Taivutusmuotoja
Vuonna 1915 löydetty yleinen suhteellisuusteoria kertoo, miten aine kaareuttaa aika-avaruutta ja miten aika-avaruuden kaarevuus vaikuttaa aineen liikkeeseen. Esimerkkinä tästä Aurinko saa Maan kiertämään ympyrää ja kääntää valonsäteitä.
Se, että massat vetävät toisiaan puoleensa oli tiedetty 1600-luvulta asti, mutta valon taipuminen gravitaation takia oli uusi ilmiö. Siitä tuli yleisen suhteellisuusteorian ensimmäinen kokeellisesti varmennettu ennustus, kun vuonna 1919 havaittiin, että Aurinko muuttaa tähtien paikkaa taivaalla.
Tästä aikanaan vallankumouksellisesta ja vaikeasti mitattavasta gravitaatiolinssi-ilmiöstä on sadan vuoden kuluessa tullut arkinen työkalu. Huhtikuussa julkistetussa artikkelissa sitä on sovellettu kosmologian tämän hetken suurimpaan kysymykseen: kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee?
Kaikki kappaleet taivuttavat valoa, mutta koska ilmiö on heikko, tarvitaan paljon massaa, jotta se olisi mitattavissa. Aurinko muuttaa tähtien paikkoja taivaalla vain korkeintaan asteen kahdestuhannesosan verran. Mutta kun katsoo kosmologisilta etäisyyksiltä tulevaa valoa, niin meidän ja kohteen välissä on valtavasti massaa: galakseja, galaksiryppäitä ja muita rakenteita. Niiden vaikutus galaksien kuviin taivaalla on yksi Euroopan avaruusjärjestö ESAn Euclid-satelliitin kahdesta mittauskohteesta.
Mutta on vielä kaukaisempaa valoa: vanhin valo, jonka voimme nähdä on kosminen mikroaaltotausta. Se lähti matkaan kun maailmankaikkeus oli 380 000 vuotta vanha, 14 miljardia vuotta sitten. Galaksit ja muut rakenteet taivuttavat sen valonsäteitä asteen kolmaskymmenesosan verran.
Ilmiötä voi hahmottaa ajattelemalla kosmista mikroaaltotaustaa pikseleistä koostuvana kuvana. Gravitaatiolinssit siirtävät kaikkia pikseleitä sattumanvaraisesti lyhyen matkan. Tämä muuttaa kuvan muotoja sumentamalla pienet yksityiskohdat, mutta jättää isot piirteet ennalleen.
ESA:n Planck-satelliitti on tehnyt tarkimman mittauksen kosmisesta mikroaaltotaustasta koko taivaan täydeltä. Maanpäälliset teleskoopit ovat kuitenkin pistäneet paremmaksi pienissä osissa taivasta, vaikka eivät voi nähdä koko taivaankantta, koska Maa on tiellä. Chilessä sijaitseva Atacama Cosmology Telescope (ACT) on mitannut 23% ja Etelämantereelle rakennettu South Pole Telescope – 3G (SPT-3G) puolestaan 3.5% taivaasta.
Huhtikuussa julkistettiin uudet tulokset, missä näiden kolmen laitteen mittaukset kosmisen mikroaaltotaustan sumentumisesta valon taipumisen takia on pantu yhteen. Niistä on määritetty entistä tarkemmin se, paljonko ainetta meidän ja kosmisen mikroaaltotaustan lähtökohdan välissä on ja miten se on jakautunut.
Aineen jakaumaa voi mitata suoraankin: Euclidin toinen mittauskohde gravitaatiolinssi-ilmiön lisäksi on galaksien paikkojen määrittäminen, ja muut kokeet ovat tehneet sitä jo vuosikymmeniä, viimeisimpänä DESI–teleskooppi.
