiedetään, että galakseissa on magneettikenttiä. Linnunradan magneettikentissä liikkuvien hiukkasten lähettämät polarisoidut mikroaallot ovat tärkeä mahdollinen virhelähde BICEP2:lle, joskin luultavasti ne ovat liian heikkoja selittääkseen havainnot.

Mutta magneettikenttiä on myös isompia: suurimmat havaitut magneettikentät ovat noin miljoonan valovuoden laajuisia, mikä on tyypillisen galaksiryppään kokoluokkaa, eli tällaiset kentät saavat aikaan liian pieniä pyörteitä. Ei ole varmuutta siitä, mistä nämä magneettikentät ovat saaneet alkunsa. Uskottavia vaihtoehtoja on kaksi: joko ne ovat syntyneet kosmisten rakenteiden kuten galaksien ja galaksiryppäiden muodostuessa satojen miljoonien vuosien aikana, tai sitten ne ovat peräisin kosmisesta inflaatiosta.

Jos magneettikentät syntyvät galaksien ja muiden rakenteiden mukana, niiden maksimikoko on suunnilleen sama kuin noiden rakenteiden, eivätkä ne aiheuta tarpeeksi isoja pyörteitä. Mutta jos magneettikentät ovat syntyneet inflaatiossa, niin ne ovat alun perin olleet äärimmäisen lyhyitä, hiukkasfysiikan kokoluokkaa, ja venyneet sitten kosmisiin mittasuhteisiin maailmankaikkeuden laajentuessa. Tällöin ei ole mitään estettä sille, etteivätkö ne voisi olla galaksiryppäitä isompia, se on jopa luultavaa.

Miljoonaa valovuotta isompia magneettikenttiä ei ole havaittu, mikä tarkoittaa, että jos niitä on olemassa, niin ne ovat aika heikkoja. Jos oletetaan, että isot magneettikentät ovat suunnilleen niin voimakkaita kuin on mahdollista ilman että niitä olisi havaittu, ja niiden kokojakauma on sellainen mitä inflaatiolta odottaisi, niin voidaan laskea, millaisia B-moodeja ne aiheuttavat.

Tulos näyttää juuri oikealta: BICEP2:n näkemät B-moodit voisi selittää magneettikentillä ilman ainuttakaan gravitaatioaaltoa. Selitys on houkutteleva, koska ainakin pienempiä kosmisia magneettikenttiä on olemassa.

Sekä magneettikentät että gravitaatioaallot selittävät BICEP2:n havainnot hyvin, joten eron tekemiseksi niiden välillä pitää verrata lisäksi joihinkin muihin havaintoihin. Planck-satelliitin äärimmäisen tarkat kosmisen mikroaaltotaustan mittaukset ratkaisevat kiistan. Magneettikentät eivät muuta vain kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatiota, ne myös vaikuttavat sen lämpötilaan. Toisin sanoen sen lisäksi, että magneettikentät muuttavat eri suunnista tulevan valon polarisaatiota, ne myös muuttavat sen kirkkautta, niin että taivaalle syntyy tietynlainen kuvio. Mikroaaltotaivaalle BICEP2:n havainnot selittävistä magneettikentistä syntyvä kuvio on erittäin heikko, lämpötilan muutos on alle sadasmiljoonasosan suuruinen. Planckin mittaukset ovat juuri ja juuri tarpeeksi tarkkoja, että se pystyisi tällaisen kuvion erottamaan, mutta sitä ei näkynyt. Magneettikentät eivät siis voi olla BICEP2:n B-moodeista vastuussa, ainakaan yksinään.

Eksoottisempi tapa saada aikaan B-moodeja ilman gravitaatioaaltoja on kosmiset säikeet. Kosmiset säikeet ovat kappaleita, jotka ovat lähes kaksiulotteisia: ne ovat tyypillisesti paljon protonin läpimittaa ohuempia, mutta niiden pituus voi olla miljardeja valovuosia. Ei tiedetä, onko kosmisia säikeitä olemassa. Mutta jos niitä on, niin niiden valtava tiheys vaikuttaa sekä kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatioon että lämpötilaan.

1980-luvulla kosmiset säikeet olivat kosmisen inflaation kilpailija. Inflaatioidean mukaan galaksien siemeninä toimivat pienet tiheysvaihtelut ovat syntyneet kvanttivärähtelyistä maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin alkuhetkinä. Säieidean mukaan epätasaisuudet syntyvät kosmisten säikeiden sivaltaessa maailmankaikkeuden aineen halki: galaksit syntyvät kosmisten säikeiden vanavedessä. Mikroaaltotaustan havainnot 1990-luvulla ja viimeistään 2000-luvun alussa osoittivat kuitenkin, että kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet näyttävät siltä, mitä inflaatio ennustaa, ei siltä, mitä kosmiset säikeet ennustaisivat.

Nykyään tiedetään, että kosmisen mikroaaltotaustan lämpötilan epätasaisuuksista vähintään 97% tulee inflaatiosta ja korkeintaan 3% voi olla peräisin säikeistä. Monet hiukkasfysiikan mallien mukaan kosmisia säikeitä kuitenkin syntyy varhaisessa maailmankaikkeudessa, joten mielenkiinto niihin on säilynyt.

Säikeet synnyttävät kuitenkin polarisaatiota tehokkaasti: vaikka niiden vaikutus lämpötilan vaihteluihin olisi pieni, ne voisivat saada aikaan havaittavia määriä B-moodeja. Toisin kuin gravitaatiolinssit, kosmiset säikeet voivat valtavan pituutensa ansiosta saada aikaan tarpeeksi isoja pyörteitä.

Ajatus on hyvä, mutta ei riitä se, että saa aikaan pyörteitä polarisaatiossa, vaan niiden pitää olla juuri oikean kokoisia ja vahvuisia, mutta ilman, että vaikutus lämpötilaan on isompi kuin 3%. Pelkästään BICEP2:n polarisaatiodatan kohdalla kosmiset säikeet menestyvät joten kuten. Mutta tarpeeksi vahvojen pyörteiden aikaan saaminen vaatii hyvin raskaita kosmisia säikeitä: sata metriä sopivaa säiettä painaisi saman verran kuin Kuu. Vaikka näitä säikeitä olisi hyvin harvassa, vain muutama koko näkemässämme maailmankaikkeudessa, niin ne vaikuttaisivat kosmisen mikroaaltotaustan lämpötilaan enemmän kuin tuo sallitut 3%.

