Kuratoitu läpileikkaus
Viime viikolla oli merkittävä vuotuinen kosmologiakonferenssi COSMO. Tällä kertaa se järjestettiin Yhdysvaltojen Illinois’n yliopistossa ja pidettiin etänä. COSMO-konferenssien sarja alkoi vuonna 1997, tavoitteena tuoda hiukkasfyysikkoja ja kosmologeja lähemmäs. Nykyään kentät lomittuvat niin sujuvasti, että nuorempi sukupolvi ei edes tiedä, että niiden välillä oli aiemmin paljon epäilyä ja väärinkäsityksiä.
COSMO-konferenssien johtokunnan jäsen Leszek Roszkowski mainitsi hiukkasfysiikasta Nobelin saaneen Martinus Veltmanin ykskantaan todenneen, että kosmologia ei ole tiedettä. Mielipide meni Veltmanin mukana tammikuussa hautaan, ja nykyään kukaan fyysikko tuskin esittää tällaisia kommentteja. Hiukkasfyysikoiden mielenmuutosta on edesauttanut se, että kosmologiassa on tehty läpimurtoja havaintojen saralla, merkittävimpänä vuonna 1998 julkistetut (ja 2011 Nobelilla palkitut) maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisesta kertovat supernovahavainnot.
Tämän vuoden COSMOssa näkyi, miten havaintovetoista kosmologia on, ja miten paljon teknologia ja data-analyysi ovat kehittyneet. Kun vuonna 2000 aloitin tutkimuksen tekemisen, muotiterminä oli ”täsmäkosmologia”. Tässä COSMOssa ei sanaa juuri kuultu, koska havaintojen ja analyysin täsmällisyys on ilmeistä ja tunnustettua.
Kosmologiakonferensseissa ei julkisteta uusia tuloksia eikä artikkeleita, jotka ovat kaikki luettavissa nettiarkistosta arXiv, mutta ne tarjoavat kuratoidun läpileikkauksen alan tilanteeseen ja ponnistuslaudan ajattelulle. Ohjelma koostuu kutsutuista puheista, jotka ovat enimmäkseen katsauksia johonkin osa-alueeseen, ja osallistujien omasta työstään tarjoamista lyhyemmistä esityksistä. Vuosien varrella naisten osuus on kasvanut merkittävästi: tämän vuoden 24 kutsutusta puhujasta 15 oli (nimen ja ulkonäön perusteella oletetusti) naisia.
Gravitaatioaalloilla oli ansaitusti iso rooli. Uusien havaintojen (ja Nobelin) edesauttamana alan tutkimus on laajentunut nopeasti. Kun kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien ensimmäiset mittaukset julkistettiin vuonna 1992, data-analyysin ja havaintojen ohella kehitettiin rivakasti erilaisia tapoja hyödyntää dataa ja lukea siitä kaikenlaista. Gravitaatioaallot ovat nyt samalla tavalla uusi väline, jolla voi luodata tähtien kehitystä, raskaiden alkuaineiden muodostumista, neutronitähtien rakennetta, värivuorovaikutusta, mustien aukkojen muodostumista, maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta, yleistä suhteellisuusteoriaa, Higgsin kentän olomuodon muutosta ja niin edelleen. Kuten LIGO-koeryhmän Daniel Holz asian ilmaisi, tutkijat ovat odottaneet gravitaatioaaltojen datatulvaa, ja nyt se on alkanut.
Teoreetikot vaihtavat kentältä toiselle onnistumisten vetämänä ja epäonnistumisten hylkimänä. Monet vaikkapa gravitaatioaaltoihin tai Higgsin kenttään liittyvistä viime vuosien uusista ideoista olisi voitu keksiä vuosia sitten, mutta niitä ei tullut ajatelleeksi kuin havaintojen ja uuden keskustelun myötä. Teknologia ajaa havaintoja, mikä ruokkii teoriaa, mikä osoittaa miten analysoida ja tehdä havaintoja.
Teknologian kehitys näkyy myös teoriapuolella esimerkiksi siinä, että yhä enemmän tehdään raskaita yleisen suhteellisuusteorian kaikki yksityiskohdat huomioon ottavia numeerisia laskuja ei vain mustien aukkojen törmäyksistä, vaan myös kosmisesta inflaatiosta ja sen loppumisesta.
