Ajattelin kirjoittaa eräästä omasta tutkimuskohteestani, rakenteiden muodostumisen vaikutuksesta maailmankaikkeuden laajenemiseen. Kerron ensin hieman maailmankaikkeuden laajenemista koskevista havainnoista, jatkan niiden tulkinnasta seuraavassa merkinnässä.

Havaitsemme maailmankaikkeutta enimmäkseen maapallolle saapuvan valon kautta. (Myös neutriinoja ja kosmisia säteitä -jotka lienevät enimmäkseen protoneja ja raskaampia ytimiä- mitataan, mutta paljon rajoittuneemmin.) Kosmologia on erilainen ala kuin hiukkasfysiikka sikäli, että ei ole mahdollista tehdä kokeita, ainoastaan havaintoja. Hiukkaskiihdyttimissä voi säätää olosuhteet tarkasti, muuttaa tilannetta halutulla tavalla ja toistaa monia kertoja. Kosmologiassa voi vain katsoa taivaalle ja merkitä muistiin mitä siellä näkyy: olosuhteita ei voi muuttaa, ja toistettavuus on rajoitettu. Samaa kohdetta (vaikkapa galaksia) voi kyllä havaita useita kertoja, ja on mahdollista tarkkailla useita samankaltaisia kohteita, mutta maailmankaikkeuksia on vain yksi, eikä sen kulkua voi muuttaa. Lisäksi valo kulkee erilaisten ympäristöjen läpi ennen saapumistaan meille, ja sen matkalla kokemat muutokset voi selvittää ainoastaan epäsuorasti.

Näistä syistä maailmankaikkeuden rakennetta ja kehitystä ei pitkään tunnettu kovin tarkkaan. Maailmankaikkeuden laajeneminen havaittiin 1920-luvulla, ja vuosikymmenien ajan laajenemisnopeus tiedettiin vain suunnilleen. Tilanne on muuttunut huomattavasti viimeisen noin 15 vuoden aikana. Eräs tärkeä virstanpylväs oli COBE-satelliitin mikroaaltotaustahavainnot 1992, jotka antoivat tarkkaa informaatiota maailmankaikkeuden olosuhteista 13 miljardin vuoden takaa, jolloin maailmankaikkeus oli 400 000 vuotta vanha.

COBEn havainnot olivat tärkeitä (niistä myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 2006), mutta eivät millään tavalla yllättäviä. Sen sijaan vuoden 1998 löydöt supernovien kirkkaudesta olivat mullistavia: kaukaiset supernovat olivat odottettua himmeämpiä, mikä tulkittiin siten, että maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtynyt. Koska tuntemamme gravitaatio vetää kappaleita puoleensa, laajenemisen odottaisi hidastuvan. Voi liioittelematta sanoa, että kiihtyvä laajeneminen oli suurin yllätys kosmologiassa sen jälkeen, kun havainnot laajenemisesta 1920-luvulla murskasivat käsityksen staattisesta maailmankaikkeudesta.

Supernovat ovat elämänsä loppuvaiheissa räjähtäviä tähtiä, jotka loistavat hyvin kirkkaasti muutaman viikon. Supernovafysiikan eri puolet ovat omia tutkimusalojaan: räjähdysmekanismin ymmärtäminen, havaintojen tekeminen ja niin edelleen ovat aiheita, joita monet tutkivat täysipäiväisesti. Jos ei kuitenkaan ole kiinnostunut supernovista itsestään, vaan siitä, mitä niillä on sanottavana maailmankaikkeudesta, vain kaksi seikkaa ovat tärkeitä: supernovat ovat kirkkaita, ja tiedetään kuinka kirkkaita ne ovat. (Tarkemmin sanottuna, voidaan päätellä mikä on niiden absoluuttinen kirkkaus, eli kirkkaus jos olisi supernovan vieressä eikä kaukana täällä.)