1990-luvun loppupuolella ja 2000-luvun alussa tuli muotiin puhua ”täsmäkosmologiasta” ja mainostaa, että kosmologiasta on tullut tarkkoja mittauksia ja kehittynyttä teoriaa yhdistävä tieteenala. Tuolloin ilo oli kenties ennenaikaista, mutta nykyään tähän on päästy. B-moodien tarkastelussa on keskeistä polarisaatiolle omistautuneen BICEP2:n ja äärimmäisen tarkkoja yleismittauksia tehneen Planckin tulosten yhdistäminen. Usein apuna käytetään vielä muita havaintoja, joista en ole tässä maininnut, kuten taivaalla näkyvää galaksien jakaumaa, josta voi päätellä, miten maailmankaikkeus on laajentunut.

Tiettävästi kukaan ei ole keksinyt muita Linnunradan ulkopuolisia sopivia B-moodien lähteitä kuin gravitaatioaallot, magneettikentät ja kosmiset säikeet. Koska kumpikaan kahdesta jälkimmäisestä ei sovi havaintoihin, voidaan päätellä, että joko kosmologit ovat mielikuvituksettomia tai BICEP2 on nähnyt gravitaatioaaltoja.

On myös mahdollista, että kuvio syntyy osittain gravitaatioaalloista ja osittain kosmisista säikeistä ja magneettikentistä. Tämä voisi olla jopa suotavaa, koska vaikka havaitut pyörteet ovat juuri sopivan kokoisia gravitaatioaaltojen tuottamaksi, ne ovat hiukan odotettua vahvempia – tästä lisää seuraavilla askelmilla! (Voi tosin olla, että väliin tulee keventäviä ohjelmanumeroita, eli että seuraava merkintä ei koske BICEP2:ta.)

---

Portaat muinaiseen maailmaan: askelmat 1 ja 2

7.4.2014 klo 17.27, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kolme viikkoa sitten BICEP2-koeryhmä ilmoitti havainneensa kosmisen inflaation synnyttämiä gravitaatioaaltoja. Jos tämä pitää paikkansa, niin kyseessä on vuosituhannen toistaiseksi tärkein hiukkasfysiikan/kosmologian löytö, viesti maailmankaikkeuden alkuhetkiltä ja ensimmäinen kiistaton kokeellinen todiste kvanttigravitaatiosta. Tämä olisi merkkipaalu maailmankaikkeuden perustavanlaatuisessa ymmärtämisessä. Tutkijat ovatkin rynnänneet tutkimaan BICEP2:n mittausten seurauksia. Kolmen viikon aikana on ilmestynyt ainakin 88 julkaisua, joissa käytetään BICEP2:n mittauksia.

Tuloksen suuren merkityksen takia täytyy tarkastella erityisen huolella sitä, pitääkö se paikkansa. BICEP2 ei näe gravitaatioaaltoja suoraan, se voi vain havaita niiden vaikutuksen varhaisesta maailmankaikkeudesta peräisin olevaan kosmiseen mikroaaltotaustaan, tarkemmin sanottuna sen polarisaatioon. Aloitetaan siis siitä, mistä polarisaatiossa on kyse.

Mikroaallot ovat aaltoja, jotka koostuvat sähkö- ja magneettikentistä. Koska ”sähkömagneettinen aalto” on pitkähkö ilmaisu, käytän jatkossa sanaa ”valo”, joka tarkoittaa samaa asiaa. Arkikielessä valo viittaa vain sellaiseen sähkömagneettiseen säteilyyn, jonka aallonpituus on sopiva, että silmämme havaitsevat sen, mutta fysiikassa sanaa valo käytetään aallonpituudesta riippumatta. Mikroaallot ovat siis näkymätöntä valoa.

Valo aaltoilee kohtisuoraan kulkusuuntaansa nähden. Vedenpinnan aallot käyttäytyvät samalla tapaa: aallot matkaavat vedenpinnan suunnassa, mutta aaltoilu tapahtuu ylös ja alas. Valo sen sijaan ei värähtele vain yhteen suuntaan, vaan mihin tahansa suuntiin tasossa, joka on kohtisuorassa niiden kulkusuuntaa vastaan. Tätä värähtelyä sanotaan polarisaatioksi. Eri valoaallot voivat värähdellä eri tavalla: jotkut värähtelevät vain ylös ja alas tiettyyn suuntaan, toiset värähtelevät monimutkaisemmin. Jos valo värähtelee yhtä paljon kaikkiin suuntiin, sanotaan, että se on polarisoitumatonta, muussa tapauksessa sitä kutsutaan polarisoituneeksi.

BICEP2 ilmoitti havainneensa taivaalta tulevien mikroaaltojen polarisaatio vaihtelevan eri suunnissa tietyllä tavalla. BICEP2:n löytämä polarisaatiokuvio on sellainen, joka syntyy inflaation synnyttämien gravitaatioaaltojen vaikutuksesta. Kyseinen polarisaatiokuvio on pyörteinen, ja se tunnetaan nimellä B-moodi. Kosmisessa mikroaaltotaustassa on toisenkinlainen polarisaatiokuvio, nimeltään E-moodi, joka ei kuitenkaan ole gravitaatioaaltojen kannalta kovin kiinnostava. E-moodeja havaittiin jo vuonna 2002.

Päättelyssä, joka johtaa BICEP2:n havainnoista kosmiseen inflaatioon voi erottaa viisi askelmaa:

1) Onko BICEP2 havainnut B-moodeja?

2) Voivatko havaitut B-moodit selittyä tunnetuilla ilmiöillä?

3) Voivatko havaitut B-moodit selittyä muilla uusilla ilmiöillä kuin gravitaatioaalloilla?

4) Voivatko havaitut gravitaatioaallot olla peräisin muualta kuin inflaatiosta?

