Hälytys tyhjästä
Edellisessä merkinnässä mainitsin että varhaisen maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen synnytti hiukkasia, ja kommenteissa kysyttiin tekeekö nykyinen kiihtyvä laajeneminen samoin.
Sattumoisin kosmologian veteraani Rocky Kolb Chicagon yliopistosta puhui tästä aiheesta viime viikolla Pariisin astrofysiikan instituutissa IAP. Seuraan viime syyskauden tutkimusvapaani jäljiltä vielä IAP:n seminaareja etänä.
Hiukkasten synty maailmankaikkeuden laajenemisen takia on kokeellisesti testattu 1980-luvulla kehitetyn kosmisen inflaation yhteydessä. Varhaisina aikoina avaruuden laajeneminen kiihtyi ja synnytti paljon hiukkasia eli epätasaisuuksina inflaatiota ajavassa kentässä. Nämä epätasaisuudet näkyvät kosmisessa mikroaaltotaustassa ja ne ovat muodostuneet galakseja.
Mutta kuten Rocky muistutti, ilmiö löydettiin kauan ennen inflaatiota. Sen ymmärsi ensimmäisenä Erwin Schrödinger, yksi kvanttimekaniikan pioneereista, jonka suuri yleisö muistaa nykyään enimmäkseen kissaan liittyvästä ajatuskokeesta. Vuonna 1939 Schrödinger julkaisi artikkelin, missä hän selitti, miten avaruuden laajeneminen synnyttää hiukkasia tyhjästä. Ilmiö ymmärrettiin myöhemmin paremmin vuonna 1949 löydetyssä kvanttikenttäteoriassa: avaruuden laajeneminen häiritsee kvanttikenttää, ja siihen syntyvät häiriöt ovat hiukkasia.
Vastoin yleistä käytäntöä Schrödingerin artikkelissa ei mainita kirjoittajan osoitetta eikä instituutiota. Rocky esittää syyksi sen, että Schrödinger oli pakolainen. Itävaltalainen Schrödinger vastusti natseja ja häntä siksi pidettiin poliittisesti epäluotettavana ja kiellettiin poistumasta maasta. Schrödinger pakeni laittomasti Italiaan ja kulki sieltä maasta maahan (hän sai lyhytaikaisen paikan Gentin yliopistosta Belgiasta ja Oxfordin yliopistosta Iso-Britanniasta), kunnes lopulta päätyi Dubliniin vuonna 1940 perustetun DIAS-instituutin ensimmäiseksi johtajaksi.
Rocky pitää huvittavana, että Schrödinger kirjoittaa kuinka hiukkasten synty laajenevassa maailmankaikkeudessa on ”hälyttävä ilmiö”, vaikka voisi ajatella, että Schrödinger olosuhteet vuonna 1939 huomioon ottaen tämä ei tuntuisi kovin merkittävältä ongelmalta.
Schrödinger saattoi ajatella, että hiukkasten synty tyhjästä rikkoi jotain mitä hän oli pitänyt fysiikan tärkeänä periaatteena. Onkin totta, että energia ei säily hiukkasten syntyessä. Nykypäivänä on kuitenkin kyse erittäin heikosta ilmiöstä.
Maailmankaikkeuden laajeneminen synnyttää noin yhden hiukkasparin per maailmankaikkeuden näkyvä osa ajassa, missä maailmankaikkeus laajenee merkittävästi. Hiukkasten energia liittyy maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen.
Samaan tapaan sähkökenttä voi synnyttää hiukkasia, jos se on tarpeeksi vahva ja sen voimakkuus muuttuu tarpeeksi nopeasti kohdasta toiseen. Ilmiötä ei ole vielä todettu laboratoriossa, mutta Rocky viittasi vuonna 2018 Nobelilla palkitun Gérard Mouroun arvioon, jonka mukaan hiukkas-antihiukkaspareja onnistutaan tuottamaan sähkökentillä vuoden 2030 tienoilla.
Astrofysiikassa on jo kauan nähty nopeasti muuttuvien vahvojen magneettikenttien synnyttämiä positroneja, elektronin antihiukkasia. Nopeasti pyörivissä neutronitähdissä syntyy paljon hiukkas-antihiukkaspareja, ja osa niistä matkaa Maapallolle asti.
