Kotoisa sarja
Osallistuin viime viikolla Tallinnassa kolmanteen pohjoismaiseen kosmologiatapaamiseen. Sarjan aiemmat konferenssit olivat Tukholmassa ja Helsingissä, ja oli mukava nyt saada Viro mukaan pohjoismaihin.
Neuvostoliiton aikana Baltian fysiikan tutkimus oli keskitetty Viroon, ja vahva perinne näkyy yhä. Avauspuheenvuoron pitänyt Martti Raidal sanoi osittain (mutta ehkä vain osittain) vitsinä, että pimeä aine löydettiin ensin Virossa, viitaten tunnetun astrofyysikon Jaan Einaston työhön. Einaston ryhmä Virossa oli 1970-luvulla maailmankaikkeuden ison mittakaavan rakenteen tutkimuksen kärjessä.
Einasto oli yksi ensimmäisiä, joka löysi ja ymmärsi galakseista muodostuvien ryppäiden, rihmojen, seinämien ja onkaloiden muodostaman kosmisen verkon. Nämä havainnot olivat tärkeitä pimeän aineen olemassaolon ja ominaisuuksien tutkimisessa. Ne osoittivat, että pimeä aine ei koostu neutriinoista –jotka olivat 1970-luvun alussa luontevin pimeän aineen ehdokas– eikä muistakaan nopeasti liikkuvista hiukkasista, vaan liikkuu hitaasti. Tästä tarinasta kiinnostuneet voivat kääntyä Einaston kirjan Dark Matter and Cosmic Web Story puoleen.
Einasto on 97-vuotias, mutta tekee vielä tutkimusta – hänen viimeisin artikkelinsa ilmestyi vajaa kaksi kuukautta sitten. Hän ei ollut paikalla, mutta hänen tyttärensä ja yhteistyökumppaninsa Maret Einasto sekä Sumedh Ghamande puhuivat maailmankaikkeuden isoimmista rakenteista.
Kun verrataan kosmologisen teorian ennusteita havaintoihin, usein tutkitaan kaikkien tapausten tilastollista jakaumaa: esimerkiksi sitä, miten kaukana galaksit ovat toisistaan tai miten gravitaatiolinssit taittavat niiden muotoja.
Joskus kannattaa kuitenkin keskittyä rakenteisiin, jotka ovat poikkeavia esimerkiksi siksi, että ne ovat niin isoja. Ne saattavat hukkua kaikkea kerralla katsoessa juuri siksi, että ovat harvinaisia. Einasto esitti, että suurimmat havaitut galaksiryppäiden ryhmät saattavat olla isompia kuin mitä nykyinen kosmologinen malli ennustaa.
Tällaisia väitteitä esitetään aika ajoin: ensimmäinen blogimerkintäni kosmologiasta, Tiede-lehden sivuilla vuonna 2007, käsitteli yhtä tällaista perätöntä väitettä. Till Sawala puhuikin Maret Einaston jälkeen muutamasta tapauksesta, joissa on osoittautunut, että isoissa rakenteissa ei ole mitään odottamatonta. Tämä ei toki tarkoita, etteikö poikkeuksellisia rakenteita kannattaisi yhä syynätä.
Teoreettisten mallien ja havaintojen vertaaminen on yhä vaativampaa, koska havaintodataa on niin paljon ja se on niin tarkkaa. Siispä teoriankin ennusteet pitää laskea hyvin tarkasti. Usein tämä on mahdollista vain tietokonesimulaatioilla. Ison mittakaavan rakenteen simulaatioiden ajaminen on kuitenkin laskennallisesti raskasta. Jos mallissa on kuusi parametria ja jokaisesta halutaan tutkia kymmenen eri arvoa,n iin pitäisi tehdä miljoona simulaatiota – ja usein parametreja on enemmän ja niitä halutaan luodata tiheämpään.
Kosmologiassa on vuosia käytetty koneoppimista, ja datamäärän kasvaessa on kehitetty yhä hienostuneempia menetelmiä. Thomas Tram puhui uusimmista askelista. Ideana on se, että algoritmille annetaan valmiita simulaatioita ja parametrien arvoja, jotta se osaa niiden perusteella kertoa miltä simulaatiot näyttäisivät muilla arvoilla. Algoritmit ovat nopeuttaneet havaintoihin sopivien mallien arvioinnin tunnista muutamaan millisekuntiin. Laskuja, joihin tarvittiin ennen supertietokone voi nykyään tehdä omalla kannettavalla.
