Muuri toisensa jälkeen
Kesäkuussa sanoin blogin kommenteissa kirjoittavani kosmisesta neutriinotaustasta, nyt viimein lunastan lupauksen.
Mistä maailmankaikkeus koostuu? Jos katsotaan energiatiheyttä, niin 70% on (kenties) pimeää energiaa ja 25% pimeää ainetta. Loput 5% on tavallista ainetta, siis protonien ja neutronien muodostamia atomiytimiä sekä elektroneja. Muiden hiukkasten eli fotonien (valohiukkasten) ja neutriinoiden osuus on vain kymmenestuhannesosan luokkaa.
Mutta jos katsotaan massan sijaan lukumäärää, kaikkeus näyttää erilaiselta. Pimeä energia (jos sitä on) tuskin koostuu hiukkasista, ja pimeän aineen hiukkasten (tai isompien klimppien kuten ehkä mustien aukkojen) massaa emme tiedä. Jos keskitytään siihen mitä on niiden lisäksi, niin maailmankaikkeus koostuu lähinnä valosta ja neutriinoista.
Fotoneita ja neutriinoita on noin miljardi kertaa niin paljon kuin elektroneja ja atomiytimiä. Fotoneita on 410 kappaletta per kuutiosenttimetri. Pieni osa niistä on syntynyt tähdissä ja muualla maailmankaikkeuden myöhäisinä aikoina, mutta ylivoimainen enemmistö on muinaista perua.
Maailmankaikkeuden varhaisina aikoina kaikki tuntemamme hiukkaset kimpoavat toisistaan koko ajan. Kun maailmankaikkeus laajenee, hiukkaskeiton tiheys ja lämpötila laskee, ja tämän takia jossain vaiheessa hiukkaset eivät enää törmäile. Valon kohdalla tämä tapahtui maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuoden ikäinen: siitä pitäen fotonit ovat kulkeneet vapaasti.
Nämä vanhat fotonit tunnetaan nimellä kosminen mikroaaltotausta. Ne kantavat paljon tietoa siitä millainen maailmankaikkeus oli 380 000 vuoden iässä ja mitä on tapahtunut sen jälkeen. Kosminen mikroaaltotausta on yksi kosmologian merkittävimpiä havaintokohteita. Koska fotonit poukkoilivat aineesta ennen valon ja aineen irtoamista, maailmankaikkeus oli ennen läpinäkymätön. Kun katsomme kauemmas paikassa näemme varhaisempiin aikoihin, koska valo kulkee äärellisellä nopeudella, mutta 380 000 vuoden iässä vastaan tulee kosminen mikroaaltotausta, jonka taakse ei näe valon avulla.
Neutriinoiden tilanne on toinen. Neutriinot eivät tunne sähkövarauksia, ainoastaan heikon vuorovaikutuksen. Siksi ne lopettivat törmäilemisen muuhun aineeseen paljon varhemmin kuin fotonit: maailmankaikkeudesta tuli neutriinoille läpinäkyvä sekunnin iässä. Siitä pitäen ne ovat matkanneet avaruuden halki ja aineen läpi, ja nämä muinaiset neutriinot tunnetaan nimellä kosminen neutriinotausta.
Neutriinoja on vaikea havaita samasta syystä kuin miksi niiden avulla näkee varhaisiin aikoihin: ne vuorovaikuttavat heikosti pienillä energioilla. Hiukkaskiihdyttimissä on kyllä tuotettu ja mitattu neutriinoita, ja kokeilla kuten etelänavan jään alla sijaitsevalla IceCubella on havaittu avaruudesta tulevia neutriinoita. Näiden neutriinoiden nopeus on hyvin lähellä valonnopeutta ja energia hyvin iso, ja siksi ne vuorovaikuttavat voimakkaammin.