Koska supernovat ovat kirkkaita, niitä voi nähdä kaukaa. Koska niiden absoluuttinen kirkkaus tunnetaan, tiedetään kuinka paljon niiden valo on himmentynyt matkalle tänne. Mitä himmeämmältä supernova näyttää, sitä kauempana se on. Tästä voidaan päätellä paljonko maailmankaikkeus on laajentunut sen jälkeen kun valo lähti supernovasta, ja havaitsemalla supernovia eri etäisyyksillä saadaan selville laajeneminen ajan funktiona.

Väite kiihtyvästä laajenemisesta on voimakas ja yllättävä, joten siihen tulee suhtautua erityisen skeptisesti. Kaukaiset supernovat ovat himmeämpiä, mutta ehkä se johtuu siitä, että avaruudessa onkin enemmän pölyä kun on ajateltu? Tai ehkä kaukaiset supernovat ovat luonnostaan himmeämpiä - kenties tähdet olivat silloin erilaisia, ja räjähtivät eri tavalla? Näitä (ja muita) mahdollisuuksia on tutkittu, ja ne on voitu sulkea pois.

Pöly himmentää valoa sirottamalla sitä eri suuntiin, mutta myös muuttaa valon väriä. Valo siroaa sitä enemmän, mitä pienempi sen aallonpituus on. Sininen valo siroaa eniten, joten pöly tekee valosta punaisempaa. (Tämän takia auringonlasku on punainen: matkalla ilmakehän läpi sininen valo on sironnut pois. Vastaavasti taivas on sininen Auringon ollessa korkealla, koska sininen valo siroaa ilman molekyyleistä tehokkaasti.) Tästä voidaan arvioida matkalla oleva pölyn määrä, eikä sitä ole läheskään tarpeeksi.

Mitä kaukaisten supernovien absoluuttiseen kirkkauteen tulee, tähtien alkuainekoostumus todella oli nuoressa maailmankaikkeudessa erilainen kuin nykyään, ja tämä vaikuttaa räjähdysprosessiin. Mutta jos tästä seuraisi merkittäviä muutoksia absoluuttiseen kirkkauteen, niin myös valon aallonpituusjakauma ja kirkkauden käyttäytyminen ajan funktiona muuttuisivat. Havainnoissa ei ole tällaista korrelaatiota.

Vähemmän teknisenä skeptisyyden muotona siteeraan kosmologi Andrew Liddlen näkemystä, jonka mukaan kosmologiassa pitää olla valmis heittämään pois mikä tahansa yksi sarja havaintoja ilman erityistä syytä. Jos johtopäätökset muuttuvat tästä, ne eivät ole vakaalla pohjalla.

Laajeneva kiihtyminen selviää tästä testistä. Supernovien lisäksi kosmologista pituusskaalaa voi mitata kosmisesta mikroaaltotaustasta. WMAP-satelliitilla tehty
COBEn jälkeen tärkein mikroaaltotaustamittaus varmisti vuonna 2003 supernovahavainnoista tehdyt johtopäätökset. Useat muutkin havainnot sopivat yhteen: se, että maailmankaikkeuden pituusskaala on kasvanut nopeasti muutaman viimeisen miljardin vuoden aikana on järkevän epäilyn ulkopuolella. Sen sijaan on epäselvää, mistä tämä johtuu, ja onko takana pimeän energian nimellä varustettu mysteeri. Tämä onkin seuraavan merkinnän aihe.

Kommentit (19)

Anne

Juuri pidin tentin keveästä "millainen maailmankaikkeus on" -kurssista - ei matematiikkaa, sopii humanistillekin - ja tää sun teksti olisi kyllä ollut mojovaa luettavaa ennen kuin luennoin kosmologiaosuuden. En osannut yksinkertaistaa asiaa ollenkaan näin hyvin. Epäilemättä seuraavakin merkintäsi olisi ollut hyödyksi... Noh, ensi vuonna sitten...