Eräs kollegani valitti, että nuoria tuntuu kiinnostavan nykyään eniten tekniset asiat kuten miten dataa analysoidaan, ei teoreettiset ideat. En tiedä onko hänen havaintonsa oikea, mutta on todettava, että havainnot ja niiden analyysi on se alue, missä kosmologiassa tapahtuu nyt eniten edistystä.
Minusta yksi kiinnostavimpia puheita oli Edvard Mörtsellin esitys siitä, miten supernovista eli kirkkaina räjähtävistä tähdistä eri reittejä tulevan valon viiveiden avulla on mitattu maailmankaikkeuden laajenemisnopeus. Norjalainen Sjur Refsdal ehdotti tätä jo vuonna 1964. Sopivia supernovia on kuitenkin vain noin yksi tuhannesta, ja vasta viime vuosina on havaittu tuhansia supernovia ja päästy mittaustouhuun. Teknologian kehityksen myötä supernovia havaitaan yhä enemmän, joten muutaman vuoden kuluessa maailmankaikkeuden laajenemisnopeus lienee määritetty niin tarkasti, että voidaan sanoa kumman arvo on oikeassa, kosmisen mikroaaltotaustan tutkijoiden vai supernovatutkijoiden. Tämä on kosmologian suurin ristiriita tällä hetkellä, ja lisävalo on tarpeen.
Tapaamisessa puhuttiin kyllä myös paljon teoriasta. Nykyään Virossa onkin korkealla tasolla havaintoihin liittyvän astrofysiikan ja kosmologian lisäksi myös hiukkasfysiikan puolelta tuleva kosmologian tutkimus. Entisen jatko-opiskelijani Eemeli Tombergin ensimmäinen väittelyn jälkeinen tutkijanpesti oli Tallinnassa, ja olen itse käynyt Virossa useita kertoja konferensseissa, puhumassa seminaarissa tai vastaväittäjänä.
Hyvin käsitellyiksi tulivat aksionit, joiden tutkimus vahvasti yhdistää kosmologiaa ja hiukkasfysiikkaa, ja muitakin pimeän aineen hiukkasia. Myös gravitaatioaalloista oli monta puhetta, kuten nykyään kaikissa kosmologian konferensseissa.
Itse puhuin Dipayan Mukherjeen kanssa tekemästäni tutkimuksesta liittyen kosmologisiin keskiarvoihin. Usein tutkimus on monimutkaista tai pureutuu hienosyisiin yksityiskohtiin, mutta tässä tapauksessa teimme sen sijaan jotain yksinkertaista, jota kukaan ei vain ollut tullut ajatelleeksi –tai ainakaan toteuttaneeksi– ennen.
Toisessa päässä puhtaasta (tai likaisesta) havaintoanalyysistä on Tomi Koiviston tutkimusryhmän pyrkimys rakentaa uudenlaiselta pohjalta gravitaatioteoriaa ja kvanttigravitaatiota, mistä Lucy Zheng ja Priidik Gallagher puhuivat.
Aika näyttää, mitkä suunnat ovat hedelmällisiä, mutta ideoiden kirjo ja havaintojen edistys on merkki terveestä tutkimuskentästä. Tapaamisessa oli 66 tutkijaa, eli se oli kosmologian konferenssiksi kotoisan pieni.
Tällaiset tapaamiset ovat hyödyksi paikalliselle tieteenteolle. On tärkeää, että aloittavat tutkijat vuorovaikuttavat toistensa ja kokeneempien tutkijoiden kanssa. On oleellista tietää miten yhteisössä toimitaan, ja sen konstit ja normit välittyvät usein henkilökohtaisesti. Ainakin itselleni jatko-opiskelijana ja nuorempana tutkijana tutkijoiden tapaaminen ja yhteisöön kotoutuminen oli tärkeä osa tutkijaksi kehittymistä ja sellaisena selviämistä.
Näitä kosmologiatapaamisia on pidetty puolentoista vuoden välein. Seuraava saattaa olla Oslossa, Tukholmassa tai Vilnassa, riippuen siitä kuka saa ensimmäisenä haalittua kasaan rahoituksen.