COSMOssa näkyi se, miten teoreetikot ovat siirtyneet enemmän lähellä havaintoja oleviin rajattuihin malleihin suureellisten rakennelmien sijaan. Säieteoria oli kuitenkin vielä vahvasti ainakin hengessä mukana. Tähän saattaa vaikuttaa se, että teoreettinen tutkimus on Yhdysvalloissa enemmän sidottua siihen, sen muotivirtauksiin ja persoonallisuuksiin kuin Euroopassa tai Aasiassa.
Gravitaatioaaltohavaintojen inspiroimana mahdollisten muinaisten mustien aukkojen tutkimus on paisunut. Pimeän aineen tutkimusta on päinvastoin ajanut havaintojen puute: koska aiemmin suosituinta ehdokasta pimeäksi aineeksi, nynnyä, ei ole löytynyt, tutkitaan yhä enemmän kaikenlaisia mahdollisuuksia.
Yksi esille nostettu idea on makroskooppinen pimeä aine, eli pimeä aine, joka koostuu isoista kasoista yhteen sitoutuneita hiukkasia, tavallisen aineen tapaan. Tällaisia kasoja pitäisi etsiä aivan eri tavalla kuin yksittäisiä hiukkasia, esimerkiksi katsomalla iskeytyykö tähtiin asteroidin massaisia mutta paljon nopeampia möykkyjä.
On aina havaintoja, jotka ovat ristiriidassa teorian kanssa, ja voi kestää kauan, ennen kuin saadaan selville, onko ongelma havainnoissa, teoriassa vai jossain oletuksissa. Yksi tällainen ongelma on se, miksi maailmankaikkeudessa näyttää olevan vain noin neljännes siitä määrästä litium-7:aa (eli ytimiä, joissa on kolme protonia ja neljä neutronia) mikä ennustetaan syntyvän maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien aikana. Poikkeama on tilastollisesti erittäin merkittävä. Nyt on viimein paikallistettu uskottava mahdollinen selitys. Litiumin määrä on arvioitu vanhojen tähtien pinnalta, ja uusien havaintojen nojalla niissä on tapahtunut odotettua enemmän kehitystä, missä pinta on voinut sekoittua alempien kerrosten kanssa, johtaen litiumin tuhoon.
Kosmologian puhutuin ristiriita tällä hetkellä on se, että eri havainnot näyttävät antavat eri arvon maailmankaikkeuden laajenemisnopeudelle. Vastakkain ovat asettuneet erityisesti kosminen mikroaaltotausta ja kosmisen naapuruston supernovat. Kosmisen mikroaaltotaustan fysiikka tunnetaan erinomaisesti ja mittaukset ovat tarkkoja, mutta laajenemisnopeuden lukeminen siitä vaatii oletuksia pimeästä energiasta. Etäisyyksien mittaaminen supernovalla kärsii epävarmuuksista tähtien ja muiden järjestelmien mallintamisessa, mutta ei juuri riipu siitä, millaista pimeä energia on (tai onko sitä).
Havaintoryhmä Dark Energy Surveyn uudet havainnot galaksien jakaumasta ja gravitaatiolinssivääristymistä tukevat kosmisen mikroaaltotaustan tuloksia. Supernovapuolella on avautunut sisäinen ristiriita eri etäisyysmääritysten välillä: yksi tapa sopii yhteen kosmisen mikroaaltotaustan kanssa, toinen ei ja kolmas on liian epätarkka, että voisi vielä sanoa. Kovasta syynäämisestä huolimatta kummastakaan tarkassa supernovamenetelmässä ei ole löydetty virhettä. Mutta nyt tiedetään paremmin mistä katsoa, ja voi olla että huolellisen analyysin jälkeen osoittautuu että ongelmana on supernovien ympäristön tai tähtien mallintaminen, tai jokin muu kosmologian kannalta arkinen lähipiirin touhu.
COSMOn sävy oli innostunut ja eteenpäin ravaava. On uusia tarkkoja havaintoja, tulevia innostavia projekteja ja hauskoja teoreettisia ideoita. On silti syytä muista, että vaikka havainnot voivat tarjota vastauksen isoihin kysymyksiin –pimeän aineen luonne, kiihtyvän laajenemisen syy, inflaation yksityiskohdat, aineen ja antiaineen epäsuhdan synty– ja paljastaa jotain yllättävää, siitä ei ole mitään taetta. Kosmologian tulevaisuus on havaintojen arpapeliä.