Kosmisen neutriinotaustan neutriinot liikkuvat hitaammin, ja niiden tilanne on sama kuin pimeän aineen: niiden gravitaatiovaikutus on mitattu, mutta yhtäkään hiukkasta ei ole havaittu. Kosmisesta mikroaaltotaustasta voi lukea, kuinka nopeasti avaruus laajeni 380 000 vuoden iässä, ja neutriinojen osuus näkyy siinä selvästi: tuolloin 10% energiatiheydestä oli neutriinoissa. Niiden vaikutus näkyy myös maailmankaikkeuden suuren mittakaavan rakenteessa.
Kosmisen neutriinotaustan havaitsemiseksi suoraan on ehdotettu samantyyppistä koetta kuin millä etsitään pimeää ainetta: seurataan laboratoriossa sopivaa koekappaletta ja katsotaan koska siihen törmää neutriino. Toisin kuin pimeän aineen tapauksessa, tiedämme neutriinojen lukumäärän (340 kuutiosenttimetrissä) ja suunnilleen massankin, eli osaamme sanoa tismalleen mitä niiden havaitsemiseen vaaditaan.
Suunnitellun PTOLEMY-kokeen periaate on yksinkertainen. Tehdään koepala tritiumista (eli aineesta, jonka atomiytimissä on yksi protoni ja kaksi neutronia). Kun tritium-ytimeen törmää neutriino, yksi sen neutroneista muuttuu protoniksi, ja samalla syntyy yksi elektroni. Tuon elektronin voi havaita.
Sen varmistamiseksi, että elektroni on tosiaan syntynyt neutriinon törmäyksessä tarvitaan laite, joka pystyy mittaamaan erittäin pieniä energiaeroja. Ja koska neutriinot vuorovaikuttavat niin heikosti, tritiumia tarvitaan paljon, noin 100 g. Gramma tritiumia maksaa 30 000 euroa, eli 100 g maksaa 3 miljoonaa euroa. Tämä ei ole fysiikan kokeiden budjetissa valtava summa. Tritium on erittäin radioaktiivista, joten sen käsittely suurissa erissä vaatii erityisiä järjestelyitä, kuten myös sen varmistaminen, että ainetta ei joudu harhateille. Tritiumia nimittäin käytetään myös ydinaseissa, noin 4 grammaa yhdessä ydinkärjessä.
Mitä kosmista neutriinotaustaa mittaamalla sitten oppisi? Neutriinoilla ei ole yhtä monimuotoisia vuorovaikutuksia tavallisen aineen kanssa kuin fotoneilla, joten niissä ei ole ääniaaltoja, toisin kuin fotonien ja elektronien keitossa. Siltä osin neutriinotaustassa on vähemmän tietoa.
Mutta neutriinojen massa ei ole nolla, toisin kuin fotonien. Varhaisina aikoina neutriinot liikkuvat lähes valonnopeudella. Avaruuden venyessä niiden nopeus kuitenkin laskee. Jossain vaiheessa neutriinoiden nopeus on pudonnut niin paljon, että ne jäävät galaksien ja muiden tavallisen aineen klimppien gravitaation vangiksi. Niinpä kosmiseen neutriinotaustaan jää rakenteista vahvemmat jäljet kuin kosmiseen mikroaaltotaustaan. Silläkin, että neutriinoja on kolme erilaista jotka muuttuvat toisikseen voi olla kiinnostavia jälkiä.
Yksityiskohtien erottaminen vaatii kuitenkin tarkempia mittauksia kuin pelkkä taustan havaitseminen. Tämä pitää paikkansa myös kosmiselle mikroaaltotaustalle. Se havaittiin vuonna 1965, mutta sen epätasaisuudet erotettiin vasta vuonna 1992. Neutriinotaustan epätasaisuuksien mittaamiseksi pitää havaita enemmän neutriinoita eri suunnista. Koska havaintoaikaa ei voi juuri kasvattaa (tritiumin puoliintumisaika on 12 vuotta, eli se hupenee nopeasti), tritiumia tarvitaan enemmän, peräti 10 kg. Sen hinta nykypäivänä olisi 300 miljoonaa euroa.
