Jyrkkä käänne
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.
”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.”
Entäpä päättely toiseen suuntaan: miten esim. muutokset laajenemisessa, ainesisällössä tai ”luonnonlaeissa” voisivat selittää Hubblen jännitettä. Jos hyväksytään, että kaikki vaikuttaa kaikkeen, niin selitys voinee löytyä lähes mistä vain. Tai voisiko koko ongelman selittää pois toteamalla, että maailmankaikkeus nyt vain on muuttunut useiden sattumien oikuista sellaiseksi, että lähi- ja kaukohavaintojen välillä on havaittu jännite? Niels Bohr voisi antaa jonkin kryptisen selityksen ja koko ongelma unohtuisi (pitkäksi aikaa).
Kaikki ei vaikuta kaikkeen. Merkintä käsittelee mahdollisia selityksiä ongelman ratkaisemiseksi. Ks. myös aiemmat merkinnät:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/taivutusmuotoja/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/vinot-kuvat/
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/lahella-ja-kaukana/
Mittatikkuna noissa selvityksissä on käytetty valoa. Onko täysin poissuljettua ettei valon käyttäytyminen olisi merkittävänä osasyynä tulosten erolle? Vaikkapa siten että valon värisiirtymä ei käyttäytyisikään täysin lineaarisesti ääripäissään, puristu täysin lineaarisesti Plancin- tai nollamittaan tai veny lineaarisesti äärettömään mittaan vaan pyrkisi säilyttämään hiukkasominaisuutensa ja sen myötä sijainnin .
En tiedä mitä tarkoitat ääripäillä, mutta on mahdollista, että ongelma on valossa. Olen itsekin Jussi Väliviidan kanssa kirjoittanut artikkelin siitä, miten fotoneiden katoaminen matkalla vaikuttaisi kosmiseen mikroaaltotaustaan (https://arxiv.org/abs/1512.05346), ja se tosiaan nostaa kosmisesta mikroaaltotaustasta pääteltyä laajenemisnopeutta siten, että ongelma voisi ratketa. Muutkin ovat esittäneet samanlaisia ideoita.
Äkkiseltään ajatus fotonien katoamisesta matkalla kuulostaa hedelmälliseltä idealta. Esim. jos tekisi työhypoteesin että fotonit vuorovaikuttaisivat pimeän aineen kanssa juuri sen verran että Hubblen tensio selittyisi, voisi katsoa olisiko tämä yhteensopivaa sen kanssa että muissa astrofysikaalisissa yhteyksissä pimeän aineen ja sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutus on havaintokynnyksen alapuolella.
Rajat fotonien absorptiolle ovat luultavasti liian kovat (mutta en ole tarkistanut). Ideanamme oli, että fotonit vuorovaikuttavat matkalle jonkin kanssa, joka saa ne oskilloimaan toisiksi, näkymättömiksi hiukkasiksi. Emme olleet tarkkoja siitä, miten tämä tismalleen tapahtuu. Mutta esim. jos on olemassa pimeän sektorin domain walleja, niin niiden läpi kulkiessa fotonit hyvin luontevasti oskilloivat muiksi hiukkasiksi, samoin magneettikentissä. Kaikki tämä tietysi pikkuisen spekulatiivista (mutta hyvää selitystähän tosiaan kukaan ei ole keksinyt, että ehkä voi hieman spekuloidakin!).
Kaikissa tällaisissa ideoissa on se hyvä puoli, että niistä voi jäädä kosmiseen mikroaaltotaustaan toisenkinlainen jälki (mitä tutkimme artikkelissamme yksityiskohtaisesti).
Jos fotonien vuorovaikutus pimeän aineen kanssa saa aikaan selkeän absorptioviivan taustasäteilyn spektriin niin avaruuden laajetessa siihen pitäisi kai muodostua 3D-kartta pimeästä aineesta?
Tuskin saa.
H₀-jännitteessä (Planckin CMB-analyysi H₀≈67.4 km s⁻¹ Mpc⁻¹ vs. paikallinen etäisyystikas H₀≈73 km s⁻¹ Mpc⁻¹; Planck 2018; Riess ym. 2021) kiinnostaa, onko rakenteiden roolia tarkasteltu niin, ettei se typisty vain kysymykseen “voiko takaisinkytkentä (backreaction) tuottaa myöhäiskiihtyvyyden?”. Vallitseva jatkavuus-intuitio, jossa gravitaatio “jarruttaa” laajenemista Friedmann-kuvan hengessä, tekee rakenteista helposti vain korjaustermin. Mutta keskiarvoistus/fitting-ongelma (Buchert 2012; Clarkson ym. 2011) ja Räsäsen analyysit (Räsänen 2006; 2009/2011) korostavat, että tilastollisen homogenian oloissa “taustalaajeneminen” ja H(z) ovat jo itsessään tehokkaita, mittauksella valikoituvia suureita. Siksi rakenteet voivat periaatteessa muokata koko H(z):ää eli sitä, mitä kaikilla eri menetelmillä operationaalisesti mitataan – vaikka todellisen keskiarvoistetun laajenemiskiihtyvyyden (q<0) tuottaminen “pelkillä rakenteilla” näyttäisi edellyttävän backreaction-termin olevan aineen hidastuksen suuruusluokkaa, eli se haastaa yksinkertaisen kompleksisuus‑selityksen. Tosin juuri tässä informaatiopohjainen näkökulma (entropia/vapausasteet/horisontti) voi olla oleellinen, jos se muuttaa sitä, millä tasapainoehdolla efektiivinen laajeneminen ylipäätään määräytyy….