Kosmologiassa on kuitenkin ensiarvoisen tärkeää mitata samaa asiaa eri tavoilla, koska silloin on mahdollista tutkia havaintokohteiden lisäksi niiden analysoimisessa tehtyjä oletuksia. Jos havainnot eroavat toisistaan, niin jokin oletus (tai havainto) on väärin. Vertaamalla useita havaintoja voidaan erotella, mitkä oletukset sopivat yhteen ja mitkä eivät kuulu joukkoon.
Tämä on osoittautunut hedelmällisimmäksi tavaksi lähestyä kosmologian tämän hetken suurinta ristiriitaa, eli erilaisia tuloksia sille, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee.
Maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta voi mitata suoraan katsomalla, miten nopeasti läheiset (eli jokusen sadan miljoonan valovuoden päässä olevat) olevat galaksit etääntyvät meistä. Sitä voi toisaalta mitata epäsuoraan esimerkiksi kosmisesta mikroaaltotaustasta: maailmankaikkeuden laajenemisnopeus vaikuttaa siihen, miltä mikroaaltotaustan täplät näyttävät. Suora mittaus antaa isomman arvon laajenemisnopeudelle kuin kosminen mikroaaltotausta. Tulos on tilastollisesti erittäin merkittävä.
Planckin, ACT:in ja SPT-3G:n uusi tulos tukee näitä aiempia kosmiseen mikroaaltotaustaan liittyviä mittauksia laajenemisnopeudesta. Se on niistä riippumaton, koska se perustuu meidän ja valon lähtökohdan välisen massajakauman mittaamiseen gravitaatiolinssi-ilmiön avulla. Yleensä kosmisen mikroaaltotaustan analyysissä sen sijaan keskitytään siihen, mitä sen syntyessä tapahtui. Samaan tapaan katsomalla Aurinkoa voi saada tietoa sekä siitä, mitä Auringon pinnalla tapahtui valon lähtiessä sieltä liikkeelle, että siitä, mitä meidän ja Auringon välissä on, esimerkiksi sen kautta miten ilmakehä vaikuttaa siihen miltä Aurinko näyttää. Uusi tulos on yhteensopiva myös aiempien tulosten kanssa, missä maailmankaikkeuden laajenemisnopeus on määritelty galaksien ison mittakaavan rakenteesta.
Suora mittaustulos läheisten galaksien etääntymisnopeudesta on yhä enemmän yksin, kun yhä useampi menetelmä antaa pienemmän arvon. Tämä voi viitata siihen, että sen tulkinnassa käytetyissä oletuksissa on jokin iso virhe.
Sopivaa muutosta kosmologiseen teoriaan, joka saisi tulokset sopimaan yhteen ei ole löytynyt (vaikka yritystä teoreetikoilta ei ole puuttunut). Vaakakuppi on nyt painunut hieman enemmän sen puolelle, että kyse on virheestä havaintojen tulkinnassa, mutta tiukasta syynistä huolimatta sellaista ei ole löydetty, joten ongelma odottaa vielä ratkaisua.
mitä mieltä olette tästä artikkelista; https://arxiv.org/pdf/2412.05979
erityisesti kohdista 2 & 3 joissa; ”aika määräytyy kvantti-tapahtumista” ja ”avaruus muodostuu lomittuneisuuksista” , eli nämä olisivat emergenttejä ilmiöitä?
Informaatiopohjaisia tulkintoja kvanttimekaniikasta on esitetty aiemminkin, en ole niihin perehtynyt kui pintapuolisesti. Kun ei liity merkinnän aiheeseen, ei tästä enempää.
Läheisiin galakseihin liityvän mittaustiedon voisi ajatella kuvaavan nykytilannetta kun kosmiseen mikroaaltotaustaan liittyvät mittaukset sisältävät tietoa pidemmältä aikajaksolta. Voiko mittausten ero liittyä laajenemisnopeuden muutokseen?