5) Mitä havaitut gravitaatioaallot kertovat inflaatiosta?

Käsittelen tässä kahta ensimmäistä kysymystä ja kirjoitan kolmesta viimeisestä seuraavassa merkinnässä tai parissa. Joka kohdassa oletetaan, että edelliseen kysymykseen on vastattu tyydyttävästi, muuten ei voi jatkaa päättelyä kohti muinaisen maailmankaikkeuden tapahtumia.

1) Onko BICEP2 havainnut B-moodeja?

Toisin kuin mitä juuri sanoin, suurin osa teoreettisista fyysikoista on hypännyt ensimmäisten askelmien yli: 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.

On kuitenkin erittäin luultavaa, että BICEP2 on todella havainnut B-moodeja. BICEP2 on suunniteltu nimenomaan B-moodeja silmälläpitäen ja väitetty signaali on selvästi laitteen mittaustarkkuuden rajoissa. Itse asiassa BICEP2 ei edes ole ensimmäinen koe, joka kertoo B-moodeja nähneensä. Samantyyppinen laite South Pole Telescope (SPT) Etelämantereella ilmoitti viime heinäkuussa havainneensa niitä. POLARBEAR, joka nimestään huolimatta sijaitsee Chilessä, seurasi perästä joulukuussa. Näiden kahden kokeen näkemät B-moodit eivät kuitenkaan ole peräisin gravitaatioaalloista, mikä johtaa seuraavaan kysymykseen.

2) Voivatko havaitut B-moodit selittyä tunnetuilla ilmiöillä?

B-moodeja synnyttävät muutkin asiat kuin gravitaatioaallot. SPT:n ja POLARBEARin havaitsemat B-moodit ovat syntyneet sen seurauksena, että kosminen mikroaaltotausta on kulkenut gravitaatiolinssien läpi. Kun eri kohdissa taivasta mikroaallot kulkevat hieman erilaisten linssien ohitse, niin syntyy pyörrekuvio. (Olisi houkuttelevaa selittää tämä suoraan siihen vedoten, että gravitaatiolinssit synnyttävät rengasmaisia kuvioita, mutta yhteys linssien ja B-moodien välillä on oikeasti monimutkaisempi.)

Gravitaatiolinssien ja gravitaatioaaltojen synnyttämät B-moodit voi erottaa siitä, että niihin liittyvät mikroaaltotaivaalla näkyvät pyörteet ovat erikokoisia. Gravitaatiolinsseinä toimivien galaksien ja galaksiryppäiden koko on pieni verrattuna koko taivaaseen, joten niistä syntyvät pyörteet ovat pieniä. Niiden tyypillinen maksimikoko taivaalla on alle yhden asteen, ja suurin osa niistä on paljon pienempiä. Inflaatiossa syntyvien gravitaatioaaltojen aallonpituus sen sijaan on iso: inflaation aikana ne venyvät valtaviin mittoihin. Niinpä ne saavat aikaan isompia pyörteitä. Inflaation synnyttämien gravitaatioaaltojen aiheuttamia pyörteitä on kahta tyypillistä kokoa, jotka ovat noin kaksi astetta ja noin 20 astetta. (En mene nyt siihen, miksi näin on!)

BICEP2 katsoo tarpeeksi isoa osaa taivaasta, että nuo kahden asteen pyörteet mahtuvat siihen, mutta tarpeeksi pientä, että voidaan valita puhdas osa taivasta, jossa Linnunradasta tulevaa polarisoitunutta mikroaaltosäteilyä on mahdollisimman vähän.

SPT ja Polarbear olivat myös polarisaatiokokeita, mutta niiden näkemä pala taivasta oli liian pieni gravitaatioaalloista aiheutuvien B-moodien hahmottamiseen. Planck katsoo koko taivaankantta, mutta sitä ei ole optimoitu polarisaatiota ajatellen: Planck on yleiskoe, se ei keskity vain yhteen asiaan. Planck on kuitenkin tärkeässä asemassa BICEP2:n tulosten tarkistamisessa.

Eräs mahdollisuus on nimittäin se, että BICEP2:n näkemät polarisoituneet mikroaallot eivät olekaan matkanneet Maapallolle kaukaa varhaisesta maailmankaikkeudesta, vaan ne ovat peräisin kodistamme Linnunradasta. Linnunradan magneettikentissä liikkuvista hiukkasista syntyy pyörteisiä polarisaatiokuvioita, eli B-moodeja. Vaikka BICEP2-ryhmä valitsi sellaisen taivaankannen osan, josta Linnunradasta tulee säteilyä mahdollisimman vähän, ja sen osuuden odotetaan olevan havaittua signaalia pienemmän, asian selvittämiseksi varmasti tarvitaan Planckin uusia havaintoja.

Yksi tähän liittyvä BICEP2:n heikkous on se, että se mittasi mikroaaltoja vain yhdellä aallonpituudella. Jos polarisaatiokuvio aiheutuu gravitaatioaalloista, niin se on hieman erilainen, kun katsotaan taivasta eri aallonpituuksilla, ja tiedetään miten kuvion pitäisi muuttua. Näin ollen mittaus eri aallonpituudella tarjoaisi tärkeän varmistuksen siitä, että kyseessä ei ole Linnunradasta tuleva säteily, jolla on erilainen riippuvuus aallonpituudesta. BICEP2-koeryhmä tekeekin paraikaa mittauksia Keck-nimisellä BICEP2:n seuraajalla, jossa on kaksi taajuutta.

Toinen mahdollinen ongelma on se, että kosmisten mikroaaltojen polarisaatio on hyvin heikkoa. Polarisaation vaihtelut eri suunnissa taivaalla ovat noin sata kertaa pienempiä kuin mikroaaltotaustan kirkkauden vaihtelut. Kirkkauden vaihtelut vaikuttavat polarisaation erottelemiseen datasta, joten niistä pitää olla varma yli prosentin tarkkuudella, jos haluaa olla polarisaatiosignaalista varma. BICEP on tarkastellut asiaa huolella, mutta riippumaton analyysi olisi silti tarpeen.