Onko olemassa kvantitatiivisia malleja, jotka kytkevät tämän termodynaamisiin/emergentteihin ideoihin (Easson-Frampton-Smoot 2011; Padmanabhan 2012; vrt. gravitaatioentropian kasvu rakenteistuessa Clifton-Ellis-Tavakol 2013) ja antavat testattavia ennusteita H(z):lle, BAO:lle ja kasvulle fσ₈(z)? Samalla kiinnostaa, mitä relativistiset simulaatiot ja “FLRW on erittäin hyvä approksimaatio” -argumentit jo rajaavat (Adamek ym. 2017; Green & Wald 2014).
Paikallisten rakenteiden vaikutus on liian pieni selittämään ristiriidan. Se, voiko niiden vaikutus laajenemishistoriaan laajemmin ratkaista ongelman ei ole juuri tarkasteltu, mutta se vaikuttaa epätodennäköiseltä – mutta ei poissuljetulta.
Emergentti gravitaatio on aivan eri asia, en tiedä onko sitä yritetty soveltaa tähän – voi olla.
Viime aikoina on ilmestynyt muutamia nimenomaan informaatiolähtöisiä yrityksiä, jotka näyttävät olevan juuri sitä “aivan eri asiaa” kuin backreaction-mallinnus: esim. näennäishorisonttien yleistetystä entropiasta johdettu, 4-parametrista funktiota (Nojiri et al) hyödyntävä, entrooppinen DE-malli, jolla tavoitellaan H₀-jännitteen lievenemistä (Adhikary ym., arXiv:2507.15273) tai horisontin pienestä epätasapainosta (“entanglement deficit”) johdettu IR-mekanismi H₀-jännitteelle (Sakharov ym., arXiv:2601.17938). Ja HDE-kehikossa on tehty tuore systemaattinen vertailu: kaikki IR-cutoff-valinnat eivät auta, mutta informaation holografiat voivat lieventää jännitettä (Li & Wang, arXiv:2511.09467). Siinä muutamia nopeasti löytyneitä yritteitä näkökulmaksi.
Kovat BAO/SN/CMB/RSD-testit tietysti ratkaisevat, mutta on kiinnostavaa nähdä, kypsyisivätkö tällaiset informaatio-/emergenssi-ideat lopulta vakavasti otettavaksi kosmologian vaihtoehtoluokaksi.
Kirjoitat: ”se voi laajentua, kutistua, venyä eri suuntiin ja pyöriä.” Miksi näin ajatellaan, eikö maailmankaikkeus voi tehtä tätä kaikkea yhtaikaisesti, kuten turbulentti virtaus? Syntytilanne on kumminkin ollut vähintäänkin kaootinen. Tietenkin katsomalla rajattua aluetta tilanne näyttäisi paikallisesti toiselta. En vielä ehtinyt lukea juttuasi läpi, joten jos tämä kysymys on jo selitetty, niin antanet anteeksi turhan kysymyksen.
Sana ”ja” ei sulje pois sitä, että useampi vaihtoehto voisi toteutua samaan aikaan. Tämä ei edellytä turbulenssia.
Maailmankaikkeuden synnystä emme tiedä mitään.
Blueskyssa tuli vastaan Ursan postaus, jossa sanottiin, että Ursan esitelmät striimataan YouTubeen.
Miten on Kirkkonummen komeetan kanssa? Taltioidaanko esitelmä?
En tiedä, sitä pitää kysyä tapahtuman järjestäjiltä. Minulle se kyllä sopisi, mutta asiasta ei ollut puhetta.
Ilotulitusraketin väriin voi vaikuttaa lisäämällä ruutiin metalleja, kobolttia, kadmiumia kuparia ja muuta. Voiko supernovien kirkkaus muuttua siitä, että niihin kertyy koko ajan alkuaikojen vedyn ja heliumin lisäksi ”metalleja” eli raskaampia alkuaineita ja niiden ympäristöön tällaista pölyä ja roskaa (niin kuin me) joka muokkaisi räjähdystä?
Nykyisen käsityksen mukaan tyypin Ia supernovan kirkkaus riippuu lähinnä siitä, paljonko nikkeli-57:ää siinä on. Nikkeli-57:n määrä vaihtelee tähdestä toiseen, ja niinpä niiden kirkkaudessakin on suuria eroja. Kuitenkin niiden kirkkauden maksimiarvo korreloi sen kanssa, miten hitaasti kirkkaus nousee ja laskee räjähdyksen jälkeen: mitä hitaammin kirkkaus nousee, sitä isompi on sen maksimi.
Supernovien erojen käsittely on keskeinen osa niiden tutkimusta, eikä siitä ole löydetty ratkaisua. Päin vastoin, se on vain vahvistanut aiemmat johtopäätökset entistä pienemmin ja luotettavammin virherajoin.
Tämä ei tietenkään sulje pois sitä mahdollisuutta, etteikö selitys voisi löytyä täältä päin. Alan asiantuntijat pitävät sitä epätodennäköisenö, minä en ole sellainen.