Läikkä onkalon takana

21.8.2014 klo 23.22, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Toukokuussa kosmologi Fabio Finelli ja kumpp. julkistivat yllättävän tutkimuksen, jonka mukaan ’superonkalo’ (engl. supervoid) selittää miksi kosmisessa mikroaaltotaustassa on kylmä läikkä (engl. cold spot).

Ajattelin kirjoittaa asiasta, koska se on saanut jonkin verran julkisuutta –suurelle yleisölle suunnattu New Scientist –lehti kirjoitti aiheesta heinäkuussa– ja koska yhteistyökumppanini ja minä laitoimme tänään julki artikkelimme, jossa osoitamme, että väite ei pidä paikkaansa. Eräs kollega ehti edelle ja julkisti eilen artikkelinsa, jonka tulos on yhtäpitävä meidän tuloksemme kanssa.

Yritän avata sitä, mistä on kysymys. Usein kysytään, millaista kosmologian tutkimuksen tekeminen on, ja tämä tapaus kenties valaisee asiaa.

Kosminen mikroaaltotausta on eräs tärkeimpiä kosmologisia havaintoja. Se koostuu mikroaalloista, eli näkymättömästä valosta, jotka täyttävät maailmankaikkeuden tasaisesti, niin että niitä matkaa suunnilleen yhtä paljon kaikkiin suuntiin, ja kaikilla on suunnilleen sama energia. Erot ovat vain sadastuhannesosan kokoisia.

Tämä tukee voimakkaasti sitä, että maailmankaikkeus on hyvin samanlainen joka puolella. Galaksit, niiden jakauma ja luonnonlait vaikuttavan olevat samanlaiset lähiympäristössä ja miljardien valovuosien päässä.

Sen lisäksi, että kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ovat pieniä, ne ovat tilastollisesti samanlaisia kaikkialla. Mahdollisia poikkeamia tilastollisesta samanlaisuudesta on etsitty tarkkaan, ja jotkut mahdolliset havainnot joistain erityisistä suunnista nostettiin mikroaaltotaustaa mitanneen Planck-satelliitin merkittävimmiksi tuloksiksi, kun sen data julkistettiin viime vuonna.

Sana ’mahdolliset’ on tärkeä. Koska voimme tehdä mittauksia vain yhdessä maailmankaikkeudessa, ei ole aivan suoraviivaista sanoa, onko se tilastollisesti poikkeuksellinen. Yleensä tilastollisia ominaisuuksia arvioidaan vertaamalla useita havaittuja tapauksia. Esimerkiksi noppia heitetään monta kertaa, jotta saataisiin selville, ovatko ne painotettuja, vai onko todennäköisyys sama kaikille tuloksille.

Koska meillä on vain yksi taivas silmiemme yllä, kosmologiassa tehdään toisin päin. Oletetaan tietty tilastollinen jakauma, lasketaan tietokoneella taivaita, joilla on tämä jakauma ja arvioidaan sitten näyttääkö havaittu taivas tyypilliseltä laskettujen taivaiden joukossa.

Kysymys tyypillisyydestä on jossain määrin mielipidekysymys. Jos heitän kourallisen kolikoita ympäri huonetta ja kysyn sitten, mikä oli todennäköisyys, että kolikot päätyivät juuri niihin paikkoihin mihin ne laskeutuivat, niin jakauma vaikuttaa hyvin epätodennäköiseltä. Samoin, jos huomaan tietyn kasan kolikoita ja kysyn, kuinka usein tällaisia kasoja syntyy, niin vastaus ei välttämättä anna rehellistä kuvaa siitä, onko tulos tyypillinen, koska muilla kerroilla olisi voinut syntyä toisenlaisia kasoja, joita olisin pitänyt yhtä kummallisina.

Eräs eniten huomiota saanut poikkeama mikroaaltotaivaalla on nimeltään kylmä läikkä. Se on iso alue taivaalla, josta tulevat mikroaallot ovat keskimääräistä paljon kylmempiä. Noin yhdestä tietokoneella lasketusta taivaasta tuhannen joukossa löytyy vastaava alue, joten jotkut pitävät sitä epätavallisena. Avainsana on kuitenkin ’vastaava’. Nimestään huolimatta alue ei nimittäin ole poikkeuksellisen kylmä verrattuna tyypillisten taivaiden kylmimpään alueeseen – joku aluehan on aina kylmin. Alueesta tekee poikkeuksellisen se, että kylmää keskustaa ympäröi harvinaisen muotoinen kuuma kehä.

On eri näkemyksiä siitä, onko huomion kiinnittäminen tähän oikeutettua vai ei. Itse en tiedä, miksi olisi syytä etsiä juuri tällaista kehärakennetta. Joissain muissa maailmankaikkeuksissa taivaalla voi sattua olemaan muunlaisia kummallisuuksia.