Katseet kohdistuvat Planck-ryhmään. Tarkasteltuaan asiaa ryhmä on ilmoittanut viralliseksi kannakseen sen, että jos BICEP2:n signaali on todellinen, niin Planckin mittaukset ovat tarpeeksi tarkkoja sen näkemiseksi. Ryhmä kuitenkin sanoo myös, että ei ole selvää, onnistuvatko he puhdistamaan Linnunradasta tulevan signaalin havainnoistaan ja ottamaan systemaattiset virheet huomioon tarpeeksi hyvin. Planckin polarisaatiodatan julkistusajankohdaksi on ilmoitettu lokakuu.

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.

Jatkan seuraavassa merkinnässä siitä, voisivat B-moodit kertoa jostain muusta uudesta fysiikasta kuin gravitaatioaalloista, voisivatko gravitaatioaallot olla peräisin jostain muualta kuin muinaisten aikojen kosmisesta inflaatiosta, ja mitä ne kertovat maailmankaikkeuden alkuhetkistä.

---

Tulevia

28.3.2014 klo 17.43, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Aloitan Helsingin Sanomien tiedekolumnistina. Minulta ilmestyy yksi kolumni kuukaudessa, maanantaisin. Ensimmäinen juttu julkaistaan ensi maanantain (31.3.) lehdessä, lähestyn siinä BICEPin tuloksia vähän eri kantilta kuin blogissa. Kolumnien aiheena on periaatteessa mikä tahansa tieteeseen liittyvä asia. Arvelisin, että tulen käsittelemään vähemmän fysiikan yksityiskohtia (kuten mitä on punasiirtymä, inflaatio tai supersymmetria) ja enemmän löytöjä, tiedepolitiikkaa ja tieteen merkitystä kuin blogissa. Blogikirjoitukset jatkuvat vanhaan tapaan.

Osallistun perjantaina 11.4. kello 12 paneelikeskusteluun akateemisesta aktivismista AGORAn avajaisissa. AGORA on yhteiskunnalliseen oikeudenmukaisuuteen ja yhdenvertaisuuteen opinnoissa keskittyvä tutkimuskeskus Helsingin yliopistolla.

---

Toiminnasta

26.3.2014 klo 23.51, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minulle myönnettiin tänään Helsingin yliopiston vuosipäiväjuhlassa J.V. Snellman –tiedonjulkistamispalkinto ”ansiokkaasta toiminnasta tieteellisen tiedon välittäjänä”. Pidin tilaisuudessa puheen, joka meni jokseenkin seuraavasti.

Akateemiset tutkijat ovat etuoikeutetussa asemassa. Meille maksetaan palkkaa siitä, että tutkimme mitä huvittaa (jos hallinto- ja opetusvelvollisuuksiin kuluva aika jätetään nyt tässä siloitellussa kuvassa huomiotta).

Ainakin luonnontieteiden kohdalla tämä anarkistinen vapaus on ollut tuottava sijoitus. Luonnontieteiden teknologiset sovellukset ovat viimeisen kahdensadan vuoden aikana perustavanlaatuisesti muuttaneet yhteiskunnan tavalla, jota on vaikea liioitella. 

Sovellusten avulla olisi helppoa perustella, miksi suuren yleisön kannattaa kustantaa luonnontieteellistä tutkimusta – sillä julkisista varoistahan tutkimus enimmäkseen rahoitetaan. Tällainen perustelu olisi kuitenkin petollinen. Sitä korostamalla hyväksyisi ajatuksen, että tutkimuksen merkitys on mitattavissa sovellusten arvolla, että tieto ja ymmärrys ovat itsessään arvottomia, tai korkeintaan toissijaisia.

Sillä luonnontiede ei ole vain mullistanut yhteiskuntaa, se on myös maalannut uudenlaisen kuvan maailmasta ja meistä. Luonnontiede on kertonut, koska aika on saanut alkunsa, miten kehomme ainesosat ovat kehittyneet maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien, tähtien sisustan miljoonien vuosien ja supernovaräjähdysten hetken huuman aikana, miten Maa on kasaantunut pölystä, miten rakennumme molekyyleillä kirjoitettujen ohjeiden mukaisesti, miten kaikki elämä on meille sukua, miksi taivas on sininen ja miten Aurinko hohtaa valkoisena.

Luonnontieteen totuuksia voivat löytää vain henkilöt, joilla on vapaus käyttää paljon aikaa asioiden yksityiskohtiin perehtymiseen. Mutta kun totuus on selvillä, se kuuluu koko ihmiskunnalle. Niinpä koen, että tutkijoilla on velvollisuus kertoa suurelle yleisölle, mitä olemme heidän rahoittamillaan matkoillamme löytäneet, millaisia salaisuuksia olemme paljastaneet. Tämä koskee erityisesti sellaisia aloja, joilla ei ole luvata sovelluksia olemassaolonsa oikeutukseksi, joiden ainoa odotettu anti on maailman ymmärtäminen. Kosmologia on malliesimerkki tällaisesta tutkimusalasta.

Suuri yleisö ei ole kiinnostunut pelkästään teknologisista sovelluksista, vaan myös maailmankaikkeuden ymmärtämisestä. Esimerkiksi Higgsin hiukkasen metsästys oli maailmanlaajuinen mediaspektaakkeli. Lukemattomat miljoonat ihmiset seurasivat hiukkasen löydetyksi julistamista, ja uutinen oli lehtien etusivuilla. Ja kyseessä on asia, jolla ei ole edes väitetty olevan minkäänlaisia teknologisia sovelluksia tai mitään merkitystä arkielämän kannalta.

Löytäessään perustavanlaatuisia totuuksia maailmasta ja suhteestamme siihen hiukkasfysiikka ja kosmologia rikastuttavat kulttuuriamme tavoilla, jotka ovat hyödykearvon tuolla puolen. Toivonkin, että tämän palkinnon voi osittain katsoa tunnustukseksi luonnontieteille osana inhimillistä kokemusta.