Entäpä jos pimeän aineen möykyt ovatkin valovuosien kokoisia sumeita rakenteita?
Jos pimeä aine koostuu hiukkasista, joiden massa on hyvin pieni, niiden aallonpituus voi tosiaan olla tähtitieteen mittakaavassa. Tällöin ei kuitenkaan ole kyse hiukkasten sidotuista tiloista (möykyistä), vaan yksittäisistä hiukkasista.
Aiheesta lisää täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/totalitaristinen-periaate-ja-vanhan-ajan-romantiikka/
Ketä voi kutsua ensimmäiseksi kosmologiksi, nykytieteen mielessä ? Albert Einstein ?
Voinee kai sanoa että meni monta vuosikymmentä niin että kosmologia oli kokonaan teoreetikoiden juttu ?
Tähtitieteilijäthän jakaantuvat teoreetikoihin ja havaitsijoihin, joista jälkimmäiset siis vastaavat fysiikan kokeilijoita.
Ja nykyäänhän on sitten simuloijia jotka lasketaan teoreetikoiksi tai sitten omaksi ryhmäkseen.
Onko nykyään olemassa sellainen identiteetti kuin havainnoitsija-kosmologi ?
Kosmologia omana tieteenalanaan muodostui vasta pitkälle toisen maailmansodan jälkeen. Sitä ennen oli erilaisia fyysikoita, jotka tutkivat kosmologiaan liittyviä kysymyksiä muun ohella. En osaa sanoa, kuka olisi ensimmäinen kosmologi.
Nykykosmologian voi sanoa syntyneen yleisen suhteellisuusteorian myötä, ensimmäisen siihen perustuvan kosmologisen mallin esitti Einstein vuonna 1917, ja kenttä kehittyi havaintojen myötä voimakkaasti 1920-luvulla.
Simulaatioita tekevät sekä havaitsijat että teoreetikot, simulaatioiden tekijät eivät ole oma ryhmänsä.
Havainnoiva kosmologia (observational cosmology) on tosiaan oma osa-alueensa.
Pimeän aineen hiukkasten detektoinnissa taidetaan olla hieman epätoivoisia. Onko muunnellut gravitaatioteoriat nostaneet profiilia viime aikoina?
Itse asiassa pimeän aineen etsimisen suhteen ei yleisesti olla epätoivoisia (toisin kuin mitä tulee uusien hiukkasten löytämiseen kiihdyttimissä), koska ehdokkaita on niin paljon.
Muokatut gravitaatioteoriat pimeän aineen kilpailijoina jatkavat pienellä liekillä. Tuki niille ei ole kasvanut, varmaankin siksi että 1) ei ole yhtäkään muokattua gravitaatioteoriaa joka selittäisi kaikki samat havainnot kuin pimeä aine, ja 2) pimeän aineen ennustukset ovat osuneet hyvin oikeaan.
Viime vuonna XENONin mahdollisesti detektoima aksioni olisi hyvin hedelmällinen löytö. Onko tarkempia eksperimenttejä tiedossa lähivuosina?
Tosiaan, siitähän kirjoitin täällä: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/tonni-tankissa
XENON-ryhmän kokeelta XENONnT odotetaan uusia tuloksia tänä vuonna (tai ehkä ensi vuonna). En tiedä etsivätkö muut tutkimusryhmät samanmassaista aksionia, kaikenlaista erilaisten aksionien metsästystä on kyllä käynnissä.
Onko pohdittu sellaista vaihtoehtoa, että jostain syystä pimeä aine ei pysty ”lokalisoitumaan” — eli jostain syystä tavallisten hiukkasten kyky muuttua tarvittaessa ”aallosta hiukkaseksi” ei koskekaan pimeää ainetta vaan se pysyy (nykyenergioissa) aina aaltomuodossa?
Siinä tapauksessa pimeän aineen hiukkasia etsittäisiin aivan turhaan.