Tämä on huomattava osuus koko maailman sotilaallisen käytön ulkopuolella olevasta tritiumista. Jos fuusioreaktorit pääsevät kaupalliseen tuotantoon (mikä on epäselvää), niitä varten tosin pitänee joka tapauksessa valmistaa paljon tritiumia, joten sen hinta saattaa laskea. Selvää kuitenkin on, että kosmisen neutriinotaustan epätasaisuuksien mittaaminen ei ole aivan lähitulevaisuuden hanke, ja siihen ehkä tarvitaan toisenlainen idea ja uutta teknologiaa.
Mutta neutriinotaustan mittaaminen ilman epätasaisuuksiakin avaisi meille suoran näkymän sekunnin ikäiseen maailmankaikkeuteen, ja saisimme täsmällisen mittauksen neutriinoiden lukumäärästä. Neutriinot ovat hiukkasfysiikan Standardimallin huonoimmin tunnettu osa, ja niillä voi olla yllätyksiä hihassaan.
Neutriinojen avulla näkee ohi kosmisen mikroaaltotaustan muurin, mutta niillä tulee muuri vastaan sekunnin kohdalla. Voiko sen läpi päästä – eli voimmeko nähdä ensimmäistä sekuntia varhaisempiin aikoihin? Tunnetuista hiukkasista neutriinojen vuorovaikutukset ovat heikoimpia, eli ne pääsevät ensimmäiseksi matkaamaan vapaasti. Mutta syvemmälle menneisyyteen voi nähdä mittaamalla kosmisen gravitaatioaaltotaustan.
Gravitaatioaallot vuorovaikuttavat niin heikosti, että ne matkaavat meille esteettä maailmankaikkeuden koko historian ajalta, aina teorioidemme rajalle asti. Vastaavasti kosmisen gravitaatioaaltotaustan suora havaitseminen on vielä vaikeampaa kuin kosmisen neutriinotaustan: siihen tuskin pystytään millään tällä hetkellä nähtävissä olevassa teknologialla.
Kosmisen gravitaatioaaltotaustan voi kuitenkin kenties havaita epäsuorasti, kuten kosmiselle neutriinotaustalle on jo tehty. Toistaiseksi tässä ei ole onnistuttu, yrityksistä huolimatta, mutta se on yksi nykyisten ja seuraavan sukupolven kosmisen mikroaaltotaustan kokeiden tärkeimmistä tavoitteista.
Hyvin avattu hankala asia. Tack!
Onko NANOgravin tulokset osoittautumassa muuksi kenttäheilahteluksi kuin kosmologiseksi gravitaatioaaltotaustaksi? Voisiko neutriinotaustan aiheeseen saada jotain verrannollista ymmärtystä samalla, kun gravitaatioaallokon kokonaiskuva tarkentuu?
NANOGRavin ja muiden pulsarien ajoitusmittauksista kerätty lisädata on vahvistanut sitä, että kyseessä ovat gravitaatioaallot. Vaikka tilastollinen merkitys ei vielä ole löydön tasolla, yleisesti ollaan sitä mieltä että kyseessä ovat gravitaatioaallot, eikä ole muuta hyvää ehdokasta.
Neutriinotaustaa nämä havainnot eivät anna mitään valaistusta.
Tarkoitin kenttäheilahteluilla juurikin garvitaatioaaltoja ainejakaumamuutoksista, eli sitä, että lopulta riittävä seuranta ei jätä käytännöllistä isotrooppista kontribuutiota, vaan kaikille signaaliprofiileille pätee anisotropia, kunhan vain seurataan tarpeeksi kauan, mikä tarkoittaa, ettei kyse ole primordiaalisesta taustasta vaan kosmisista alueellisista lähteistä.
Eikö muutokset yhä suuremmissa mittakaavoissa ole niin hitaita seurattavia, että isotrooppisuuden vaatimuksesta on mahdoton saada lyhyillä seurannoilla varmuutta? Toive lienee asetettukin tunnistettavaan spektrimuotoon, mikä sekin lienee pitkälti arvoitus (siis juuri se mitä selvitetään uudeksi tiedoksi), mutta eLISA ja vastaavat tarkemmat mittarit voisivat tuottaa spektreille allekirjoituksia ja poissulkemalla kosmisia muita lähteitä lopulta voisi jäljelle jäädä tutkimustulos alkuvaiheen gravitationaalisista heilahteluista. Olenko ymmärtänyt oikein?
