Kun katsoo taivaalle, maailmankaikkeus näyttää hyvin samanlaiselta kaikissa suunnissa ja joka paikassa. Erityisesti se, että kosmisen mikroaaltotaustan lämpötila on sadastuhannesosan tarkkuudella sama kaikissa suunnissa osoittaa, että maailmankaikkeus on hyvin tasainen.
Niinpä kosmologisia havaintoja analysoidaan sellaisen mallin puitteissa, joka on täysin samanlainen joka suunnassa ja joka paikassa, laajenee vain ajan myötä. Sisällöksi otetaan tunnetun aineen (atomiytimet, elektronit, neutriinot ja fotonit) lisäksi pimeää ainetta. (Pimeä aine on kosmologian kannalta muuten samanlaista kuin tavallinen aine, mutta vuorovaikuttaa valon kanssa erittäin heikosti, ja on siksi näkymätöntä.) Laajenemisnopeuden ja ainesisällön liittää toisiinsa yleinen suhteellisuusteoria.
Näistä lähtökohdista saadaan selville, että laajeneminen hidastuu. Koska kiihtyvää laajenemista osoittavien havaintojen paikkansapitävyys on kiistämätön, teoriassa on jotain väärin. Pitää valita kolmesta vaihtoehdosta: on olemassa jotain eksoottista ainetta joka aiheuttaa kiihtyvän laajenemisen, yleinen suhteellisuusteoria ei pädekään suurilla etäisyyksillä, tai maailmankaikkeus ei ole samanlainen joka suunnassa ja paikassa.
Pimeä energia
Suosituin vaihtoehto kosmologien keskuudessa on ainesisällön muuttaminen. On helppo ymmärtää, miksi kaikki tavallinen aine johtaa hidastuvaan laajenemiseen. Newtonin gravitaatioteorian mukaan massat vetävät toisiaan puoleensa. Maailmankaikkeutta voi verrata laajenevaan pölypilveen: sen osat vetävät toisiaan puoleensa ja jarruttavat laajenemista.
Yleisessä suhteellisuusteoriassa tilanne on hieman monimutkaisempi. Gravitaatioon vaikuttavat massan lisäksi myös aineen muut ominaisuudet, kuten paine, pyörimisnopeus ja niin edelleen. Tavallisen aineen paine on paljon pienempi kuin massatiheys (minkä takia Newtonian teoria toimii aurinkokunnassa niin hyvin). Mutta jos olisi eksoottista ainetta, jolla on valtava paine, joka olisi vielä negatiivinen, niin sen painovoima olisi hylkivää. (En aio selittää tarkemmin, mitä negatiivinen paine tarkoittaa, mutta todettakoon että tavallisen aineen paine on aina positiivinen.) Jos aine täyttäisi koko maailmankaikkeuden tasaisesti, ja sen paine olisi isompi kuin tavallisen aineen massatiheys, niin kiihtyvä laajeneminen olisi selitetty.
Tällaiselle hypoteettiselle aineelle on annettu nimi pimeä energia. Pimeä siksi, että sitä ei ole suoraan nähty, joten sen täytyy vuorovaikuttaa valon kanssa heikosti. Energia siksi, että nimitys “pimeä aine” oli jo varattu. (Osuvampi nimitys olisi kyllä “pimeä paine”.)
On osoittautunut vaikeaksi ymmärtää, mitä pimeä energia oikein voisi olla. On esitetty tusinoittain toinen toistaan kummallisempia vaihtoehtoja, mutta vakuuttavia kandidaatteja on vain yksi. Hiukkasfysiikan teorioiden mukaan tyhjälläkin tilalla on energiaa. Tyhjän tilan energiatiheyteen liittyvä paine on negatiivinen, ja voisi selittää havainnot. Asiaan liittyy kuitenkin merkittävä ongelma: miksi nyt?
Maailmankaikkeuden laajetessa tavallisen aineen energiatiheys laskee samaa tahtia kuin tilavuus kasvaa. (Jos maailmankaikkeuden tilavuus kasvaa kaksinkertaiseksi, energiatiheys putoaa puoleen, koska aineen määrä ei muutu.) Tyhjön energiatiheys (ja paine) sen sijaan säilyy muuttumattomana. Laajeneminen kiihtyy, kun tavallisen aineen energiatiheys (joka vetää puoleensa ja siis hidastaa) putoaa alle tyhjön paineen (joka hylkii ja siis kiihdyttää).
Kiihtyvä laajeneminen on alkanut viimeisten muutaman miljardin vuoden aikana. Toisin sanoen, tyhjön energia olisi saanut tavallisen aineen kiinni aivan lähimenneisyydessä, kosmologisella aikaskaalalla. Teoreettisesti tämä olisi kuitenkin voinut tapahtua koska tahansa (tyhjön energiatiheyttä ei toistaiseksi pystytä teoreettisesti laskemaan). Miksi satumme olemaan olemassa juuri sinä aikana, kun laajeneva kiihtyminen on hiljattain alkanut? Tämän ongelman takia kiihtyvää laajenemista pidetään yleisesti kosmologian suurimpana mysteerinä. (Jotkut -lähinnä kai eräät kosmologit itse- pitävät sitä jopa koko tieteen suurimpana mysteerinä.)
Erilainen gravitaatiolaki
Pimeä energia on kosmologienkin mielestä omituista. Vaihtoehdoksi on tarjottu gravitaatiolain muuttamista. Ehkä yleinen suhteellisuusteoria ei pädekään niin hyvin kuin on luultu, ja tavallisen aineen gravitaatio muuttuu miljardien valovuosien etäisyyksillä puoleensavetävästä hylkiväksi?
Richard Feynman sanoi ihmisistä, jotka kirjoittivat hänelle ehdottaakseen, että ehkä tämä tai tuo luonnonlaki ei pädekään, että on helppo tehdä aukkoja, mutta niiden paikkaaminen on vaikeampaa. Jos yleinen suhteellisuusteoria ei päde, niin mikä sitten on oikea teoria?
On osoittautunut vaikeaksi rakentaa gravitaatioteoriaa, joka johtaisi kiihtyvään laajenemiseen pitkillä etäisyyksillä, mutta olisi sopusoinnussa aurinkokunnassa tehtyjen gravitaatiomittausten kanssa. (Yleisen suhteellisuusteorian ennusteita aurinkokunnassa on testattu erittäin suurella tarkkuudella.) Yritelmiä on muutama, mutta ei ole selvää toimiiko niistä yksikään. Poikkeuksena on niin kutsuttu kosmologinen vakio, joka on matemaattisesti samanlainen muutos gravitaatioon kuin tyhjön energia on ainesisältöön. Usein ilmaisuja “tyhjön energia” ja “kosmologinen vakio” käytetäänkin sekaisin. (Kysymys on vain siitä, lisääkö termin yhtälön oikealle vai vasemmalle puolelle.)
Vaihtoehtoiset gravitaatioteoriat, vaikka toimisivatkin, eivät vastaa kysymykseen “miksi nyt” sen paremmin kuin pimeä energia.
Epätasaisuus
Kolmas kosmologinen oletus on se, että maailmankaikkeus on samanlainen kaikissa suunnissa ja kaikissa paikoissa. Varhainen maailmankaikkeus todella on hyvin tasainen, mutta miljardien vuosien kuluessa kehittyy monimutkaisia rakenteita. (Ks. linkki Millennium Simulaationiin merkinnässä “Tyhjää”.)
Rakenteiden muodostumisen vaikutusta laajenemiseen on tutkittu melko vähän. Eräs syy tähän on se, että maailmankaikkeus näyttää nykyäänkin samalta kaikkialla isolla skaalalla tarkasteltuna. (Tämä tarkoittaa seuraavaa: otetaan kuutio, jonka sivu on vähintään 500 miljoonaa valovuotta. Heitetään kuutio jonnekin maailmankaikkeudessa nykypäivänä. Laittoipa kuution mihin vain, sen sisään jäävän avaruuden keskimääräiset ominaisuudet -tiheys, laajenemisnopeus, ja niin edelleen- ovat suunnilleen samat.)
On kuitenkin niin, että maailmankaikkeus, joka sisältää rakenteita, ei laajene samalla tavalla kuin täysin tasainen maailmankaikkeus, vaikka rakenteet olisivatkin tasaisesti jakautuneet. Tämä ei ole aivan ilmeistä, ja asia on saanut merkittävää huomiota vasta viime vuosina.
Rakenteiden muodostumisen vaikutus laajenemiseen on pääasiallinen tutkimusaiheeni. Isot rakenteet muodostuvat maailmankaikkeuden ollessa joitakin miljardeja vuosia vanha, jolloin kiihtyminenkin on alkanut, mikä saattaa tarjota vastauksen kysymykseen “miksi nyt”.
Tässä lyhyt selitys: Rakenteiden muodostuessa massa keskittyy ylitiheisiin alueisiin, joiden laajeneminen hidastuu. Alitiheät alueet vastaavasti laajenevat nopeammin, koska niissä on vähemmän ainetta jarruttamassa. Keskivertoa nopeammin laajenevien alueiden osuus tilavuudesta kasvaa, joten keskimääräinen laajenemisnopeus voi kasvaa - eli laajeneminen voi kiihtyä.
Rakenteiden vaikutuksen tarkka laskeminen on vaikeaa, eikä vielä tiedetä ovatko ne vastuussa kiihtymisestä, vai tarvitaanko pimeää energiaa tai uutta gravitaatiolakia. Tietystä näkökulmasta havaintojen selittyminen tunnetuilla rakenteilla tunnetun gravitaatioteorian puitteissa olisi tylsin vaihtoehto: ei ole löydetty mitään uutta. Minusta tämä olisi mahdollisuuksista kaunein: ei tarvita uusia hypoteeseja, vaan mysteeri voidaan ratkaista yleisen suhteellisuusteorian tarkemmalla hahmottamisella.
Fysiikan kehityksessä ei ole kyse vain löytöjen tekemisestä, vaan syvemmän ymmärryksen saavuttamisesta.