Tasainen askel

Euroopan avaruusjärjestö ESAn Planck-satelliitin ensimmäiset kosmologiset tulokset julkistettiin tänään kello 13 Suomen aikaa. Julkistamista edelsi vajaan kahden tunnin suurelle yleisölle suunnattu lehdistötilaisuus, ja kaksi tuntia sen jälkeen pidettiin toinen lehdistötilaisuus jossa kerrottiin enemmän yksityiskohtia. Vähän käy sääliksi ensimmäistä lehdistötilaisuutta seuranneita: ylisanoista ja puolittaisista selityksistä on vaikea saada kuvaa siitä, mistä oikeastaan on kysymys.

Planck kiertää Aurinkoa 1.5 miljoonan kilometrin päässä Maapallosta ja mittaa säteilyn intensiteettiä (eli sitä, paljonko säteilyä havaintolaitteeseen tulee) eri suunnissa, yhdeksällä eri aallonpituudella. Osa säteilystä on peräisin Linnunradasta ja läheisistä galakseista ja muista aineryppäistä, ja siitä voi nähdä jotain lähialueen tapahtumia, esimerkiksi tähtien muodostumista Linnunradassa. Planck laukaistiin kiertoradalle noin neljä vuotta sitten ja havaintoja lähiseudusta julkistettiin vuoden 2011 alussa.

Kosmologien näkökulmasta Linnunrata on kuitenkin vain roskaa, joka vaikeuttaa kauas näkemistä. Planckin varsinainen kohde on mikroaaltosäteily joka on peräisin 13 miljardin vuoden päästä menneisyydessä, ajalta jolloin maailmankaikkeus oli noin 400 000 vuotta vanha. Tämä kosminen mikroaaltotausta täyttää maailmankaikkeuden tasaisesti. Tarkemman selostuksen aiheesta tarjoaa kollegani Shaun Hotchkiss Helsingin yliopistosta.

Planck mittaa kosmista mikroaaltotaustaa tarkemmin kuin aiemmat kokeet. Itse asiassa Planckin havainnot ovat jokseenkin niin hyviä kuin mahdollista. On olemassa teoreettinen raja sille, kuinka tarkkaan kosmisen mikroaaltotaustan ominaisuudet voi ennustaa, ja Planckin mittaustarkkuus ohittaa tämän teoreettisen virheen. Planckin jälkeen ei enää kannata rakentaa kokeita, jotka mittaavat paljonko mikroaaltosäteilyä eri suunnista tulee. Kosminen mikroaaltosäteily on myös polarisoitunutta, ja polarisaation mittaamisen suhteen on vielä paljon parantamisen varaa, mutta siitä enemmän joku toinen kerta.

Planck ei kulje uudelle maaperälle, se vain syynää tarkemmin jo tutkittuja alueita. Niinpä ei ollut taetta siitä, että Planck löytäisi mitään uutta. Tilanne on erilainen kuin LHC:n tapauksessa, missä oli selvää että jotain jää haaviin. Planck-ryhmän jäsenet olivat (ainakin Helsingin yliopistossa) pysyneet vaiti tuloksista ennen niiden julkistamista, mikä herätti kaikenlaisia arveluita siitä, mitä saattaisi olla luvassa. ESAn johtaja maalaili alustuksessaan lehdistötilaisuudessa Planckin olevan "jättihyppäys", mikä nosti jännitystä tilaisuutta seuranneiden kosmologien keskuudessa. Ilmeisesti nostatus tuli kuitenkin vain viran puolesta, koska kun tuloksia julkistettiin, tuli selväksi että Planck ei ole löytänyt mitään uutta.