Tässä yhteydessä signaalia kutsutaan taustaksi (kosminen mikroaalto-, kosminen neutriino-, kosminen gravitaatioaalto-) jos siitä ei pystytä erottamaan yksittäisiä lähteitä, ainoastaan monen lähteen summa. Tämä on eri asia kuin se, onko siinä havaittavia epätasaisuuksia.
Luultavin selitys pulsarien ajoitusmittausten tuloksille on galaksien keskustoissa olevat mustien aukkojen parit. (Pulsarien on mahdollista havaita myös yksittäisiä lähteitä, mutta toistaiseksi niin ei ole tehty.)
Myös erilaisia varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumia on esitetty selitykseksi. Niistä ei pystyisi erottamaan yksittäisiä lähteitä, ainoastaan useiden lähteiden summan.
Jos pimeän ja tavallisen aineen määrät on säilyneet mikroaaltotaustan ajakohdasta nykyisyyteen niin kuinka neutriinoiden osuus energiatiheydestä on voinut muuttua noin paljon?
Pelkkä pimeän energian kokonaismäärän muutos ei vaikuttaisi selittävän asiaa ja ilman sitä tilavuuden muutos ei vaikuta osuuksiin.
Hyvä kysymys! Tämän olisinkin voinut selittää.
Kaikkien hiukkasten liikemäärä laskeaa kääntäen verrannollisesti siihen, miten avaruus laajenee.
Silloin kun liikemäärä on paljon isompi kuin hiukkasen massa (jolloin hiukkanen liikkuu lähes valonnopeudella – massattomien hiukkasten tapauksessa tismalleen valonnopeudella), hiukkasen energia on suunnilleen (massattomien hiukkasten tapauksessa tismalleen) sama kuin liikemäärä. Eli tällöin hiukkasen energia laskee kääntäen verrannollisesti avaruuden laajenemiseen.
Jos hiukkasen liikemäärä on paljon pienempi kuin sen massa, niin sen energia on suunnilleen sama kuin massa, eli avaruuden laajeneminen ei vaikuta energiaan.
Silloin kuin neutriinot erosivat aineesta (ja vielä kosmisen mikroaaltotausta muodostuessa) niiden liikemäärä oli pajon isompi kuin massa. Toisin sanoen niiden laski maailmankaikkeuden laajentuessa. Nykypäivänä ainakin kahden kolmesta neutriinosta massa on isompi kuin liikemäärä, eli niiden ja tavallisen aineen energiatiheyden suhde ei enää muutu.
Neutriinoiden liikemäärähän vähenee lineaarisesti avaruuden laajetessa. Neutriinoiden osuus sekunnin ikäisen maailmankaikkeuden energiatiheydestä ei varmaankaan ole ollut yli 10%, joten olisiko myös maailmankaikkeuden termodynamiikka välttämätöntä huomioida osuuden kehityskaaren tarkastelussa? Lämpöenergiahan heikkenee suhteessa tilavuuteen joten neutriinoiden osuus sekunnin ikäisen kuuman maailmankaikkeuden energiatiheydestä on voinut olla nykyisen luokkaa mutta välillä huomattavasti korkeampi johtuen lämpöenergian ja neutriinoiden liikemäärän erilaisista vähenemiskäyristä?
Kaikilla hiukkaslajeilla, jotka ovat lämpötasapainossa (kuten neutriinot ennen 1 s ja fotonit ennen 380 000 v) on lämpötila ja sen määrittämä energia. Hiukkasten, joiden massa on pieni suhteessa liikemäärään (joka on suunnilleen sama kuin lämpötila) lämpötila ja energia laskee kääntäen verrannollisesti suhteessa avaruuden pituuksien venymiseen. Ei siis siis kääntäen verrannollisesti tilavuuteen.
