Raportteja edistyksestä
Olin viime viikolla kahdessa ranskalaisessa konferenssissa, tässä niistä joitakin poimintoja. Alkuviikosta oli Ranskan gravitaatioaaltotutkijoiden vuosittainen tapaaminen. Vuonna 2016 julkistettu ensimmäinen suora havainto gravitaatioaalloista aloitti uuden aikakauden tähtitieteessä ja kosmologiassa, ja Ranskassa tutkitaan niitä paljon.
Konferenssi oli jaettu osiin, missä työryhmät raportoivat edistyksestä kullakin suunnalla. Tämä on järjestelmällisempää kuin kosmologian konferensseissa, joissa yleensä käyn, missä teoreetikot kuten minä kertovat kaikenlaisista ideoista. Yksi työryhmien aihe oli pitkät ja huolelliset laskut kappaleiden välisestä gravitaatiosta, mistä kirjoitin viime kuussa, ja joita tarvitaan gravitaatioaaltohavaintojen tulkitsemiseen. Työ muistuttaa kokeellisen hiukkasfysiikan tueksi tehtyjä laskuja monimutkaisuuden ja huolellisuuden puolesta. Puhuin itse varhaisessa vaiheessa olevasta ja vähemmän täsmällisistä laskuista siitä miten hiukkaset vaikuttavat gravitaatioaaltojen kulkuun (olen aiemmin käsitellyt niiden vaikutusta valon kulkuun)
Raportit pitkistä laskuista ja vaaditusta tarkkuudesta tuovat mieleen sen, miten ennen tietokoneita laskettiin planeettojen ratoja käsin palanen kerrallaan. (Monet näitä keskeisiä laskuja tehneistä tutkijoista olivat naisia, joita ei sukupuolensa takia päästetty korkeampiin asemiin.) Kenties tulevaisuudessa myös tarkempien korjausten laskeminen hiukkasfysiikassa yleisessä suhteellisuusteoriassa pystytään automatisoimaan, kuten ratalaskut nykyään.
Myös mahdollisten signaalien ennustamisessa on vielä paljon työtä. Yksi viime vuosien suuria uutisia on se, että pulsareiden avulla on (luultavasti) havaittu gravitaatioaaltoja, joiden lähteestä ei ole varmuutta. Suoraviivaisin selitys on galaksien keskustoissa toisiaan kiertävät jättimäiset mustat aukot – kertoo jotain ymmärryksemme laajuudesta, että tämä on arkisin selitys. Muitakin mahdollisuuksia, kuten kosmisia säikeitä, on ehdotettu. Mutta sen perusteella, mitä konferenssissa kerrottiin signaalin analysoimisesta ja siinä vielä olevista epävarmuuksista, tällaiset signaalin tulkinnat vaikuttavat ennenaikaisilta. Pian asiasta saataneen tarkka selko.
Kokeellisten löytöjen takana on monien tutkimusryhmien huolellinen työ, eikä ole selvää mihin suuntaan mennään. Tiede ei etene yksinkertaista kysymys-vastaus-polkua pitkin, vaan matka haarautuu eri suuntiin.
Mustien aukkojen lisäksi neutronitähdet ovat toinen kohde, joiden törmäysten lähettämiä aaltoja on havaittu. Gravitaatioaaltojen avulla saadaan tietoa neutronitähtien rakenteesta, mutta sen mallintaminen on vaativaa puuhaa, eikä niiden eri kerroksista ole vieläkään varmuutta. Aihetta tutkitaan aktiivisesti myös Helsingissä. Neutronitähtien ymmärtämiseksi tarvitaan parempia mittauksia ja ymmärrystä ydinfysiikasta. Tämä on hieman huvittavaa, koska jonkun aikaa sitten teoreettista ydinfysiikkaa pidettiin jokseenkin kuolleena alana (tai alana, josta vakuutellaan, että se ei ole kuollut, mikä on sama asia), mutta nyt sitä taas tarvitaan tutkimuksen eturintamassa.
Yksi lähde, jonka gravitaatioaaltoja ei ole vielä havaittu, on supernovien räjähdykset. Supernovat ovat tähtiä, jotka elämänsä loppuvaiheessa romahtavat joko polttoaineen loputtua tai siksi, että naapuritähdestä virtaa niihin liikaa ainetta. Ne ovat kosmologiassa tärkeitä. Supernovat ovat antaneet yhden avaintodisteista maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisestä, ja ovat pääroolissa uusimmassa kosmologian kiistassa laajenemisnopeudesta. Noin 99% räjähdyksen energiasta vapautuu neutriinoina, prosentti valona ja sadasmiljoonasosa gravitaatioaaltoina. Tähtäimessä on tuon tuhannesmiljoonasosan havaitseminen, mutta tätä romahduksesta syntyvää signaalia ymmärretään toistaiseksi huonommin kuin mustien aukkojen törmäysten synnyttämiä gravitaatioaaltoja.
