Kosmokseen kirjoitettua

Jyrkkä käänne

27.2.2026 klo 15.49, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Puhun 14. huhtikuuta maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen liittyvästä kiistasta, tässä maistiaisia.

Yleinen suhteellisuusteoria kertoo, että avaruus muuttuu ajassa: se voi laajentua, kutistua, venyä eri suuntiin ja pyöriä. Isossa mittakaavassa ainoastaan laajeneminen on merkittävää. Avaruuden laajenemisnopeus muuttuu ajan myötä: sen nykyinen arvo on ensimmäinen koko maailmankaikkeuden (tai ison osan siitä) ominaisuus, joka kosmologiassa on mitattu. Laajenemisnopeuden nykyistä arvoa kutsutaan Hubblen vakioksi, Edwin Hubblen mukaan, joka oli toinen henkilö, joka otti sen käyttöön ja mittasi sen arvon. (Enemmän tästä historiasta tässä merkinnässä ja sen kommenteissa.)

Hubblen vakio on noin 70 km/s/Mpc. Jos kahden galaksin etäisyys on yksi Mpc (noin kolme miljoonaa valovuotta), niiden väliin syntyy tilaa niin paljon, että niiden etäisyys kasvaa noin 70 kilometriä joka sekunti. Jos etäisyys on kaksi Mpc:tä, niin etäisyys kasvaa noin 140 km/s, ja niin edelleen.

Nyt kiistan aiheena on se, mitä ”noin” merkitsee, eli mikä on laajenemisnopeuden tarkka arvo. Maailmankaikkeuden laajeneminen vaikuttaa moniin eri havaintoihin: galaksien ja niissä olevien tähtien näennäiseen kokoon, muotoon ja kirkkauteen, galaksien ja muiden rakenteiden kehitykseen, aineen tiheyteen ja lämpötilaan, valon taipumiseen, kosmisen mikroaaltotaustan lämpötilaan ja epätasaisuuksiin, ja niin edelleen.

Eri havainnot riippuvat eri tavoin laajenemisnopeudesta, joten meillä on monta riippumatonta keinoa luodata sitä, ja avaruuden laajeneminen on siksi järkevän epäilyn ulkopuolella. Se, että eri mittaustavoilla saadaan yhtäpitäviä tuloksia laajenemisnopeuden arvosta on vahva osoitus siitä, että ymmärryksemme on oikein.

Kosmologian kenties suurin ongelma tällä hetkellä on se, että laajenemisnopeuden mittaukset eivät ole enää yhtäpitäviä. Kun sitä mitataan käyttäen lähellä olevia kohteita kuten supernovia, saadaan nykyiseksi arvoksi 73 km/s/Mpc. Tämä ei riipu siitä, miten maailmankaikkeus on menneisyydessä laajentunut. Heikkoutena on se, että käsityksemme supernovista ja niiden etäisyydestä voi olla pielessä.

Kun nykyinen laajenemisnopeus mitataan havainnoimalla kauempana olevia eli varhaisempien aikojen kohteita taivaalla, tulos riippuu siitä, miten maailmankaikkeus on laajentunut sittemmin. Mutta toisaalta varhainen maailmankaikkeus oli paljon yksinkertaisempi kuin nykyään, koska ei ollut mitään galakseja eikä muita monimutkaisia kappaleita. Ankkuroimalla laajenemisnopeus varhaisiin aikoihin ja laskemalla miten se kehittyisi nykypäivään saadaan tulokseksi 67 km/s/Mpc.

Virherajat ovat niin pieniä, että todennäköisyys sille, että näiden kahden tuloksen välinen ero on sattumaa on mitättömän pieni, yksi miljardisosan tuhannesosa. Tämä on vahva osoitus siitä, että ymmärryksemme on jossain suhteessa väärin. Kirjoitin aiheesta vuonna 2019, jolloin näiden kahden mittaustavan ero oli noussut kosmologian keskeiseksi avoimeksi ongelmaksi. Näiden vuosien aikana on tullut paljon uusia tarkkoja mittauksia, ja mutta ratkaisu tuntuu olevan yhä kauempana.

Mahdollisuuksia on ainakin kolme: meillä on väärä käsitys joko laajenemisnopeudesta varhaisina aikoina, laajenemisnopeuden kehityksestä, tai laajenemisnopeudesta nyt.