Hiukkaset eivät muutu aallosta hiukkaseksi tai toisinpäin, vaan aalto ja hiukkanen ovat malleja, jotka kuvaavat joissakin olosuhteissa hiukkasten käytöstä. Ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/pikkuhyrrien-kertomaa/
Ymmärsit kysymykseni konkreettisemmin kuin oli minun tarkoitukseni. Kokeillaan uudelleen vähän abstraktimmalla otteella:
Onko pohdittu malleja, joissa pimeän aineen aaltofunktio ei toimi samalla tavalla kuin tavallisen aineen aaltofunktio? Siten se ei vuorovaikuttaisi edes teoriassa millään muulla tavalla kuin gravitaation kautta ja sitä olisi mahdotonta havaita hiukkasilmaisimilla?
Esimerkiksi fermionit ja bosonit käyttäytyvät (osin) eri tavalla koska spin. Ehkä tavallisella ainehiukkasella ja pimeällä ainehiukkasella on jokin kvantittunut opminaisuus, joka estää niitä reagoimasta toisiinsa?
Malleja, joissa pimeä aine vuorovaikuttaa vain gravitaation (ja mahdollisesti muiden yhtä heikkojen) vuorovaikutusten kautta on tutkittu paljon. Tunnetuin esimerkki on supergravitaatioteorioiden gravitiino (gravitonin supersymmetrinen partneri).
taas kerran mielenkiintoinen läpileikkaus kuukauden aiheesta!
Riittääkö kvantti-painoteorian löytäminen selittämään galaksien
rotaation teoreettisen virheellisyyden ja siten sulkisi pois
pimeän aineen olemassaolon tarpeellisuuden tai vähintään muuttaisi asian
hahmotusta tiedeyhteisöissä merkittävästi?
Entä voisiko uusimmalla muon- g -2 löydöllä (mikäli se osoittautuu oikeaksi)
mitään tekemistä pimeän aineen pois rajaamisessa?
Kvanttigravitaatiolla ei ole mitään ilmeistä yhteyttä niihin havaintoihin, joita pimeä aine selittää.
On malleja, joissa myonin magneettisen momentin poikkeama liittyy pimeään aineeseen, mutta useimmissa malleissa näin ei ole.
Litium probleemiin liittyen. Mainitsemasi ”litiumin tuho alaspäin hajoamisena” vanhoissa tähdissä on varmaankin se todennäköisin selitys. Eikö myös ole mahdollista, että osa puuttuvasta litiumista löytyy niistä galaksiytimien muustien aukkojen sylkemistä miljoonaasteisista purkaussuihkujen seittirihmastoista, galaksien välitiloissa, joissa vetykin on ionisoitunut näkymätttömäksi protoniainekseksi. Aikoinaan v. 2018 ilmoitettiin, muistaakseni 20.6:tta, että baryonistakin ”kateissa” ollutta ainetta oli löytynyt se puuttuva kolmannes juuri näistä seiteistä, Tässä Fabrizio Nicastron tukimusryhmässä havainnot paikallistettiin mukana olevien happiatomien perusteella, niissäoli yhä tallella kahdeksasta elektronistaan 2kpl, jotka sitten splittaamalla ytimiensä kanssa antoivat puuttuvat signaalit massojen arvioinneille.
Eikö osa puuttuvaksi arvioidusta BBN – alun nukleosynteesi ainesosuuksista litiumin osalta voisi selittyä näissä korkeissa lämpötioissa näkymättömäksi, eli elektroniensa kanssa splittaamattomaksi, ionisoituneella litiummassalla?
Artikkeli: ”Last of universes missing ordinary matter”/ astrophysics, Fabrizio Nicastro
Mainitsemillasi rakenteilla ei ole mitään tekemistä mustien aukkojen kanssa.
Litium-mittauksissa on kyse sen pitoisuudesta vanhoissa tähdissä. Ajatuksena on ollut, että koska litiumia ei synny missään tunnetuissa prosesseissa, niin vanhojen tähtien syntyessä niiden litium-pitoisuus vastaa alkuperäistä pitoisuutta, koska sitä ei ole vielä ehtinyt tuhoutua. On vaikuttanut siltä, että nämä tähdet eivät myöskään itse tuhoa litiumia, mutta nyt vaikuttaa siltä, että niin kuitenkin saattaa tapahtua.
Tällä ei ole mainitsemiesi rakenteiden kanssa mitään tekemistä.