Vaikka kaikki kosmologian tutkimus on kansainvälistä, Ranskan tiedeyhteisö on niin iso, että se voi olla myös hieman sisäänpäin lämpiävä. Esimerkiksi yksi puhuja harmitteli, että neutronitähdissä tarvittavia ydinfysiikan mittauksia ei tehdä Ranskassa ollenkaan. Suomessa on selvää, että kansainvälisyys on edistyksen avain, ja vastaava tapaaminen ei olisi vain Suomen vaan kaikkien pohjoismaiden (ja Baltian maiden) kesken, millaisia olemmekin järjestäneet.
Viikon loppupuolella oli Ranskan gravitaatio- ja kosmologiatutkijoiden tapaaminen. Sielläkin mustat aukot ja gravitaatioaallot olivat paljon esillä, mutta näkökulma oli laajempi, ja mukana oli useita ideoita, joiden merkitys ei ole vielä selvä.
Yksi näistä on vaihtoehdot mustille aukoille. Nyt kun on sekä gravitaatioaaltojen että sähkömagneettisten aaltojen avulla yhä enemmän havaintoja mustista aukoista, tutkitaan yhä enemmän sitä, ovat ne todella sellaisia kuin mitä suhteellisuusteoria ennustaa – vai voisiko havainnot selittää jollain muilla kappaleilla.
Stephen Hawkingin yksi keskeinen saavutus oli maailmankaikkeuden alun selittäminen teoriassa, missä koko aika-avaruutta käsitellään kvanttifysiikan keinoin. Kuten Hawkingin muistokirjoituksessa mainitsin, ideaa ei ole varmennettu, eikä se ole päätynyt osaksi fyysikkojen työkalupakkia, osittain siksi että yhteys havaintoihin on puuttunut. Konferenssissa kerrottiin, että Hawkingin idean taustalla olevaa tapaa käsitellä aika-avaruutta on nyt sovellettu kosmiseen inflaatioon. Yleensä inflaatiossa käsitellään kvanttifysiikan keinoin vain pieniä värähtelyjä, eikä ole selvää onko oikein tehdä niin koko aika-avaruudelle. Yhdistämällä idea inflaatioon sitä voidaan verrata kosmisen mikroaaltotaustan ja ison mittakaavan rakenteen havainnoilla.
Hawkingin varmaankin merkittävin tieteellinen saavutus oli ennustus siitä, että mustat aukot säteilevät. Tämä Hawkingin säteily on liian heikkoa, jotta sitä pystyttäisiin mittaamaan todellisista mustista aukoista (ellei sitten pienistä muinaisista – jos niitä on olemassa). Mutta nesteissä on samanlaisia ilmiöitä kuin mustissa aukoissa. Jos neste virtaa nopeammin kuin mitä ääniaallot siinä kulkevat, ääni voi liikkua vain yhteen suuntaan. Tämä muistuttaa mustan aukon tapahtumahorisonttia, mistä voi kulkea vain sisään mutta ei tulla ulos. Tässäkin tapauksessa esiintyy Hawkingin säteilyä, joka on onnistuttu mittaamaan. Myös muita mustiin aukkoihin ja niille esitettyihin vaihtoehtoihin liittyviä ilmiöitä luodataan laboratoriokokeissa nesteiden avulla tavoilla mitä ei mustien aukkojen osalta ole mahdollista tehdä.
Menneisyydessä hiukkasfyysikkojen/kosmologien ja kiinteän olomuodon fyysikoiden (nimi kattaa myös nesteiden tutkimisen) välillä on ollut vastakkainasettelua, mutta yhteistyö yli rajojen kertoo kosmologian terveydestä ja kehityksestä. Hiukkasfysiikassa vuosikymmenten aikana saavutettu teoreettinen hienostuneisuus on jo tuotu kosmologiaan monien tutkijoiden siirryttyä kokeellisesti kuivuvalta alalta uusia havaintoja pursuavalle kentälle. Yhteistyö kiinteän olomuodon fyysikoiden kanssa on uudempaa, ja kosmologeilla lienee heiltä paljon opittavaa.
Konferenssissa huomasin myös miten vanhat tutut, jotka tekivät aiemmin teoreettista tutkimusta ovat siirtyneet lähemmäs havaintoja. Yksi syy on se, että havaintojen analysointiin ja siihen käytettävien matemaattisten työkalujen valmistamiseen tarvitaan paljon tutkijoita eli siinä on työpaikkoja. Mutta lisäksi havainnot tarjoavat uusia kiinnostavia ongelmia, joita määrittävät havainnot, eivät teoreetikkojen muotivirtaukset.
Kiinnostaisi tietää, mikä on näiden monimutkaisten laskujen automatisoimisen esteenä. Eikö vielä tiedetä, miten ne olisi tarkalleen laskettava?
En tunne niiden yksityiskohtia. Mutta laskujen (tai laskujen osien) kirjoittaminen algoritmiksi, jonka kone voi suorittaa vaatii erilaista lähestymistapaa kuin niiden laskeminen käsin. Täytyy myös etukäteen tietää, minkälaisia laskun osia tulee eteen, jotta ne voi automatisoida. Hiukkasfysiikassa ollaan tässä pidemmällä.