Palkinnon perusteluissa mainitaan blogit, ja toivon, että palkinnon voi myös katsoa tunnustukseksi uusille tieteestä kertomisen kanaville. Luonnontiede etenee nopeasti, ja valitettavasti tiedeuutisointi kulkee vieläkin nopeammin. Niinpä on tärkeää, että tutkijat ovat mukana keskustelussa asioiden tapahtuessa, omin sanoin ja omilla ehdoillaan. Blogit ovat tähän oivallinen väline. Lisäksi blogien kommentit antavat mahdollisuuden tutkijoiden ja yleisön vuorovaikutukseen: yleisön on mahdollista esittää selventäviä kysymyksiä ja tutkija saa paremman käsityksen siitä, mikä yleisöä kiinnostaa.

Luonnontiede on tehnyt ihmiskunnalle mahdolliseksi, James Joycen sanoin, herätä siitä painajaisesta mikä historia on ja nousta maailmaan, jossa ei ole nälänhätää, ei kulkutauteja, ei sortoa eikä sotia. Tällainen maailma on nyt mahdollinen. Sen toteutuminen ei enää riipu luonnontieteestä, vaan kansalaisten aktiivisuudesta ja rohkeudesta korjata tuskaisesta menneisyydestä periytyviä vääristymiä ihmisten välisissä suhteissa, haastaa epäoikeutettu vallankäyttö ja puuttua teknologian mukanaan tuomiin ongelmiin, erityisesti katastrofaaliseen ilmastonmuutokseen ja joukkotuhoaseisiin.

Tieteilijä on etuoikeutettu saadessaan puuhastella rakastamiensa asioiden parissa, ja suurin osa Suomen kansalaisista on etuoikeutettuja voidessaan elää ylellisyydessä ja turvassa verrattuna valtaosaan maailman ihmisistä. Jos tieteilijällä on velvollisuus kertoa tutkimuksen tuloksista, niin ihmisellä on velvollisuus toimia kanssaihmisten hyväksi, vähintään käyttämällä sanojaan silloin ne tulevat kuulluksi.

---

Ensimmäisen sekunnin perukoilta

17.3.2014 klo 23.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

BICEP-koeryhmä on tänään ilmoittanut havainneensa gravitaatioaaltoja, jotka ovat peräisin inflaationa tunnetulta aikakaudelta maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin murto-osalta. Ilmoitus on saanut valtavasti huomiota: emme Fysiikan tutkimuslaitoksessa pystyneet seuraamaan lehdistötilaisuuden streamia, koska sitä lähettävä www-palvelin oli aivan tukossa. Onneksi lehdistötiedote, ja mikä tärkeämpää, yksityiskohtia kuvaavat tieteelliset artikkelit, julkistettiin samalla.

Tuloksista on kirjoitettu paljon (jopa ennen niiden julkistamista), mainitsen tässä Tähdet ja avaruus -lehden jutun lisäksi vain yhteistyökumppaneideni Shaun Hotchkissin ja Sesh Nadathurin blogimerkinnät sekä Nature-lehden kattavan uutisoinnin. Shaunin merkintä sisältää paljon linkkejä aihetta käsitteleviin tutkijoiden kirjoituksiin. 

Lyhyesti sanottuna, jos havainto gravitaatioaalloista pitää paikkansa, se on Nobelin arvoinen. Jos myös sen teoreettinen tulkinta inflaation avulla pitää paikkansa, niin tulos on merkittävämpi kuin Higgsin hiukkasen löytäminen. Sitten yksityiskohtiin: mistä oikeastaan on kysymys, miksi tulos on kiinnostava ja kuinka vakavasti pitää ottaa nuo pienet sanat ”jos”?

BICEP on etelänavalla sijaitseva koe, joka mittasi kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatiota 590 päivää. Polarisaatio tarkoittaa sitä, miten mikroaallot värähtelevät eri suuntiin – asiasta tarkemmin Sean Carrollin blogissa. BICEP havaitsi mikroaaltotaustassa polarisaatiokuvion, jollainen syntyy varhaisen maailmankaikkeuden gravitaatioaaltojen vaikutuksesta. Koeryhmä on huolella tarkastellut systemaattisia tekijöitä, jotka voisivat aiheuttaa signaalin gravitaatioaaltojen sijaan, eikä mitään ongelmia ole löytynyt. Koejärjestely ja data-analyysi tuntuu olevan tehty huolella. Havainto on tilastollisesti erittäin merkittävä: kyseessä ei ole sattuma.

Gravitaatioaallot ovat pieniä häiriöitä aika-avaruudessa. Lyhyesti sanottuna kyse on siitä, että gravitaatiovoima etenee valon nopeudella, ja sitä välittävät gravitaatioaallot. Esimerkiksi minun massani aiheuttaa gravitaatiokentän, joka vetää kappaleita puoleensa. Kun liikun, tieto siitä että olen eri paikassa kulkee avaruudessa eteenpäin valon nopeudella. Sekunnin kuluttua tämä aalto saavuttaa Kuun, kahdeksan minuutin kuluttua gravitaatiokenttäni muuttuu Auringon kohdalla, ja niin edelleen. Ilmiö on sama kuin jos heiluttaisi kättään vedessä: tieto vesimassojen liikkeistä etenee vedessä äänen nopeudella kulkevana aaltona.

Gravitaatioaallot ovat hyvin heikkoja. Niiden vaikutus kaksoistähtien liikkeisiin on kuitenkin pystytty mittaamaan. Ensimmäisen kerran tämä tehtiin 1970-luvulla, ja löydöstä myönnettiin vuonna 1993 Nobelin palkinto. Maapallolla gravitaatioaaltoja ei ole vielä suoraan koskaan havaittu, mutta lähivuosina tilanteen odotetaan muuttuvan.

Siinä, että liikkuvat massat synnyttävät gravitaatioaaltoja, ei siis ole mitään eksoottista: se on yleisen suhteellisuusteorian suoraviivainen ennuste, joka on kokeellisesti varmennettu. BICEPin tapauksessa nähdään gravitaatioaaltojen vaikutus kohteeseen, ei aaltoja itsessään, aivan kuten kaksoistähtien kohdalla. Mutta BICEPin tulokset ovat paljon kiinnostavampia, koska sen mahdollisesti näkemät gravitaatioaallot eivät ole syntyneet aineen liikkeen seurauksena, vaan itsestään, aika-avaruuden kvanttivärähtelyistä.

Maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin murto-osina arvellaan olleen inflaationa tunnettu aikakausi. (Jos BICEPin tulokset pitävät paikkansa, niin inflaatio tapahtui ensimmäisen sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tuhannesosan aikana.) Tällöin avaruuden laajeneminen kiihtyi, maailmankaikkeus paisui valtaviin mittoihin ja siitä tuli melkein tasainen. Inflaatio ennustaa myös, että kvanttivärähtelyjen seurauksena sekä aineessa että aika-avaruudessa syntyi pieniä, sadastuhannesosan kokoisia epätasaisuuksia.

Aineen epätasaisuudet ovat rakenteen siemeniä: myöhempinä aikoina, miljoonien vuosien kuluessa, ylitiheät alueet vetävät massaa puoleensa ja niistä syntyy galakseja ja muita rakenteita. Ne myös näkyvät kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksina. Aika-avaruuden epätasaisuudet taasen ovat gravitaatioaaltoja, joiden vaikutus rakenteiden muodostumiseen on hyvin pieni, mutta niillä on pieni vaikutus mikroaaltotaustaan.

Sekä aineen että aika-avaruuden epätasaisuudet ovat inflaatiossa itsesyntyisiä, niiden alkuperä on kvanttimekaniikan epämääräisyydessä. Maapallolla tehdyistä kokeista tiedetään, että aine käyttäytyy kvanttimekaniikan lakien mukaisesti, ja inflaation ennusteet aineen epätasaisuuksille varhaisessa maailmankaikkeudessa on varmennettu suurella tarkkuudella, edelliset merkittävät havainnot tehtiin Planck-satelliitilla, jossa Helsingin yliopistokin on mukana.

Mutta aika-avaruuden kvanttimekaanisesta käyttäytymisestä ei tähän mennessä ole ollut havaintoja. (Tämä lausunto yksinkertaistaa hieman, mutta ei mennä liikaa sivupoluille!) Ei ole selvää, pitäisikö aika-avaruuden olla samalla tapaa kvanttimekaaninen kuin aineen, ja täydellinen aika-avaruuden kvanttimekaaninen käsittely, kvanttigravitaatioteoria, on tuntematon. Inflaatiossa on kuitenkin tapa käsitellä pieniä gravitaatioaaltoja, ja se ennustaa millaisia niiden pitäisi olla. Ennustetta ei kuitenkaan ole varmennettu – ennen kuin nyt, jos BICEP on oikeassa.

BICEPin lehdistötiedotteen otsikon mukaan heidän havaintonsa on ”ensimmäinen suora todiste kosmisesta inflaatiosta”. Tämä on hiukan liioiteltua: aiemmat havainnot ovat jo antaneet paljon tukea inflaatiolle. Jos BICEPin havainto pitää paikkansa, niin se vahvistaa inflaatiota entisestään, mutta ei ole syytä kutsua inflaatiosta tulevien gravitaatioaaltoja suoremmaksi todisteeksi kuin aineen epätasaisuuksia.

Koska sekä aineen epätasaisuudet että gravitaatioaallot ovat syntyneet inflaation aikana, niissä on samankaltaisuuksia, ja yksinkertaisimmissa inflaatiota kuvaavissa malleissa aineen epätasaisuuksien ja gravitaatioaaltojen välillä on yksinkertainen suhde. BICEPin havaitsemien gravitaatioaaltojen voimakkuus on hieman isompi kuin mitä aineen epätasaisuuksien perusteella olisi odottanut. Planck-satelliitin olisi odottanut huomaavan näin voimakkaat gravitaatioaallot, mutta sen tuloksissa niitä ei näkynyt. Kokeiden välinen ristiriita ei ole ylitsepääsemättömän suuri, mutta antaa kyllä aihetta lisätarkasteluihin. Voi olla, että inflaatio on odotettua monimutkaisempi prosessi, tai että BICEPin gravitaatioaallot eivät ole peräisin inflaatiosta, vaan jostain muusta varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumasta, tai että BICEPin data-analyysissä on jotain vikaa.

BICEPin data on julkista, ja monet ryhmät – etenkin Planckin tutkijat – käyvät sitä varmasti läpi tulevina viikkoina. Mitä teoriapuoleen tulee, ei kestä kuin muutama päivä, kun tutkijat julkistavat mallejaan, jotka sopivat täydellisesti yhteen sekä BICEPin että Planckin kanssa. BICEP-ryhmä esitti jo yhden mahdollisuuden, jolla kokeiden välinen ristiriita saadaan pienemmäksi.

Tärkein BICEPin tulosten testi tulee, kun Planck julkaisee tänä vuonna omat mittauksensa kosmisen mikroaaltotaustan polarisaatiosta. Jos BICEPin näkemä signaali on inflaatiosta syntyneitä gravitaatioaaltoja, Planckin odottaisi näkevän ne myös. Planckin analyysissä kestää kauan, koska satelliitti mittasi mikroaaltotaustan joka puolelta taivasta, ja galaksista tulevan polarisoituneen säteilyn erotteleminen kosmisesta mikroaaltotaustasta on vaikeaa. Toisin kuin Planck, BICEP erikoistui polarisaatioon, ja katsoi vain sellaista pientä osaa taivasta, joka on mahdollisimman puhdas galaksin liasta. Toisaalta Planckilla on mahdollisuus nähdä polarisaation vaikutus suuremmalla osalla taivasta kuin mihin BICEP kykenee. Lisäksi BICEP havaitsi vakuuttavasti gravitaatioaaltoihin viittaavan polarisaation vain yhdellä mikroaaltotaajuudella, Planck mittaa useita taajuuksia, ja tällainen tarkistus on hyvä tehdä.