Maailmankaikkeuden laajenemisnopeus on tosiaan muuttunut paljon sen jälkeen kun kosminen mikroaaltotausta lähti liikkeelle (se on pienentynyt tekijällä 20 000). Kosmiseen mikroaaltotaustaan vaikuttaa laajenemisnopeuden historia koko ajalta sen syntymisen jälkeen. Nykyisen laajenemisnopeuden määrittäminen siitä siis riippuu oletuksista siitä, miten maailmakaikkeus tarkalleen laajenee.
Sen sijaan läheisistä supernovista laajenemisnopeuden saa mitattua ilman tällaisia oletuksia (tai oikeammin hyvin vähäisillä oletuksilla), mutta siinä on mukana oletuksia supernovista ja niiden etäisyyden määritykseen liittyvästä astrofysiikasta.
Kuinka monesta muuttujasta paikallisen laajenemisnopeuden arvellaan riippuvan? Voisiko laajenemisprobleeman ratkaista epäsuorasti esittelemällä jonkin uuden ilmiön ja sitä vastaavan justeerausparametrin?
Hyvinkin.
Läheltä suoraan mitattu laajenemisnopeus riippuu muutamasta supernovia sekä niiden etäisyyden määrittämiseen käytettyjä kefeiditähtiä kuvaavasta parametrista. Jos näitä parametreja on enemmän, eli supernovien ja kefeiden fysiikka on luultua monimutkaisempaa, niin tämä voisi muuttaa tuloksen laajenemisnopeudesta.
Laajenemisnopeuden määrittäminen mikroaaltotaustasta riippuu noin viidestä kosmologisesta parametrista, jotka myös määritetään samasta datasta. Jos maailmankaikkeuden laajenemishistoria on odotettua monimutkaisempi, niin tämä voisi muuttaa tuloksen laajenemisnopeudesta.
Mutta toistaiseksi kukaan ei ole esittänyt vakuuttavaa mallia kummallekaan.
Jos maailmankaikkeuden geometria määräytyy aineen tiheyden ja laajenemisnopeuden avulla, niin voisiko geometrian tai tiheyden postuloida sellaisiksi, että mikroaaltotaustan ja supernovien avulla tehdyt laajenemisnopeuden arviot täsmäisivät? Voisiko esim. näkymättömän kaukana ilmenevä positiivinen/negatiivinen kaarevuus hidastaa mikroaaltotaustan kautta määritettyä laajenemisnopeutta?
Ongelmana on se, että muutoksen pitäisi sopia yhteen myös muiden havaintojen kanssa. Ja jotta selitys olisi uskottava, sen pitäisi olla jotenkin mielekäs tunnettujen (tai tutkijoiden keksimien) fysiikan lakien puitteissa.
Kiitos vastauksesta. Mutta mikä on Dr. Räsäsen mielipide pyörivän maailmankaikkeuden mahdollisuudesta? Jos alkutila on voinut olla vähän millainen vain, niin eikö myös jonkinlainen pyöriminen olisi enemmän kuin todennäköistä? Näin insinöörinä tuntuu filosofisesti vakuuttavammalta esittää selitys tunnetun fysiikan puitteissa, eikä esittää uusia, eksoottisen pimeitä vaihtoehtoja. Btw., taannoisessa blogimerkinnässä oli puhetta aineen suuremmasta tiheydestä yhdessä suunnassa, joten voisiko se selittyä pyörimisen ja siten tangenttikiihtyvyyden avulla?
Pyörivän maailmankaikkeuden ja laajenemisprobleeman yhdistäminen lienee varsin uusi idea: https://www.universetoday.com/articles/an-interesting-solution-to-the-hubble-tension-the-universe-is-slowly-spinning
Tunnettu fysiikka ei saa aikaan pyörimistä isossa mittakaavassa, se edellyttää uutta fysiikkaa, ja vieläpä eksoottista sellaista. Maailmankaikkeuden pyörimistä on kyllä mietitty ja mitattu vuosikymmeniä.
Kyseinen tutkimus ei ole varteenotettava (siinä ei tarkastella yleistä suhteellisuusteoriaa vaan newtonin teoriaa, eikä soviteta mallia havaintoihin).