Monien kosmologien mielestä kylmä läikkä kuitenkin kaipaa selitystä, ja erilaisia vaihtoehtoja on tarjottu. Toukokuussa Finellin ja kumpp. julkistaman artikkelin mukaan läikän takana on kosminen onkalo.

Onkalot ovat alueita, joissa on paljon vähemmän galakseja kuin avaruudessa keskimäärin. Suurin osa maailmankaikkeuden tilavuudesta koostuu onkaloista, joita ympäröivät galakseista koostuvat rihmat ja seinämät. (Max Planck –instituutin sivuilla on aiheesta näyttäviä simulaatioita.)

Koska onkaloissa on keskimääräistä vähemmän ainetta, aineen vetovoima hidastaa niiden laajenemista vähemmän. Tämän takia onkalot laajenevat keskimääräistä nopeammin, joten niiden läpi kulkeva valo venyy enemmän, joten sen lämpötila on pienempi.

Maailmankaikkeudessa on siis onkaloita ja niiden läpi mennyt valo on kylmempää. Tyypillisten onkaloiden vaikutus on kuitenkin niin pieni, että sitä ei pysty erottamaan taivaan sattumanvaraisista vaihteluista.

Kylmän läikän aikaansaamiseen tarvittaisiin onkalo, joka on aivan poikkeuksellisen iso ja syvä. Tämä idea esitettiin jo vuonna 2006. Onkaloiden tyypillinen koko on noin 100 miljoonaa valovuotta, kylmän läikän selittämiseen on ehdotettu kymmenen kertaa isompaa onkaloa, joka on nimetty ’superonkaloksi’.

Isojen onkaloiden löytämisestä raportoidaan aina silloin tällöin, ja aina löydöt eivät pidä paikkaansa. Toukokuussa julkaistiin artikkeli, jossa kerrottiin uskottavasti tällaisen ison onkalon löytymisestä kylmän läikän kohdalta. (Se, että jokin on uskottavaa, ei tarkoita sitä, että se olisi välttämättä totta.)

Finelli ja kumpp. esittivät sitten, että juuri tämä onkalo on vastuussa kylmästä läikästä. Menemättä yksityiskohtiin, vaikka väitetty onkalo olisi olemassa (mikä ei ole epätodennäköistä), sen aiheuttama vaikutus on kuitenkin aivan liian pieni aiheuttaakseen kylmän läikän. Eräs ongelma on se, että onkalo ei ole kovin tyhjä, joten sen laajenemisnopeus ei ole kovin paljon keskimääräistä isompi.

Heti artikkelin tultua julki kollegani Sesh Nadathur, opiskelijani Mikko Lavinto ja minä hahmotimme, että Finellin et al väite on väärin. Otimme mukaan tuttumme Shaun Hotchkissin, joka laski todennäköisyyksiä erilaisten onkaloiden olemassaololle. Muutamassa kuukaudessa kesälomien tahdittamana teimme (minun osuuteni oli varsin vähäinen) laskut ja kirjoitimme tulokset. Osoitimme, että löydetty onkalo ei selitä kylmää läikkää. Mutta se lisäksi laskimme, onkalon selittävän läikä pitäisi olla niin iso ja tyhjä, että sen olemassaolo on epätodennäköisempää kuin se, että läikkä on syntynyt sattumalta.

Tämä on kosmologian arkipäivää: löytyy uusi asia, joka näyttää selittävän jotain aiemmin epäselvää, ja jotkut kiiruhtavat julkistamaan tuloksensa. Muut siten käyvät väitteitä läpi ja varmentavat tai kumoavat ne.

Paljon puhutulla tieteellisten julkaisujen vertaisarvioinnilla on tässä vain pieni rooli. Yhtäkään mainituista artikkeleista ei ole vielä julkaistu. Yksi tai kaksi vertaisarvioijaa eivät ole lainkaan niin tehokkaita totuuden tarkistajia kuin koko kosmologien yhteisö, joten tärkeintä on se, että havainnot ja analyysi ovat kaikkien saatavilla ja syynättävissä.

Tämä on näkynyt myös BICEP2-kokeen kohdalla. Planck-koeryhmän oli määrä julkaista analyysinsä aiheesta elokuuhun mennessä, mutta sitä odotellaan vielä.

Päivitys (22/09/14):  Yhteistyökumppanini Sesh Nadathur ja Shaun Hotchkiss ovat kirjoittaneet aiheesta omissa blogeissaan.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

Voit käyttää näitä HTML-tageja ja attribuutteja: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>