Oliko ”laskee kääntäen verrannollisesti” oikein, eikö pitäisi olla suoraan?
Olin varmaan epätarkka kysymyksessäni, lauseella ”Lämpöenergiahan heikkenee suhteessa tilavuuteen” oli tarkoitus viitata lämpötilaan kaasun tilanyhtälön mielessä maailmankaikkeuden energiatiheyteen liittyen, ei yksityisten hiukkasten liikemäärään/lämpötilaan liittyen.
Askarruttamaan jäi edelleen miten arvio neutriinojen 10% osuudesta maailmankaikkeuden 380 000 vuoden iän energiatiheydestä on syntynyt. Onko kyse tulkinnasta kosmisesta mikroaaltotaustan perusteella vai teoreettisesta laskemasta avaruuden laajemiseen perustuen, ja miten esim. pimeän aineen osuus energiatiheydestä on arvioitu. 10% kun tuntuu poskettoman isolta.
Jos pimeä aine koostuu hiukkasista niin olisiko ne purskahtaneet neutriinoiden ja fotoneiden tavoin jossakin laajemisvaiheessa?
Jos lämpötila on T ja maailmankaikkeuden skaalatekijä on a (eli kun a tuplaantuu, niin pituudet tuplaantuvat), niin T on verrannollinen tekijään 1/a.
Lämpötasapainossa on vain yksi lämpötila, ei ole mitään erillisiä kaasun ja sen koostavien hiukkasten lämpötiloja. Ei tästä sen enempää.
Neutriinojen osuus on mitattu kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksista sekä kevyiden alkuaineiden pitoisuuksista (joihin niiden osuus yhden sekunnin aikaan – tuolloin noin puolet kokonaisenergiatiheydestä- vaikuttaa).
En ymmärrä, mitä tarkoitat purskahtamisella.
Neutriinoiden osuuden kehitys laajenevan maailmankaikkeuden energiatiheydestä jäi suurelta osin auki, ja myös missä määrin maailmankaikkeuden lämpötila noudataa kaasun tilayhtälöä. Lauseesi ”maailmankaikkeus laajenee, hiukkaskeiton tiheys ja lämpötila laskee” vaikuttaisis viittaavan samankaltaisuuteen.
Purskahdusella tarkoitin hetkiä josta pitäen hiukkaset (neutriinot, fotonit) ovat kulkeneet vapaasti, liittyi kysymykseen olisiko pimeän aineen (mahdollisilla) hiukkasilla voinut myös olla sellainen?
Pimeän aineen vuorovaikutukset riippuvat pimeän aineen mallista. Joissakin malleissa pimeä aine ei ole koskaan ollut kytköksissä tavalliseen aineeseen muuten kuin gravitaation kautta, toisissa se on jossain vaiheessa irronnut tavallisesta aineesta neutriinojen tapaan. Mutta koska pimeä aine liikkuu hitaasti, se klimppiytyy tehokkaammin kuin neutriinot, ja siksi gravitaatiolla on sen jakaumaan paljon isompi vaikutus kuin neutriinoiden jakaumaan.
Muistutus, että blogin kommenttiosio ei ole paikka omien fysiikan teorioiden esittelemiseen.
Mutta voisiko Dr. Räsänen joskus kirjoittaa muutaman sanaisen emergenttisestä aika-avaruudesta, se kun tuntuu olevan nykyään ns. ”hot topic” – etenkin kun säieteoria on pudonnut loistostaan. Itse innostuin asiasta todenteolla, kun luin Enqvistin kirjan Kangastuksia varjojen talossa Luvun 28. Itse en toki kykene esittämään mitään uusia teorioita, mutta näin uteliaan aikalaisen roolissa haluan seurata digitaalisen fysiikan esiinmarssia.
Säieteoriassakin aika-avaruutemme on tavallaan emergentti, aiheesta lisää, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/aika-avaruuden-atomit/