Itse odotin eniten sitä, mitä Planck sanoo gravitaatioaalloista ja siitä, että mikroaaltojen tilastollinen jakauma näyttää olevan erilainen eri puolilla taivasta. Gravitaatioaaltojen havaitsemiseen tarvittaisiin säteilyn polarisaation mittauksia, ja niitä Planck julkistaa vasta ensi vuonna, joten siinä suhteessa pitää vielä odottaa. Mutta sen Planck varmisti, että mikroaaltotaustan lämpötilavaihtelut eri puolilla taivasta ovat omituisia. Planckin mittaama kosmisen mikroaaltotaustan intensiteetti taivaalla näyttää tältä:

Kirkkaista alueista tulee enemmän säteilyä, tummista vähemmän. Lehdistötilaisuudessa mikroaaltotaustan intensiteettiä verrattiin vedenpinnan korkeuteen. Mikroaaltotaustan epätasaisuuksien voi ajatella koostuvan aalloista, joilla on eri aallonpituuksia. Teoria ennustaa, miten aaltojen korkeus riippuu aallonpituudesta, ja havainnot vastaavat teoriaa hyvin paitsi isojen aallonpituuksien osalta: niiden korkeus on odotettua alhaisempi. Lisäksi aaltojen pitäisi olla samanlaisia joka puolella, mutta niissä onkin vaihtelua eri puolilla taivasta.

On hauska seurata, miten asia on vuosien kuluessa noussut mielenkiinnon kohteeksi. Ensimmäiset mittaukset mikroaaltotaustan epätasaisuuksista teki COBE-satelliitti, ja ne julkaistiin vuonna 1992.  Tuolloin huomattiin, että ison aallonpituuden omaavat lämpötilavaihtelut ovat odotettua pienempiä, mutta COBEn mittaukset olivat sen verta epätarkkoja, että kyse olisi voinut olla vain kohinasta. Seuraavat koko taivaan kattavat mittaukset tehtiin WMAP-satelliitilla ja julkaistiin 2003. WMAP varmisti COBEn havainnon, mutta asiaa ei aluksi pidetty erityisen tärkeänä. Jotkut tutkijat kuitenkin jatkoivat asian tonkimista ja pitivät sitä esillä. Lopulta WMAP-ryhmä julkaisi artikkelin, jossa se erikseen sanoi, että piirre ei ole fysikaalisesti merkittävä - mikä osoittaa, että siitä oli tullut ainakin sosiaalisesti merkittävä. Planckilla ei ole asiasta paljon uutta sanottavaa, se lähinnä varmistaa aiemmat tulokset, suuremmalla tarkkuudella. Tämä piirre kuitenkin nostettiin Planckin lehdistötilaisuudessa merkittävimmäksi yksittäiseksi asiaksi. Osaltaan tämä kertoo siitä, että muilta osin havainnot sopivat yksinkertaisimpaan kosmologiseen malliin niin hyvin, että on vaikea keksiä mitään muuta, mikä edes näyttäisi löydöltä.

Planck-ryhmä julkisti tänään 28 artikkelia, ja ne ovat Planckin sivuilla vapaasti luettavissa. Artikkelit käyvät vielä läpi vertaisarvioinnin, mutta niiden pääasiallinen tarkistus tulee sitä kautta, että myös Planckin data on avoimesti saatavilla, ja sitä onkin varmasti alettu tutkimaan muiden toimesta jo tänään.

Planck-satelliitissa on kaksi instrumenttia, joista yksi on suunnitelman mukaisesti lopettanut toimintansa, mutta toinen tekee vielä mittauksia niin kauan kuin pystyy, luultavasti syksyyn asti. Jo mitatusta datastakin on julkaistu vasta puolet, ja ensi vuonna ovat lisäksi luvassa polarisaatiomittauksen tulokset. Edellisen kosmista mikroaaltotaustaa mitanneen kokeen, WMAP-satelliitin, havainnot ovat ajankohtaisia vielä 10 vuotta sen jälkeen kun ensimmäinen osa niistä julkaistiin, ja Planckin tarinakin jatkuu vielä vuosia.

Päivitys (25/03/13): Ensimmäinen Planck-ryhmän ulkopuolinen Planckin dataa käyttävä julkaisu julkistettiinkin heti seuraavana päivänä. Se oli laitettu arXiv-verkkoarkistoon 8 tuntia, 24 minuuttia ja 53 sekuntia sen jälkeen kun data tuli julkiseksi.