Higgsin hiukkasen tapauksessa löydettiin se mitä odotettiinkin, kysymyksessä oli tunnetun asian varmistaminen. Tulokseen kuitenkin suhtauduttiin suorastaan kohtuuttomalla varauksella, kesti kuukausia ennen kuin hiukkanen julistettiin Higgsiksi. Toisessa ääripäässä, väitettyjen valoa nopeampien neutriinojen tapauksessa, oli syytä alun perinkin arvella, että kyseessä oli systemaattinen virhe, joka sitten pian löydettiinkin. BICEPin kohdalla ei ole ilmeistä syytä epäillä tulosta, mutta se kertoo meille jotain mitä emme osanneet odottaa. Niinpä tulos on merkittävämpi kuin Higgsin löytäminen, mutta siihen pitää myös suhtautua varovaisesti: pöly ei ole vielä laskeutunut.

BICEPin tulosten oikeellisuudessa voidaan erottaa kaksi asiaa: onko BICEP havainnut gravitaatioaaltoja ja ovatko ne peräisin inflaatiosta. Jos ensimmäinen pitää paikkansa, niin ne ovat erittäin luultavasti syntyneet jossain varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumassa vaikka kyseessä ei olisikaan inflaatio, ja löytö on joka tapauksessa Nobelin arvoinen. Jos gravitaatioaallot ovat peräisin inflaatiosta, niin kyseessä on lisäksi ensimmäinen kiistaton havainto kvanttigravitaatiosta, mikä on huima askel. Havainto heittäisi roskakoriin suuren osan inflaatiomalleista, muun muassa oman suosikkini Higgs-inflaation, joka ennustaa 50 kertaa heikompia gravitaatioaaltoja, mutta sen merkitys on tätä paljon laajempi.

Jos BICEP on oikeassa, kyseessä on merkittävin löytö kosmologiassa tai hiukkasfysiikassa sitten vuoden 1998, jolloin havaittiin, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy. Mutta on syytä odottaa muiden ryhmien analyysejä BICEPin datasta ja Planck-satelliitin tuloksia ennen kuin jättää konditionaalit pois.

Päivitys 1 (18/03/12): Kirjoitin, että ”ei kestä kuin muutama päivä, kun tutkijat julkistavat mallejaan, jotka sopivat täydellisesti yhteen sekä BICEPin että Planckin kanssa”. Arvioni oli hieman pielessä: tänään ilmestyi kolme teoreettista artikkelia, joissa käsitellään eilen ilmoitettujen havaintojen merkitystä.

Päivitys 2 (18/03/12): Olen YLEn Aamu-TV:ssä kommentoimassa asiaa huomenna keskiviikkona kello 6.42.

---

Pimeästä

9.3.2014 klo 23.23, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Mainittakoon, että puhun Porin Taidemuseossa Pimeästä-näyttelyn yhteydessä keskiviikkona 2.4. kello 18.30 otsikolla ”Näkymätön luuranko – pimeä aine maailmankaikkeudessa”. Museoon on keskiviikkoisin vapaa pääsy kello 18-20. Puheen kuvaus on seuraava:

”Noin 80% maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta. Sitä ei voi ihmisaistein havaita, mutta se määrää maailmankaikkeuden muodon. Pimeästä aineesta on gravitaation perusteella paljon todistusaineistoa, mutta sen yksityiskohdista ei tiedetä juuri mitään.”

Päivitys (10/03/14): Joitakuita saattaa kiinnostaa uusi populaarin tiedeviestinnän verkkosivusto. Siellä on muun materiaalin lisäksi lyhyitä haastatteluja, haastateltavina mm. Tiina Raevaara, Leo Lahti, Kari Enqvist, Teivo Teivainen ja minä. (En muista mitä sanoin tässä haastattelussa, mutta muut haastattelut ainakin vaikuttavat kiinnostavilta.) Haastatteluita on myös sivuston YouTube-kanavalla.

---

Taivuttaa koskettamatta

27.2.2014 klo 19.26, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan gravitaatiossa ei ole kyse voimasta, vaan aika-avaruuden kaarevuudesta. Tämän takia gravitaatioon liittyy kiinnostavia ilmiöitä, joista klassisessa fysiikassa ei ole tietoakaan, kuten mustia aukkoja ja gravitaatioaaltoja (joita syntyy niin varhaisina aikoina kuin nykyäänkin). Gravitaatiolinssit ovat eräs tällainen ilmiö, ja työskentelen itse nyt niiden parissa ensimmäistä kertaa.

Gravitaatiolinsseissä on kyse siitä, että massiiviset kappaleet vaikuttavat valon kulkuun ja siksi muuttavat sitä, miltä kaukana olevat kohteet näyttävät. Valon taipuminen on arjesta tuttua: veden, tai kuuman ilman, läpi katsottuna kappaleet näyttävät vääristyneiltä. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan samanlainen ilmiö tapahtuu aina valon kulkiessa avaruudessa, vaikka valon tiellä ei olisikaan mitään ainetta, koska aika-avaruus on kaartunut kaikkialla. Gravitaation aiheuttama muutos valon kulkuun on tosin paljon pienempi kuin vedestä tai ilmasta johtuva, ellei ole kyse hyvin massiivisista kappaleista.

Valon taipuminen aika-avaruudessa liittyy yleisen suhteellisuusteorian ja Newtonin gravitaatioteorian eroihin. Newtonin teoriassa massalliset kappaleet vetävät toisiaan puoleensa. Newtonin teorialla ei ole mitään selvää sanottavaa gravitaation vaikutuksesta valon kulkuun. Jos valoa käsitellään massattomina hiukkasina (mikä pitää paikkansa, mutta soveltuu huonosti Newtonin teoriaan), niin Newtonin teorian mukaan gravitaatio ei vaikuta niihin. Jos ajatellaan, että valohiukkasilla olisi hyvin pieni massa, niin gravitaatio vaikuttaisi niihin samalla tavalla kuin muihinkin hiukkasiin. Yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa asiassa ei ole mitään epämääräisyyttä, ja sen mukaan molemmat Newtonin teorian arveluista ovat väärin.

