Vuoden 2011 Nobelin palkinto fysiikasta on on myönnetty Saul Perlmutterille, Brian Schmidtille ja Adam Riessille "maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen löytämisestä kaukaisten supernovien havaintojen avulla". Kuten kokeellisen fysiikan puolella nykyään aina, palkinto tulee isojen tutkimusryhmien työstä, joita nimetyt henkilöt edustavat.

Perlmutter johti Supernova Cosmology Projectia ja Schmidt ja Riess taasen olivat kärkihahmoja ryhmässä nimeltä High-z Supernova Search Team. Molemmat tutkimusryhmät mittasivat kaukaisten supernovien --työelämänsä räjähtävästi lopettavien tähtien-- kirkkauksia ja päättelivät tästä miten etäisyydet ovat muuttuneet maailmankaikkeudessa muutaman viime miljardin vuoden aikana. Vuonna 1998 julkistettujen tulosten mukaan etäisyydet ovat kasvaneet odotettua enemmän, ja tämän tulkittiin johtuneen siitä, että maailmankaikkeuden laajeneminen olisi kiihtynyt. Nobel-komitealla on populaari katsaus aiheeseen sekä tietopitoisempi ja matemaattisempi esitys.

Olen aiemmin kirjoittanut havainnoista ja niiden tulkinnasta. Matkalla voidaan erottaa kolme vaihetta.

Ensin tulevat havainnot supernovien kirkkauksista ja etäisyyksien lukeminen niistä. Idea on yksinkertainen: mitä himmeämmältä supernova näyttää, sitä kauempana se on. Kun mitataan eri aikoina räjähtäneitä supernovia (joiden valo saavuttaa meidät vasta nyt), voidaan selvittää miten maailmankaikkeuden pituusskaala on muuttunut ajan myötä. Käytännön toteutuksessa on kaikenlaisia ongelmia ja etäisyysmittauksiin suhtauduttiin jonkinlaisella varauksella joitakin vuosia. Myöhemmät havainnot niin supernovista kuin kosmisesta mikroaaltotaustastakin ovat kuitenkin osoittaneet Perlmutterin, Schmidtin ja Riessin ryhmien analyysin paikkansapitävyyden. Enää ei voi järkevästi epäillä noita 13 vuoden takaisia tuloksia.

Toinen vaihe on maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden päätteleminen etäisyyksistä. Tämä kuulostaa helpolta. Jos tietää miten etäisyydet muuttuvat ajan myötä, eikö tämä ole sama kuin nopeuden tunteminen? Tilannetta kuitenkin mutkistaa se, että etäisyyksiä ei selvitetä mittanauhalla paikallaan pysyvässä avaruudessa, vaan ne pitää päätellä valon kulusta kehittyvässä avaruusajassa. Tässä yleensä oletetaan, että maailmankaikkeuden laajenemista ja valon kulkua voidaan tarkastella mallissa, jossa maailmankaikkeus on täysin tasainen: ei ole mitään galakseja tai muita rakenteita, kaikki paikat ovat samanlaisia ja joka suunnassa näyttää aivan samalta. Sitten laajenemisnopeuden ja valon liikkeiden välillä on yksinkertainen yhteys. Tätä yhteyttä käyttäen etäisyyksistä voidaan päätellä, että maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt viimeisen muutaman miljardin vuoden aikana.

Koska maailmankaikkeus ei ole täysin tasainen, tämä askel on edellistä horjuvampi. Maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta on kuitenkin muutaman viime vuoden aikana saatu riippumattomia mittauksia, jotka sopivat yhteen etäisyysmittausten kanssa. Noissa havainnoissa on omat ongelmansa, joten kiihtyvää laajenemista ei voi pitää täysin todistettuna, mutta sen puolesta on kuitenkin huomattavaa todistusaineistoa.