Tarkkailija

Työryhmä Fred Hoyle, Herman Bondi ja Thomas Gold esittivät jo 60-vuotta sitten Universumista ns. pysyvän tilan teorian, jonka mukaan maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä nopeudella, galaksit saavuttavat valon nopeuden ja muuttuvat lopulta energiaksi eli ”katoavat ”.
Varsinkin Hoyle vastusti alkuräjähdysteoriaa ankarasti. Hänen mukaansa katoavien galaksien aiheuttama materiatyhjiö täyttyy itsestään syntyvien vetyatomien kautta, joita atomeita syntyy hyvin harvakseen, mutta kuitenkin ”riittävästi” kaikkeuden koko huomioiden. Eli pysyvän tilan teorian mukaan maailmankaikkeus olisi ikuinen, koska lopulta energiaksi mttuvien galaksien aiheuttama materiatyhjiö täyttyy itsestään.
Nyt, kun Universumin kiihtyvä laajeneminen on faktisesti todennettu, kolmikon Hoyle, Bondi ja Gold vuonna 1948 julkaistu teoria pulpahti esille muistilokeroista. Tässä teoriassa on mielestäni useitakin yksityiskohtia, jotka sopivat moderneihin havaintoihin (esim. kiihtyvä laajeneminen).
Mitkä argumentit tässä pysyvän tilan teoriassa ovat niitä, jotka osoittavat teorian olevan väärä? Eikö esimerkiksi taustakohinalle voisi olla mitään muuta selitystä, kuin ns. Big Bang (Hoylen keksimä nimitys tuokin)?

Ilari

Kiitos, Syksy, selventävästä blogistasi. Siitä asti kun Edwin Hubble hoksasi kosmoken laajenemisen, on ymmärtääkseni ajateltu, että on lineaarinen korrelaatio: mitä kauempana kohde, sitä suurempi punasiirtymä. Kun kiihtyvä ekspansio havaittiin, sitä selitettiin - ainakin yleistajuisissa medioissa (kuten Tiede-lehti) - sillä, että: mitä kauempana kohde, sitä suurempi punasiirtymä. Täh? Eikös Hubble et al. juuri sen havainneet jo 1920-luvulla? Onko siis niin, että korrelaatio nimenomaan EI ole lineaarinen? Miten ja mistä supernovien absoluuttinen kirkkaus voidaan tietää niin tarkasti? Onko sillä jotain tekemistä kefeidien, eli ns. 'standardikynttilöiden' kanssa? Vai olenko ihan metsässä...? Minua nämä asiat askarruttaa edelleen; odotan innokkaasti seuraavaa blogimerkintääsi.

Syksy

Tarkkailija:

Steady state -mallilla on korkeintaan historiallista mielenkiintoa. On olemassa iso joukko havaintoja, jotka varmentavat standardikosmologian ennusteet ja ovat Steady Statea vastaan. Kevyiden alkuaineiden määrä on eräs näistä (ks. merkintä "Populaareja ihmeitä"). Toinen tärkeä havainto on mainitsemasi kosminen mikroaaltotausta. Steady State -mallissa asiaa yritettiin selittää siten, että avaruudessa olisikin hippuja -whiskers- jotka heijastavat tähtien valoa ja saavat aikaan taustasäteilyn. On kuitenkin erittäin vaikea saada aikaan tarpeeksi terminen spektri mikroaaltotaustalle, lisäksi mikroaaltotaustan lämpötilaa varhaisemassa maailmankaikkeudessa on mitattu, ja tiedetään että se on pienempi tekijällä, jonka standardikosmologia ennustaa, lisäksi galaksien jakauman kehitys mikroaaltotaustassa näkyvästä alkutilasta nykypäivään vastaa erittäin hyvin havaintoja, ja niin edespäin.

Standardikosmologia perustuu tunnettuun fysiikkaan (yleinen suhteellisuusteoria, tavallinen aine) plus pimeään aineeseen. Se on pystynyt näillä antimilla ennustamaan mikroaaltotaustan ja monia muita asioita erittäin hyvin. Steady State perustui spekulaatioihin, eikä onnistunut ennustamaan havaintoja oikein.

Laajeneva kiihtyminen on tosiaan yllätys standardikosmologian ennusteisiin verrattuna. Siitä lisää ensi merkinnässä.