Yleisen suhteellisuusteorian mukaan massat eivät suoraan vedä toisiaan puoleensa. Sen sijaan kappaleiden energia kaareuttaa aika-avaruutta, eli saa aikaan gravitaatiokentän. Tämä gravitaatiokenttä sitten vaikuttaa kappaleiden liikkeisiin. Tilanne on hieman samanlainen kuin sähkömagnetismin tapauksessa, jossa sähkövaraukset saavat aikaan sähkömagneettisen kentän, joka muuttaa varattujen hiukkasten liikkeitä. Erona on se, että gravitaation tapauksessa hiukkasten liikkeisiin vaikuttavaa gravitaatiota välittävä ’kenttä’ on itse aika-avaruus. Niinpä gravitaatio vaikuttaa kaikkiin kappaleisiin, ei vain niihin joilla on massa. Kun hiukkaset liikkuvat massiivisen kappaleen ohi, niiden rata taipuu kappaletta kohti. Massalliset ja massattomat hiukkaset tosin liikkuvat eri tavalla, ja valo taipuu kaksi kertaa niin paljon kuin massalliset hiukkaset.

Valon taipuminen gravitaatiokentässä oli ensimmäinen yleisen suhteellisuusteorian ennustus, jota testattiin kokeellisesti. Vuoden 1919 auringonpimennyksen aikana, vain neljä vuotta yleisen suhteellisuusteorian esittämisen jälkeen, havainnoitiin miten tähtien paikat taivaalla muuttuvat, kun niiden valo kulkee Auringon läheltä. Havainnot olivat sopusoinnussa yleisen suhteellisuusteorian kanssa, newtonilainen maailmankuva julistettiin kumotuksi lehtien etusivuilla ja Einsteinista tuli maailman ensimmäinen tiedejulkkis. Koetulosten tulkinnasta on keskusteltu paljon, mutta ilmeisesti asia kuitenkin hoidettiin vilpittömästi eikä yleistä suhteellisuusteoriaa juhlittu ennenaikaisesti. Havainnot on joka tapauksessa myöhemmin varmennettu kymmenestuhannesosan tarkkuudella.

Vuoden 1919 kokeessa seurattiin Linnunradassa olevia tähtiä. Kun katsoo kauempana maailmankaikkeudessa olevia kohteita, niin näkee valoa, joka on matkannut ohi paljon Aurinkoa isommista massakeskittymistä, kuten kokonaisista galakseista tai galaksiryppäistä. On kuitenkin harvinaista, että valonsäde kulkisi suoraan massakeskittymän ohi. Niinpä tyypillisesti kosmologisten gravitaatiolinssien aiheuttama vääristymä on vain prosentin luokkaa: kaukaiset galaksit näyttävät sadasosan verran paksummilta jossain suunnassa ja ohuemmilta toisessa, kuin heikossa sirkuspeilissä.

Joidenkin harvojen valonsäteiden kohdalla tosin käy niin, että valonlähteen ja meidän välille sattuu joku erittäin massiivinen kappale. Tällöin kohteen kuva vääristyy tyystin, jopa niin että kohde näkyy useassa paikassa samaan aikaan. Yksinkertaisin tapaus on Einsteinin kehä. Ajatellaan kohdetta, vaikkapa galaksia, joka lähettää valoa joka suuntaan. Jos meidän ja galaksin välissä ei olisi gravitaatiokenttiä, näkisimme vain sen valon joka tulee suoraan meille, eli galaksi näkyisi yhdessä paikassa. Jos tiellä sen sijaan on massiivinen linssi, niin osa valonsäteistä, jotka olisivat menneet meistä ohi, taipuvatkin niin että ne päätyvät silmiimme. Jos linssi on pallosymmetrinen, niin se taittaa valoa samalla tavalla kaikista suunnista, joten galaksi näkyy renkaana linssin ympärillä. Alla NASAn kuva sinisestä galaksista, jonka kuva on taittunut kauniiksi kehäksi. Tässä tapauksessa linssinä on keskellä näkyvä punainen galaksi.

Ensimmäinen Einsteinin kehä nähtiin 1979, ja nykyään niitä on mitattu tusinoittain, miljardien valovuosien etäisyyksiltä. Yleensä linssi ei ole pallosymmetrinen, joten yhtenäisen kehän sijaan nähdään erillisiä kaaria, joiden määrä, muoto ja kirkkaus riippuvat siitä, miten linssin massa on jakautunut. Alla olevan NASAn kuvan kaarista näkee, että linssi on monimutkaisempi kuin yllä olevan galaksilinssin tapauksessa.

Jos on kiinnostunut siitä, millaisia galaksiryppäät ovat, niin monimutkaiset kaaret ovat hyvä asia, koska niissä on paljon tietoa ryppäiden rakenteesta. Gravitaatiolinssejä voi myös käyttää mielenkiintoisiin kosmologisiin mittauksiin, joiden kannalta mahdollisimman yksinkertaiset linssit ja siistit kehät ovat toivottavia, koska mitä vähemmän silloin tarvitsee vaivata päätään linssien takia, sen parempi.

Eräs keskeinen maailmankaikkeutta koskeva kysymys, jota gravitaatiolinssien avulla voi tutkia, on avaruuden (ei aika-avaruuden!) kaarevuus. Jos avaruus ei ole kaareva, niin pisteiden välisiä etäisyyksiä voi laskea helposti yhteen. Jos pisteet A, B ja C ovat samalla suoralla aika-avaruudessa, niin etäisyys pisteestä A pisteeseen C on yhtä suuri kuin etäisyys pisteestä A pisteeseen B plus etäisyys pisteestä B pisteeseen C. Jos avaruus on kaareva, niin valon avulla mitatut etäisyydet eivät noudata näin yksinkertaista yhteenlaskukaavaa.

Einsteinin kehän havaittu koko riippuu siitä, mikä on meidän etäisyytemme lähteestä ja mikä on linssin etäisyys lähteestä. Jos mittaa erikseen etäisyytemme linssistä vaikkapa supernovien avulla, niin voi määrittää, kuinka hyvin etäisyyksien yhteenlaskukaava pätee ja siten mitata avaruuden kaarevuuden. (Tarkemmin sanottuna Einsteinin kehä riippuu vain etäisyyksien suhteesta, eli myös meidän etäisyytemme lähteestä pitää mitata erikseen.) Näitä havaintoja voi myös käyttää rajoittamaan sitä, paljonko maailmankaikkeuden rakenteet vaikuttavat sen laajenemiseen, samoin kuten parallaksin avulla mitattuja etäisyyksiä.