Maailmankaikkeuden laajenemisessa on sama idea: sähkö- tai magneettikentän muutoksen sijaan avaruuden muutos häiritsee ainehiukkasta vastaavaa kvanttikenttää ja synnyttää siihen hiukkasia. Erona on se, että sähkö- ja magneettikenttien tapauksessa energia säilyy, ne menettävät energiaa sen verran kuin mitä hiukkaset saavat.
Kun maailmankaikkeus laajenee, energia ei säily. Mutta tuotettujen hiukkasten energialle on silti yläraja, joka liittyy maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen. Mitä nopeammin avaruus muuttuu, sitä enemmän se häiritsee kvanttikenttiä ja sitä korkeaenergisempiä hiukkasia syntyy. Koska hiukkasilla pitää olla energiaa vähintään sen verran mitä niiden massaan liittyy (tunnetun yhtälön E=mc2 mukaisesti), tämä asettaa alarajan laajenemisnopeudella. Hiukkaskiihdyttimissä on samanlainen raja: ei ole mahdollista tuottaa hiukkasia, joiden energia on hiukkassäteen törmäysenergiaa isompi.
Nykyään siis maailmankaikkeuden laajeneminen synnyttäisi yhden hiukkasparin jokaisessa noin kymmenen miljardin valovuoden kokoisessa alueessa noin kymmenen miljardin valovuoden välein. Mutta laajeneminen on nykyään liian heikkoa tuottamaan tunnettuja hiukkasia.
Ongelmana on se, että massallisten hiukkasten synnyttäminen on hankalaa, koska massaan liittyy paljon energiaa. Ainoa tunnettu massaton hiukkanen joka voi liikkua vapaasti on fotoni. Mutta maailmankaikkeuden laajeneminen ei synnytä fotoneita, koska niitä vastaava kenttä mukautuu laajenemiseen sujuvasti, joten laajeneminen ei häiritse fotonikenttää samoin kuin massallisiin hiukkasiin liittyviä kenttiä.
Varhaisessa maailmankaikkeudessa tilanne oli toinen. Jo Schrödinger kirjoitti, että kiihtyvä laajeneminen voisi tuottaa merkittävästi hiukkasia. Kosmisen inflaation aikana maailmankaikkeuden laajenemisnopeus oli kenties noin 10^(55) kertaa isompi kuin nykyään, joten sen aikana syntyi hiukkasia paljon nopeammin, tiheämmin – ja korkeammilla energioilla.
Tämä selittää sen, miksi inflaation aikana sitä ajavaan kenttään syntyy paljon epätasaisuuksia (eli hiukkasia). Rocky keskittyi eri asiaan: voisiko inflaation jälkeinen laajeneminen synnyttää pimeän aineen?
Toistaiseksi kaikki todisteet pimeästä aineesta perustuvat sen gravitaatiovaikutukseen, eli sen vaikutukseen näkyvän aineen ja valon liikkeisiin. On kymmeniä kokeita, jotka etsivät pimeää ainetta eri tavoin perustuen sen vuorovaikutuksiin tavallisen aineen kanssa. Yleensä pimeän aineen synty liittyy tällaisiin vuorovaikutuksiin. Joko sen syntyy inflaatiota ajavan kentän hajotessa koska se vuorovaikuttaa tämän kentän kanssa, tai sitten myöhemmin kun inflaation lopussa syntyneet hiukkaset hajoavat pimeäksi aineeksi.
Mutta entä jos pimeä aine vuorovaikuttaa vain gravitaation kautta? Tällöin se pitää tuottaa gravitaation avulla, ja maailmankaikkeuden varhainen laajeneminen on yksi tapa tähän. Rocky on yhteistyökumppaneidensa kanssa tutkinut monia erilaisia tällaisia mahdollisia hiukkasia.
Yksi vaikeus tässä tapauksessa on se, että tällaisten heikosti vuorovaikuttavien hiukkasten havaitseminen ja siis pimeän aineen olemassaolon varmistaminen niin, että sitä ei voi järkevästi epäillä olisi erittäin vaikeaa ellei käytännössä mahdotonta. Tämän takia kannattaa ensin tutkia helpommat vaihtoehdot. Mutta se onko hiukkanen helposti vai vaikeasti löydettävä ei kerro meille mitään siitä, onko se oikea pimeän aineen ehdokas vai ei: maailmankaikkeuden ei tarvitse tehdä meille asioita helpoksi.