Kirjoitin vajaa vuosi sitten uusista kosmisen mikroaaltotaustan havainnoista, joiden valossa näyttää epätodennäköiseltä, että ongelma ratkeaisi peukaloimalla varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumia.

On esitetty paljon ideoita siitä, miten ongelman voisi korjata muuttamalla sitä, miten maailmankaikkeus laajenee varhaisten aikojen ja nykypäivän välillä. Meillä on viitteitäkin siitä, että laajenemisnopeudelle tapahtuu jotain outoa – valitettavasti ne menevät väärään suuntaan ja vain pahentavat ongelmaa. Tässäkin ratkaisutavassa on kuitenkin isoja ongelmia.

Kolme viikkoa sitten julkistettu Prakhar Bansalin ja Dragan Hutererin artikkeli valaisee tilannetta. He käyttävät uusimpia havaintoja ja selvittävät mitä pitäisi tehdä, jotta ne kaikki sopisivat yhteen. Ongelmana on se, että meillä on havaintoja etäisyyksistä ja siten laajenemisnopeudesta monilla eri etäisyyksillä, ja ne sopivat hyvin nykyiseen käsitykseemme maailmankaikkeuden laajenemisesta, joten säätämisen varaa ei ole paljon – aivan lähellä olevien kohteiden etäisyyksiä lukuun ottamatta.

Ongelmallisimpia ovat tyypin Ia supernovat, jotka ovat tietynlaisia räjähtäviä tähtiä. Niiden kirkkaudesta voidaan päätellä niiden etäisyys (mitä himmeämpiä, sitä kauempana), ja niiden valon punasiirtymästä näkee miten nopeasti ne etääntyvät meistä. Yhdistämällä nämä kaksi mittausta saadaan avaruuden laajenemisnopeus. Jos paikalliset tyypin Ia supernovat vain olisivat kaukaisia himmeämpiä siksi että niiden räjähdyksessä syntyy vähemmän kirkasta ainetta (eivätkä siksi että avaruus laajenee niin nopeasti), niin tämä ratkaisisi kaiken. Muita vakuuttavia selityksiä kuin tällainen jyrkkä käänne supernovien kirkkaudessa ei oikeastaan ole.

Mutta mitä paremmin opimme ymmärtämään supernovia, sitä epätodennäköisemmältä vaikuttaa, että niiden kirkkaudessa olisi niin iso virhe, että se selittäisi havainnot. Alan veteraani Alex Filippenko puhui tällä viikolla Helsingin yliopiston fysiikan osaston astrofysiikan seminaarien sarjassa aiheesta. Hän korosti, että tutkimus on vain pienentänyt virherajoja jokseenkin samojen arvojen ympärillä, eli tulos on entistä varmempi.

Filippenko teki 1990-luvulla Adam Riessin kanssxa tutkimusta maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisestä, mistä Riess vuonna 2011 sai Nobelin palkinnon. Sitä ennen Filippenko oli mukana kilpailevassa ryhmässä, jota johti Saul Perlmutter (joka sai hänkin osansa Nobelin palkinnosta). Myös kiihtyvän laajenemisen löytämisessä supernovien etäisyyden mittaaminen niiden kirkkauden avulla oli keskeistä. Ja myös tuossa tapauksessa moni (mukaan lukien minä) arveli, että ongelmana olisi vain supernovien puutteellinen ymmärtäminen, mikä ei pitänyt paikkaansa.

Jos pakko olisi (onneksi ei ole), niin laittaisin silti nyt rahani sille, että nykyisessä kriisissä on kyse ongelmista supernovien kanssa. Mutta arvioni pohjannee tieteellisten faktojen lisäksi myös siihen, että en juuri tunne supernovien tutkimusta, joten minun on helpompi epäillä sitä kuin kosmologian niitä osia, jotka tunnen paremmin.

Kiista Hubblen vakiosta havainnollistaa sitä, miksi fysiikassa on tärkeää mitata asioita yhä tarkemmin. Ei kosmologeja kiinnosta se, onko maailmankaikkeuden laajenemisnopeus 67 km/s/Mpc vai 73 km/s/Mpc, vaan se, mitä nämä arvot kertovat maailmankaikkeuden laajenemisesta, ainesisällöstä ja luonnonlaeista. Mitä täsmällisempiä mittauksia tehdään, sitä hienosyisemmin saadaan testattua teorioita, ja joskus pienikin ero johtaa isoon läpimurtoon.