Syksy

Ilari:

Yhteys etäisyyden ja punasiirtymän välillä on lineaarinen vain lähellä oleviin kohteisiin. Verrannolisuuskerroin on laajenemisnopeus. Kun katsotaan vähän kauemmas, nähdään, että nopeus ei olekaan vakio, ja voidaan määrittää, onko kiihtyvyys positiivinen vai negatiivinen. Pitää nähdä melko kauas ja tarkkaan tämän mittaamiseksi (laajenemisnopeus kun muuttuu melko hitaasti), mikä on syynä siihen, että kiihtyvyys on määritetty luotettavasti vasta viime vuosina.

Supernovien absoluuttinen kirkkaus määritetään seuraavasti. Mitataan kirkkaus ajan funktiona läheisistä supernovista (joiden etäisyys ja siis absoluuttinen kirkkaus tiedetään). Huomataan, että kirkkausfunktion muodon ja absoluuttisen kirkkauden välillä on korrelaatio. Kun sitten mitataan kaukana olevia supernovia, voidaan niiden kirkkausfunktion muodosta päätellä absoluuttinen kirkkaus.

Kefeidit ovat sykkiviä tähtiä, joita käytetään läheisten supernovien etäisyyden määrittämiseen. Kefeidien tarkoista etäisyyksistä ei ole vielä yksimielisyyttä. (Eri ryhmien luvut eroavat toisistaan noin 10-20%.) Tällä ei kuitenkaan ole kiihtyvyyden kannalta merkitystä. (Tärkeää on vain kirkkauden muutos etäisyyden funktiona.) Hyvä katsaus supernovien käytöstä kosmologiassa on
http://arxiv.org/abs/0802.4154 , mutta se ei välttämättä ole aukea tutkimusalaa tuntemattomalle.

Si.S

Kiitos tekstistä Syksy, oikein hyvää.
Silti mieltäni jäi kaivelemaan etäisyyksien sekä kirkkauden mittaukset. Mitä oletuksia tässä on tehty jotta voidaan päätellä nämä asiat kuten ne on nykyään päätelty?
Käsittääkseni täytyy olettaa että valo käyttäytyy tietyllä tavalla, jotta nämä mittaukset toimivat. Samoin tähtien tulee säteillä fotoneja yms tietyllä olettamuksella jotta nämä mittaukset voivat pitää paikkaansa?

Mietintäni alusta, esimerkiksi valaat vedessä huudellessaan tietyllä taajuudella, saa ääniaallot kantamaan tietyssä veden lämpötilassa kauaskin, koska ne jäävät "nalkkiin" ja kimpoilevat eteenpäin. Sama toimii ilmassa ja maassa, tietty taajuus tietyllä korkeudella kantaa erittäin kauas. Onko tämä huomioitu avaruudessa? Vaikka fotonin massa on todella pieni, onko huomioitu että miljardeja valovuosia matkaava fotoni ei välttämättä tule suorinta tietä silmiimme? Näin tarkastelemalla miten maapallollamme atomitason käytöstä, voisi kuvitella maailmankaikkeuden saippuarakenteen käyttäytyvän samalla tavoin. Ihmetyttääkin mikä oletus ohittaa ettei tarvitsisi huomioida että valo on voinut tulla meille ihan eri suunnasta kuin kuvittelemme?
Tuo vaatisi hiukan lisäselvitystä jotta se olisi järkevämpi, toivon että ymmärrät mitä ajan takaa.

Enemmän silti askarruttaa mainintasi maailmankaikkeuden iästä. Käsittääkseni jotta voidaan mitata maailmankaikkeuden ikä, tarvitsisimme tietoomme MKn koon, massan, energiamäärän, ka. energiatiheyden/massatiheyden. Tai ainakin joitain aiemmista. Nykyään ei tiedetä näistä varmalla mitään.
Ainakaan itse en ole nähnyt vielä hubblen ultradeepspace kuvaa jossa voidaan sanoa että tähän päättyy maailman laita. Jos emme edes näe maailman laitaan asti, miten sen kokoa voi mitenkään selittää? Emme myöskään tiedä BigBangin massaa tai energiaa, sen enempää kuin mihin asti se on levinnyt.
Itseasiassa meillä on varmalla sanoa... no muutokset, niitä voidaan tulkita. Maailmankaikkeus jonka ikä nyt on vähintään se 13 miljardia vuotta ja rapeat päälle, meidän "muutaman" vuoden tutkiminen muutoksista on silti aika naurettavan lyhyt.
Esimerkiksi maailman ikään perustuva mittaus ja laskenta joka tuli taustasäteilymittauksista, on looginen, tietenkin. Silti miten näkyvän avaruuden perusteella voidaan arvioida koko mkta?
"Mitä jos" meidän havainnoima avaruus on vain miljardisosa koko maailmankaikkeuden koosta?
Toki voidaan tuumia bigbangistä että x suurempaa materialäjää ei voi olla ollut koska aika-avaruus ei vaan taivu matikan mukaan (sikäli kun matikka on oikein).

Asia mikä mittauksessa on mielestäni hyvin outoa.
Jos tähti kulkee erittäin kovaa vauhtia poispäin meistä, ja lähettää samalla fotoneja meidän suuntaan, loogista olisi päätellä että tämä aiheuttaa punasiirtymää. Muistan lukeneeni että jopa tähden pyörintäsuunta voidaan määrittää lukemalla spektristä "kumpi puoli" tähdestä lähettää enemmän punasta ja kumpi sinistä valoa, tai varmaan paremmin onnistuu vielä suurempi ja vähempihertsisillä partikkeleilla. Ja on todistettu että valon (fotonin) nopeus ei ole vakio, vaan fotoni voidaan vaikka pysäyttää. Miltä näyttäisi tulkinnoissa 2 seuraavaa tähteä, toinen loittonee meistä suurella nopeudella ja on nuori sinisempi tähti, myös sen lähettyvillä on galakseja joiden ohi fotonien täytyy kulkea. Toinen tähti taas on punaisempi kääpiömäinen joka tulee meitä kohti melkoista nopeutta ja meillä on "suora" näköyhteys tähteen, ilman että valovuosien matkalla on mitään häiritsemässä painovoimallaan tätä. Olettamus että tähdet ovat miltei samanlaiset, toinen vaan hiukan sinisempi ja toinen hiukan punaisempi. Eikö näistä tulisi silloin samanlaiset tulkinnat täältä katsottuna, nykymittausmenetelmillä, siltikin ne käyttäytyy täysin erillailla.

Ja jottei tämä teksti jäisi liian lyhyeksi, vielä supernovista.
Mainitsit tämän absoluuttisen kirkkauden. Ymmärsinkö oikein että sillä tarkoitetaan sitä, kun fotonit käyttäytyisi kuin nestemäinen kvarkkimössö lähtiessään tähdestä? Tarkoittaen että fotonit on pakkautuneet niin tiheeseen kuin aika-avaruus sallii? Mikäli tämä on oletus, onko se täysin luotettava? Ja mikäli näin taas ei ole, onko sekään luotettavaa koska silloinhan supernovaräjähdyksessä voi olla Todella suuria eroavaisuuksia. Jos vaikkapa supernovaräjähdys tapahtuu, ja se on niin epäsymmetrinen että tulee senttimetrin kohta missä oli juuri auringonpilkku joten räjähdys lähtee siitä niin hitaasti etenemään ettei siitä lähde suoraan fotoneja eteenpäin. Mimmoinen alue olisi sitten ilman fotoneja, sanotaan miljoonan valovuoden päästä? 1cm tähden pinnalla -> 1 valovuosi toisaalla. Voisi väittää että paljon pienempikin epäsäännöllisyys räjähdyksessä luo miljoonan valovuoden päähän melkoisia tulkinta..vaihtoehtoja.

Vielä lisäksi mk laajenemiseen, millä oletuksella me tuntisimme mk varsinaisen koon, tai mistä voimme tietää näkevämme koko avaruutta. Sikäli kun tiedän niin jos viet täydellisessä pimeydessä taskulampun tarpeeksi kauas, niin lopulta käy niin ettei taskulampusta lähtevät fotonit osu ikinä silmääsi koska ne on niin harvassa. Mikäpä estäisi ettei tähdillä käy sama? Onko tämäkin huomioitu laskiessa pimeitä aineita ja energioita?

Ystävällisesti,
Si.S

MrKAT

Tarkkailijalle ja muille: Luin viikonlopun aikana erinomaisen kirjan Simon Singh:Big Bang, WSOY 2007, jossa on kansantajuisesti selitetty miksi Hoylen malli hävisi ja Big Bang malli toimii.

Syksylle: Atomipommeja testataan tietokonesimulaatioin tietokoneissa (fyysisiä ydinkokeitahan ei sallita), vastaavasti kosmologiaa ja tähden syntyä testataan tietokoneilla. Eli on kokeellista sittenkin tietyssä mielessä. Ainakin joku suom. tutkija katsoo ne kokeelliseksi, mitä superkoneissa testaillaan.
Jotkut koulufysikaaliset kokeetkin on siirretty tietokoneisiin..

piiku

Tosiaan, kuten Si.S:n linjoilla: kuinkahan syvälle täytyy mennä että saa kaikki näihin laskuihin tarvittavat oletukset selville. Eikö esim. gravitaatio vaikuta punasiirtymään? Eihän edes sitä tunneta, kuten anomaliat ihmisten lähettämien satelliittien radoissa osoittavat. Toisaalta voisin uskoa, että jokin standarikynttilä on todella standardi, mutta kuinka varmasti voidaan todeta kohteen olevan kyseinen objekti.

ESKO:

Jospa valo eteneekin gravitaatiokenttää pitkin, joka on havaittavissa kaikkialla maailmankaikkeudessa. Jotta valo etenisi avaruudessa, se vaatii "väliaineen", gravitaatiokentän olemassaolon. Avaruusrakettikin vaatii gravitaaiokentän olemassaolon, missä ei ole gravitaatiokenttää, siellä avaruusraketti ei voi lisätä nopeuttaan. Kun valo tulee pitkiltä etäisyyksiltä, gravitaatiokenttä voi jarruttaa valoa ja sen energia pienenee, jolloin valon taajuus pienenee ja punasiirtymä kasvaa.
Mutta, jos maailmankaikkeutemme ulkopuolella, meiltä näkymättömissä, on muita maaailamankaikkeuksia, tai galaksijoukkoja, niin nämä voisivat vetvoimallaan kiihdyttää meidän maailmankaikkeuteemme kuuluvia etäisiä galaksijoukkoja. Näin selittyisi pakonopeuden kasvaminen suurilla etäisyyksillä.

jouko

Mutare Zimbabwe sahkoa pitkasta aikaa ja netti ja luen tiede-lehtea.Kiitos Syksy taalla alkaa tropiikin syksy juuri parhaillaan.Huomioni kiinnittyy tahan Kosmologiaan ja Big Bang -teoriaan ja kun tata etekaisen taivaan yotaivasta aina katselen ja mietiskelen, niin miten on sen teorian kanssa ja laita,jota luin ,kun olin nuori poika Tampereen Petsussa eli Gamow,jolloin ei viela ollut vaitteita mistaan Big Bangista;onko tastta Gamow-teoriasta mitaan update tai miten se nykyisin kasitetaan kosmologisen ja maailmakaikkeuden kehityksen historiassa Jouko de Mutare

Syksy

Si.S: Peruskäsityksen saamiseksi kosmologiasta suosittelen jotain populaaria kirjaa. En tosin osaa sanoa mitä, koska en ole niitä juuri lukenut. Pidin Lawrence Kraussin kirjasta "Hiding in the Mirror" (joka käsittelee ylimääräisiä ulottuvuuksia), ehkä hänen kirjansa "Quintessence" olisi kelpoisa. Enqvistin kirjoja voinee myös kokeilla.

Syksy

MrKAT:

Ydinkokeet eivät suinkaan ole kiellettyjä (Comprehensive Test Ban Treaty ei ole tullut voimaan, eivätkä sitä ole kaikki allekirjoittaneet ja ratifioineet). Viimeisin ydinkoe tehtiin vuonna 2006.

Simulaatiot mainitaan joskus kolmantena tiedonhankkimistapana teorian ja havaintojen lisäksi. Tämä kuvaa sitä, miten simulaatioita käytetään, mutta ne ovat kuitenkin vain keino tehdä monimutkaisia laskuja tietyn teorian
puitteissa. Simulaatioilla ei voi saada mitään informaatiota joka olisi teorian kanssa ristiriidassa, toisin kuin havainnoilla.

Syksy

Piiku:

Laskuihin liittyvät oletukset tunnetaan hyvin. Niihin perehtyminen vie aikansa (ks. merkintä "Nerous ja auton kunnossapito").

Kosmologinen punasiirtymä aiheutuu gravitaatiosta. Supernovien etäisyyksille oleellista on kirkkaus. Eräs mahdollisuus on, että kaukaiset supernovat ovat odotettua himmeämpiä siksi, että yleinen suhteellisuusteoria ei pädekään kosmologisilla etäisyyksillä.

Supernovat eivät ole standardikynttilöitä. Etäisyydenmääritykseen käytettävien tyypin Ia supernovien absoluuttinen kirkkaus vaihtelee supernovasta toiseen maksimissaan noin tekijällä 10.

annihiloitunutvetovoima

Entä miten luotettavia vanhat mittaustulokset ovat ja miltä aikaväliltä näitä mittauksia on kaikkiaan vertailtu: ovatko esimerkiksi varhaisimmat mittaustulokset lähemmäs sadan vuoden takaa maan päältä tehdyillä optisilla laitteilla, vai onko radikaali muutos mittaustuloksissa tosiaankin tapahtunut vain 10 viime vuoden aikana? Jos myös todella vanhoja mittaustuloksia ja havaintoja on käytetty, niin eikö ole mahdollista, että uudempien mittalaitteiden tarkkuus on parantunut (tai huonontunut) eikä vanhoja ja uusia havaintoja ole pystytty kalibroimaan tarkasti keskenään. Toisaalta jos suuria muutoksia havainnoissa on tapahtunut viimeisten 10 vuoden aikana ja jos kaikki havainnot on tehty kaukana maan ilmakehän ulkopuolella avaruudessa olevilla mittalaitteilla, joiden tarkkuus ja luotettavuus pystytään vielä näin jälkikäteenkin tarkistamaan, niin tulos on todellakin aika ällistyttävä: Tuntuu 'lottovoitolta', että maailmankaikkeuden laajeneminen alkoi kiihtyä juuri samoihin aikoihin, kun avaruuteen lähetettiin uusi mittaussatelliitti. Nykyihmiset elelevät kaikessa 'rauhassa' maapallolla 200000 vuotta, kymmenisen tuhatta vuotta ihmiskunnalla on ollut jonkinlaisia 'kehittyneitä' sivilisaatioita tai kulttuureita, 500 vuotta sitten alkoi luonnontieteen uusi renessanssi, viimeisen 100 vuoden aikana alettiin ymmärtää maailmankaikkeuden rakennetta tarkemmin ja nyt vain 10 vuoden sisällä on tajuttu, että ei tajutakaan mitään. Todella uskomaton sattuma!

Jos mittaustulokset ovat ehdottoman luotettavia ja vertailukelpoisia keskenään, niin onko mahdollista, että aurinkokunta on ajautunut linnunradassa johonkin pimeään liejuun tai avaruuspölysohjoon, joka vääristää (optisia-, mikroaalto-, ym.) mittaustuloksia ja jota ei jostain kumman syystä ole havaittu kaikilla hienoilla mittauslaitteilla? Tämä vaihtoehto taidettiin tyrmätä. Vaihtoehtoisesti, onko mahdollista, että maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen ei olekaan mikään uusi juttu, vaan että maailmaankaikkeus saattaa 'silloin tällöin' laajeta nopeammin (ainakin joissakin suunnissa) ja toisinaan taas hitaammin? Tämäkin kuulostaa utopistiselta ja laittaisi fysiikan teorioita uusiksi. Toisaalta ehkäpä nykyfysiikan teoriat tarvitsevatkin kunnollisen remontin, tai sitten ne avaruudessa köllivät avaruusteknologian ihmeet toimivat väärin: eipä olisi eka kerta, eikä varmaan viimeinenkään, kun avaruuskaukoputkia pitää korjata silmälaseilla. No, toivotaan parasta, että mittaustuloksille saadaan 'rauhanomainen' ratkaisu ja että aurinko ei ole maapalloineen rysähtämäisillään johonkin tuntemattomaan mustaan aukkoon.

Uusia ideoita keksitään ja kehitetään, mutta ehkä fysiikassa tarvitaan myös uusia matemaattisia malleja ja työkaluja sekä parempaa ja luotettavampaa (mittaus)teknologiaa. Ainakaan havaintoja ei pidä suoraan heittää roskakoriin ennen kuin on ymmärretty, mitä on tapahtunut tai jäänyt tapahtumatta. Joka tapauksessa lienee ilmeistä, että kosmologeilla riittää jatkossakin runsaasti työsarkaa ja ihmeteltävää - fysiikan lait eivät pystyneet poistamaan ihmeitä maailmasta; niitä löytyy aina uusia.

Syksy

annihiloitunutvetovoima:

Kysymys ei ole erosta uusien ja vanhojen mittausten valilla. Eri supernovamittaukset ovat sopusoinnussa keskenaan (mittausten epatarkkuudet huomioon ottaen).

Kaukaisten supernovien kirkkaudet on mitattu maan pinnalta, ei satelliiteista.

Kiihtyva laajeneminen on tapahtunut viimeisten muutaman miljardin vuoden aikana.

Risto Latva

Kun puhutaan kiihtyvästä laajenemisesta, tulee heti mieleen, että laajeneminen olisi eksponentiaalista. Voidaanko nykyhavainnoilla vielä sanoa laajenemiskäyrän muodosta mitään näin täsmällistä?

Syksy

Risto Latva:

Laajenemisnopeutta ajan funktiona ei tiedeta tasmallisesti. Yksi syy on se, etta supernovien kirkkaus riippuu integroidusta laajenemisnopeudesta (tai oikeastaan integraalista yli termin 1/laajenemisnopeus). Laajenemisnopeuden selvittamiseksi pitaa siis derivoida (melko sotkuista) dataa, mika on epatarkkaa. (Sama patee muihinkin etaisyysmittauksiin, vaikkapa kosmisen mikroaaltotaustan kayttamiseen laajenemisnopeuden maarittamiseen.)

Talla hetkella laajenemisesta voidaan selvittaa kaksi parametria, vaikkapa nopeus ja kiihtyvyys, eika niistakaan jalkimmaista kovin hyvin. Kiihtyvyys ilmaistaan tavallisesti parametrilla q. Jos maailmankaikkeuden kokoa mittaava skaalatekija on a(t), niin q = - (a'n toinen aikaderivaatta)*a/(a'n ensimmainen aikaderivaatta)^2.

Negatiivinen q siis vastaa kiihtyvaa laajenemista. (Merkki maariteltiin silloin kun ajateltiin laajenemisen hidastuvan, valitettavasti.) Eksponentiaalisella laajenemisella olisi q=-1.

Karkeasti voidaan sanoa, etta q on noin valilla -0.3...-1.2. Laajeneminen saattaa siis olla jopa nopeampaa kuin eksponentiaalista.

Ai niin, korjaus edelliseen kommenttiini: kaukaisia supernovia on kylla mitattu myos Hubble Space Telescopesta, mutta suurin osa mittauksista on tehty maan pinnalta.

Taivaaseen astumista odotelles...

[...] teoreettinen rakennelma. Kosmologiassa sen sijaan on kokoelma palasia -inflaatio, pimeä aine, pimeä energia- joista mitään ei tunneta yksityiskohtaisesti, eikä tiedetä miten ne sopivat yhteen. [...]

Antiikista tulevaisuuteen - bl...

[...] voi erottaa kolme, jotka ovat erityisen tärkeitä: kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet, supernovien kirkkaudet ja galaksien [...]

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