Kolmanneksi pitäisi selvittää, mistä kiihtyvä laajeneminen oikein johtuu. Tässä oletetaan maailmankaikkeuden tasaisuuden lisäksi, että laajenemisnopeus liittyy maailmankaikkeuden ainesisältöön yleisen suhteellisuusteorian kertomalla tavalla. Sillä tapaa saadaan selville, että jos maailmankaikkeus sisältäisi vain tavallista ainetta, laajeneminen hidastuisi aina, koska aineen eri osat vetävät toisiaan puoleensa. Tästä päätellään, että maailmankaikkeus on täynnä jotain kummallista ainetta, joka toimii antigravitaation lähteenä, minkä takia kaikki etääntyy toisistaan kiihtyvällä nopeudella. Tälle aineelle on annettu nimi pimeä energia.

Johtopäätös pimeästä energiasta nojaa siis oletukseen siitä, että yleinen suhteellisuusteoria pätee ja rakenteiden vaikutus valon kulkuun ja maailmankaikkeuden laajenemiseen on vähäinen. Rakenteiden muodostumisen merkitystä ei kuitenkaan ole tarkkaan selvitetty. Ongelma on vaikea ja liittyy yleisen suhteellisuusteorian ja Newtonin gravitaatioteorian hienovaraiseen suhteeseen. Suuri osa kosmologiayhteisöstä kyllä odottaa, että rakenteiden vaikutus osoittautuu mitättömäksi, mutta luulo ei ole todistuksen väärti.

Nobel-komitean suhtautuminen pimeään energiaan on kahtalainen: toisaalta kiihtyvyyden syytä sanotaan tuntemattomaksi, toisaalta niin lehdistötiedotteessa kuin taustamateriaalissa mainitaan pimeä energia tosiseikkana. Tekstissä vieläpä todetaan, että pimeän energian yksinkertaisin mahdollisuus, tyhjän tilan energia sopii kaikkiin havaintoihin ja että mitkään muut vaihtoehdot eivät ole pystyneet selittämään havaintoja. (Tekstissä myös sanotaan, virheellisesti, että tyhjön energia vaikuttaisi vetyatomin spektriin.)

Väite siitä, että tyhjön energia sopisi kaikkiin havaintoihin on kirjaimellisesti otettuna liioiteltu: ainakin galaksien jakauma suuressa mittakaavassa vaikuttaa olevan ristiriidassa odotusten kanssa (kirjoitan tästä kenties joskus myöhemmin). Mutta noiden havaintojen merkitys on epäselvä, ja voidaan kyllä sanoa, että tyhjön energia on selittänyt havaintoja erittäin hyvin. Väite muiden vaihtoehtojen kelvottomuudesta on sen sijaan ongelmallisempi tilanteessa jossa kaikkia seikkoja ei ole vielä käyty läpi ja nykyistä vaihtoehtoa pidetään fysiikan suurimpana mysteerinä.

Kosmologiayhteisössä pimeän energia malleja ja yleisen suhteellisuusteorian muunnoksia on tutkittu kymmeniä tai satoja, eikä mikään niistä ole ollut oikein vakuuttava, mutta harva pitää asiaa loppuun käsiteltynä. Palkinnon saajista ainakin Schmidt on havaintojen tulkinnasta Nobel-komitean kantaa avoimempi, ja asian tutkiminen jatkuu. Olipa selitys mikä hyvänsä, supernovahavaintojen merkitys vanhojen käsitysten romuttamisessa on ollut merkittävä, ja Perlmutter, Schmidt ja Riess ovat tutkimusryhmineen palkintonsa ansainneet.

Päivitys (05/10/11): Kari Enqvist, Hannu Kurki-Suonio ja minä puhumme Nobel-palkinnon tiimoilta tilaisuudessa "Kiihtyvästi laajeneva maailmankaikkeus" perjantaina 7.10. kello 12. Paikkana on Helsingin Kumpula, tarkemmin sanottuna Physicum-rakennuksen sali D101. Tilaisuus on yleisölle avoin ja ilmainen.

Kommentit (1)

Sähkömies*

Jos galaksien välinen tyhjä alue kasvaa, sinne kasvaa entistä tyhjempi ja suurempi tyhjiö, kasvaako tyhjiön energia? Onko olemassa tyhjiön energiaa, voisiko se olla sama kuin pimeä energia.
Siihen sopisi yksiin myös massojen keskittymisen aiheuttama avaruuden kaarautuminen, joka selittäisi avaruuden laajenemisen.

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto