Kaikkeuden kehityksestä kova kiista

Kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee? Tutkijat ovat saaneet kysymykseen kaksi vastausta. Ainoa järkevä selitys tarkkojen mittausten eri tuloksille on, että universumissa piilee vielä tuntemattomia voimia.

Kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee? Tutkijat ovat saaneet kysymykseen kaksi vastausta. Ainoa järkevä selitys tarkkojen mittausten eri tuloksille on, että universumissa piilee vielä tuntemattomia voimia.

shutterstock

Ajat autolla kaupungista toiseen ja haluat tietää, kuinka kaukana ne ovat toisistaan. Matkamittarin mukaan väli on 74 kilometriä, mutta karttapalvelu antaa etäisyydeksi 67,4 kilometriä. Mietit, mistä ero johtuu. Heittääkö auton matkamittari vai onko reitin määrityksessä tapahtunut jokin ratkaisevan tärkeä virhe?

Tähtitieteilijöitä askarruttaa nykyään samankaltainen ongelma.

Se, mitä he yrittävät määrittää, ei ole kahden kaupungin välinen matka, vaan se nopeus, jolla universumi laajenee. Arvoksi on tarjolla kaksi eri vaihtoehtoa. Kummankin tuloksen takana olevat mittaukset on tarkastettu huolellisesti, eikä niistä ole löydetty virheitä.

Erilaisia tuloksia ei voida kuitenkaan hyväksyä, kun tavoitteena on saada keskeiset teoriat maailmankaikkeuden sisällöstä ja kehityksestä pitämään kutinsa jatkossakin.

Tähtitieteessä vallitsee yksimielisyys siitä, että universumi laajenee ja samalla galaksit loittonevat toisistaan. Sen sijaan on epäselvää, mitä vauhtia galaksien välimatkat kasvavat.

Tätä nopeutta kutsutaan Hubblen vakioksi, ja nimenomaan siitä tutkijat ovat erimielisiä. Kun Hubblen vakio tunnetaan, voidaan laskea ajassa taaksepäin, joten epäselvyys aiheuttaa epävarmuutta myös maailmankaikkeuden iästä.

© AIES MEDIALAB/ESA

Planck-teleskooppi

Planck-teleskoopin datan avulla on voitu määrittää Hubblen vakio kaikkein tarkimmin.

  • Tyyppi: Avaruusteleskooppi
  • Käytössä: 2009–2013
  • Aallonpituus: Mikroaalloista infrapuna-alueelle
  • Tehtävä: Kosmisen taustasäteilyn lämpötilaerojen mittaaminen

Hubblen vakiota on vaikea määrittää tarkasti. Erilaiset mittaustavat ovat tuottaneet jatkuvasti hieman toisistaan poikkeavia tuloksia, mutta tutkijat uskovat, että paremmilla menetelmillä laajenemisnopeus saadaan vielä määritetyksi luotettavasti.

Viime vuosina tähtitieteilijät ovat kehittäneet entistä tarkempia tutkimustapoja, mutta ne eivät ole kaventaneet vaihteluväliä.

Ääriarvot 67,4 ja 74 kilometriä sekunnissa ovat niin kaukana toisistaan, että monet tähtitieteilijät pitävät ainoana mahdollisena selityksenä yhä liian vajavaisia tietoja maailmankaikkeuden sisällöstä ja voimista.

Kuolevat tähdet kertovat vauhdin

Yhdysvaltalainen nobelisti ja Johns Hopkinsin yliopiston professori Adam Riess on työskennellyt yli 20 vuotta Hubblen vakion parissa.

Kun tietyntyyppiset suuret tähdet kuolevat supernovaräjähdyksenä, ne loistavat tunnusmerkillisesti. Ominaisuus mahdollistaa kaukaisten galaksien etäisyyden ja loittonemisnopeuden mittaamisen.

Vuonna 2019 Riessin tutkimusryhmä määritti Hubblen vakioksi 74 kilometriä sekunnissa kahden galaksin välistä megaparsekia (Mpc) kohti.

Megaparsek on pituusmitta, jolla ilmaistaan tähtitieteessä äärimmäisen suuret välimatkat. Se vastaa suunnilleen 31:tä miljardia miljardia kilometriä.

Hubblen vakio on maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden ilmaiseva arvo. Se voidaan määrittää supernovista tai taustasäteilyn vaihteluista, mutta mittaustulokset eivät käy yksiin.

Menetelmä 1

74 km/s laajenee kaikkeus, kun mittaus perustuu supernoviin

© KEN IKEDA

Räjähtävät tähdet ovat mittauspisteitä

Tyypin 1a supernovat loistavat tietyllä kirkkaudella. Etäisyyden kaksin­kertaistuessa valon määrä pienenee neljäsosaan, koska valo leviää laajemmalle alueelle. Kirkkaus ilmaisee siten matkan tähteen.

© KEN IKEDA

Laajeneminen muuttaa valoa punaisemmaksi

Kun supernova loittonee Maasta, valon aallonpituus kasvaa, joten valosta tulee punaisempaa. Mittaamalla niin sanottu punasiirtymä voidaan määrittää, mitä vauhtia supernova liikkuu poispäin.

© KEN IKEDA

Nopeus jaettuna etäisyydellä on yhtä kuin Hubblen vakio

Kun supernovan etääntymisnopeus jaetaan sen etäisyydellä, tuloksena on Hubblen vakio. Arvon tarkkuus paranee sitä mukaa kuin mitattavien supernovien määrä kasvaa.

Mittaustulos ei ole sataprosenttisen varma, mutta Riess ja hänen kollegansa uskaltavat sanoa, että Hubblen vakio on 72,6–75,4 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohti.

Arvo on saanut tukea Sherry Suyun saksalaisessa astrofysiikan Max Planck -instituutissa johtaman tähtitieteilijäryhmän tuloksista.

Tutkimuksessa käytettiin supernovien sijasta kvasaareja eli voimakkaasti loistavia galaksikeskuksia ja päädyttiin lukuun 73,3 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohti.

Muut – epäluotettavammat – mittaukset ovat antaneet arvoksi 72–75 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohti.

Toisella menetelmällä tehty hyvin tarkka mittaus on tuottanut selvästi pienemmän arvon. Tutkimus perustuu eurooppalaisen Planck-avaruusteleskoopin vuosina 2009–2013 välittämään dataan, joka koskee kosmista taustasäteilyä eli alkuräjähdyksen jälkihehkua.

Se on peräisin ajalta, jolloin universumi oli vain noin 380 000 vuotta vanha. Analysoimalla tätä säteilyä saadaan tietoa kaikkeuden laajenemisesta.

Vuonna 2018 hankkeen takana olevat tutkijat ilmoittivat määrittäneensä Hubblen vakioksi 67,4 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohti ± 0,5 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohti. Arvoa ei ole ennen esitetty näin pienellä virhemarginaalilla.

Tulosta tukevat galaksien sijaintia universumissa koskevat mittaukset. Koska aine ei sijainnut varhaisessa kaikkeudessa yhtä tiheässä, galaksit eivät ole jakautuneet täysin tasaisesti. Niiden jakautumiskuvio taas mahdollistaa Hubblen vakion laskemisen.

Lämpimien ja kylmien alueiden sijainnista ja koosta voidaan laskea maailmankaikkeuden laajenemisnopeus.

© PLANCK COLL./ESA

Menetelmä 2

67,4 km/s laajenee kaikkeus, kun mittaus perustuu taustasäteilyyn

Koko maailmankaikkeus on kylpenyt miljardeja vuosia lämpösäteilyssä, joka on peräisin sen varhaislapsuudesta, eli kosmisessa taustasäteilyssä. Varhainen universumi oli polttavan kuuma aine- ja säteilyliemi. Se ei ollut kuitenkaan kauttaaltaan yhtä lämmin, vaan aineen tiheydessä ja lämpötilassa oli pientä vaihtelua. Vaikka kaikkeus on sittemmin laajentunut ja jäähtynyt, säteily, joka syntyi kaikkeuden ollessa noin 380 000 vuoden ikäinen, on yhä olemassa.

Planck-teleskooppi on mitannut alkuräjähdyksen jäännöslämpöä hyvin tarkasti. Nykyään universumin lämpötila on vain –270,42 astetta eli 2,73 astetta enemmän kuin absoluuttinen nollapiste, mutta siinä on yhä pientä vaihtelua. Kosmisen taustasäteilyn erot vastaavat nuoren universumin vaihtelevia tiheyksiä, ja niitä koskevan tiedon ansiosta tähtitieteilijät pystyvät laskemaan, kuinka nopeasti maailmankaikkeus on laajentunut.

Kun tähtitieteilijät menevät kahden viime mittauksen pohjalta ajassa taaksepäin kohti alkuräjähdystä, maailmankaikkeuden iäksi tulee 13,8 miljardia vuotta, joka vastaa vallalla olevaa käsitystä.

Siinä tapauksessa, että universumi laajenee nopeammin niin kuin Adam Riessin supernovamittaukset antavat ymmärtää, sillä voi olla ikää satoja miljoonia vuosia vähemmän.

Epävarmuus Hubblen vakion suhteen vaikuttaa myös näkemyksiin universumin muodosta. Useimmat tähtitieteilijät pitävät maailmankaikkeutta laakeana tietämättä, onko se ääretön vai ei.

Aineen ja energian jakautuminen saa universumin kaareutumaan määrätavalla. Kaikkeus voi olla suljettu, avoin tai laakea. Useimmat tähtitieteilijät uskovat muodon olevan melkein laakea, mutta joukko tutkijoita on hiljattain esittänyt todisteita pallomaisuudesta.

© WMAP Science Team/NASA & SCIENCE PHOTO LIBRARY

1. Suljettu

Suuri tiheys sulkee kaikkeuden
Jos universumin keskimääräinen aine- ja energiamäärä eli tiheys on suuri, se kaareutuu sisäänpäin kuin pallo. Tutkijat kutsuvat tällaista kaikkeutta suljetuksi, sillä kaksi rinnakkaista valonsädettä lähestyvät toisiaan. Kolmion kulmien summa on yli 180 astetta.

© WMAP Science Team/NASA & SCIENCE PHOTO LIBRARY

2. Avoin

Pieni tiheys avaa kaikkeuden
Jos tiheys on pieni, universumi kaareutuu ulospäin satulamaisesti. Tällaista kaikkeutta kutsutaan avoimeksi, sillä kaksi rinnakkaista valonsädettä loittonevat toisistaan loputtomiin. Kolmion kulmien summa on alle 180 astetta.

© WMAP Science Team/NASA & SCIENCE PHOTO LIBRARY

3. Laakea

Tietynlainen tiheys litistää kaikkeuden
Yksi tietty tiheysluku johtaa siihen, että universumi ei kaareudu kokonaisuudessaan. Se on litteä kuin pannukakku – mutta kolmiulotteisesti. Rinnakkaiset valonsäteet etenevät yhdensuuntaisina loputtomiin. Kolmion kulmien summa on 180 astetta.

Nature Astronomy -tiedelehden marraskuussa 2019 julkaisemassa artikkelissa kolme fyysikkoa esittää, että Planck-teleskoopin mittaukset viittaavat suljettuun maailmankaikkeuteen.

Tämä tarkoittaa, että se kaareutuu sisäänpäin pallomaisesti eikä se ole siten ääretön. Teoria ei ratkaise Hubblen vakion ongelmaa, vaan se vaikeuttaa tilannetta: suljetusta muodosta seuraa, että arvon pitää olla vielä pienempi kuin Planck-teleskoopin datasta on laskettu.

Universumin käyttöohje uusiksi

Tiettyä fysiikan suuretta, kuten maailmankaikkeuden laajenemisnopeutta, koskevan tuloksen pitää olla aina sama riippumatta mittauskerrasta ja -tavasta.

Kun saadaan eri tuloksia, joko mittaukset tai fysiikan perusluonteiset oletukset ovat virheellisiä.

Tähtitieteilijä Adam Riess on määrittänyt Hubblen vakion supernovien avulla.

© HOLGER MOTZKAU

"Ero on nyt saavuttanut sen pisteen, jota ei voida enää sivuuttaa pelkkänä sattumana."

Adam Riess, tähtitieteen professori

Tähtitieteilijät ovat koettaneet kaikin tavoin paljastaa virhelähteet, mutta Hubblen vakion määritykset vaikuttavat luotettavilta, olipa laskelmien tulos sitten noin 67 tai noin 74 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohti.

Kukaan ei ole voinut osoittaa yhtä ainoaa virhettä. Kosmologia on toisin sanoen joutunut kriisiin, mutta tutkijoista tilanne on lähinnä kutkuttava, sillä kriisit poikivat usein uutta arvokasta tietoa.

Adam Riess pitää toisistaan poikkeavia esityksiä Hubblen vakion arvoksi kosmologian jännittävimpinä käänteinä kymmeniin vuosiin.

”Ero on kasvanut ja saavuttanut nyt sen pisteen, jota ei voida enää sivuuttaa pelkkänä sattumana”, toteaa Riess.

Jos mittaukset on suoritettu oikein, eron täytyy johtua siitä, että universumin pelisääntöjä ei ole täysin ymmärretty. Sherlock Holmesin sanoin: ”Kun kaikki mahdoton on suljettu pois, jäljelle jäävän vastauksen täytyy olla oikea, vaikka se olisi kuinka epätodennäköinen.”

Tähtitieteilijöiden voi olla pakko korjata kaikkeuden käyttöohjetta, jota he ovat työstäneet vuosikymmeniä. Ratkaisuehdotuksia Hubblen vakion ongelmaan onkin jo esitetty. Niitä yhdistää se, että ne kuvaavat
maailmankaikkeuden luultua monimutkaisemmaksi.

Kosmologinen standardimalli – niin sanottu λ-CDM-malli – on tähän asti voinut selittää, miksi universumi näyttää siltä, miltä se näyttää. Malliin perustuvat kaikki maailmankaikkeuden laajenemista koskevat mittaukset.

CDM tarkoittaa kylmää pimeää ainetta (englanniksi cold dark matter). Nimitys johtuu siitä, että pimeä aine ei lähetä mitään tunnettua säteilyä.

Kylmä merkitsee tässä yhteydessä kuitenkin selvästi valon nopeutta hitaampaa liikettä. Kreikkalainen kirjain lambda – λ – viittaa pimeään energiaan, jota on kaikkialla universumissa ja joka laajentaa sitä jatkuvasti. Eniten huomiota herättänyt ratkaisuehdotus liittyy nimenomaan pimeään energiaan.

Yksinkertaisimmassa universumin mallissa oletetaan, että pimeässä energiassa ei ole tapahtunut muutoksia: jokaisessa avaruuden kuutiometrissä on aina ollut sama vakiomäärä pimeää energiaa.

Pimeä energia saa kaikkeuden laajenemaan aina vain nopeammin, koska tilavuus ja siten myös pimeän energian määrä kasvaa. Siinä tapauksessa, että itse pimeä energia voimistuu, laajeneminen kiihtyy kuitenkin entisestään.

Se voi selittää, miksi eri mittaustavoilla saadaan eri tulos. Hubblen vakion pienin arvo, joka on saatu taustasäteilyn avulla, perustuu nimittäin oletukseen, että pimeän energian määrä on muuttumaton.

Ne mittaukset, joiden tulos on suurin arvo, pohjautuvat galaksien loittonemisnopeuteen, eikä pimeällä energialla ole niissä osuutta. Jos pimeä energia ei ole muuttumatonta, tuloksen riippuminen mittaustavasta käy järkeen.

Sen sijaan fyysikoiden on vaikeampi selittää, mistä pimeässä energiassa on perimmiltään kysymys ja mikä arvoituksellinen luonnonvoima muuttaa sitä ajan mittaan.

© SHUTTERSTOCK & KEN IKEDA MADSEN

Kaikkeus on enimmäkseen pimeää

Kosmologian standardimallin mukaan universumi koostuu kolmesta pääaineksesta: pimeästä energiasta (68,3 prosenttia), pimeästä aineesta (26,8 prosenttia) ja tavallisesta aineesta. Tavallisen eli havaittavan aineen osuus on vain 4,9 prosenttia. Syynä siihen, että kaikkeuden laajenemisnopeudesta on saatu eri tutkimistuloksia, saattaa olla se, ettei näkymätöntä universumia vielä ymmärretä oikein.

Mahdollisena selityksenä Hubblen vakioksi esitettyjen arvojen erolle on pidetty myös toista salaperäistä energiaa, joka hävisi jäljettömiin vaikutettuaan universumissa ainoastaan ensimmäiset 100 000 vuotta.

Ehkä ongelman ratkaisu vaatii uuden perusluonnonvoiman, joka auttaa selittämään, miksi maailmankaikkeus käyttäytyy tähtitieteilijät yllättäneellä tavalla.

Neutriino saa luvut täsmäämään

Jos Hubblen vakioon liittyvää ongelmaa ei ratkaise uusi luonnonvoima, ratkaisu voi löytyä arvoituksellisesta hiukkasesta. Esimerkiksi yhdysvaltalaisen Fermilabin tähtitieteilijät ovat kehittäneet selitystä mitättömän alkeishiukkasen, neutriinon, pohjalta.

Vaikka neutriinoja on kaikkialla ja niitä syntyy runsaasti muun muassa Auringossa, ne jäävät useimmiten huomaamatta. Neutriinojen ja muiden aineiden vuorovaikutus on lähes olematonta, ja neutriinot läpäisevät melkein kaiken aineen.

Niitä on myös hyvin vaikea mitata. Siksi fyysikot tietävät melko vähän neutriinoista ja pitävät mahdollisena, että niissä piilee ominaisuuksia, jotka voivat selittää Hubblen vakioksi saadut eri arvot.

Nykyään tunnetaan kolmenlaisia neutriinoja, mutta neljäskin – vielä löytämätön – tyyppi voi olla olemassa. Jos tuntematon neutriino näytteli jonkinlaista osaa varhaisessa maailmankaikkeudessa, sillä oli merkitystä sekä kosmiselle taustasäteilylle että galaksien jakautumistavalle.

Siinä tapauksessa se data, joka laskee perustan pienimmän Hubblen vakion arvon määritykselle, pitää analysoida toisin. Tuloksena voi olla suurempi arvo, joka on lähempänä supernovien ja kvasaarien avulla määritettyä arvoa.

Uusi neutriino-observatorio Hyper-Kamiokande saattaa antaa vastauksen.

Japaniin rakennettava laitos sisältää säiliön, joka täytetään 260 miljoonalla litralla ultrapuhdasta vettä. 40 000 erittäin herkkää ilmaisinta etsii merkkejä neutriinoista, jotka harvakseltaan törmäävät vesimolekyyleihin, ja voi myös paljastaa ennen tuntemattoman neutriinotyypin.

Jos ongelman takana ovat supernovat, Chileen rakennettava suuri Vera C. Rubinin observatorio voi tarkentaa mittaustuloksia. Vuonna 2023 valmistuva teleskooppi pystyy havaitsemaan paljon enemmän supernovia kuin tähän asti on ollut mahdollista.

Kun etäisyys- ja nopeusmittauksia voidaan tehdä useammin, Hubblen vakio kyetään määrittämään tarkemmin ja varmemmin.

Vuonna 2022 laukaistava avaruusteleskooppi Euclid tutkii universumin laajenemista viimeisten kymmenen miljardin vuoden aikana. Koska sillä nähdään paitsi nykyinen myös jo tapahtunut kehitys, voidaan tarkistaa, sopivatko havainnot menneisyyttä koskeviin oletuksiin.

© ATG MEDIALAB/ESA

Euclid-satelliitti

Euclid-satelliitti selvittää, onko pimeä energia muuttunut ajan mittaan.

  • Tyyppi: Avaruusteleskooppi
  • Laukaisu: 2022
  • Aallonpituus: Näkyvästä valosta lähi-infrapuna-alueelle
  • Tehtävä: Pimeän energian ja pimeän aineen tutkiminen uni-versumin laajenemismittauksilla

Tulevat mittaukset paljastavat, palauttaako tähtitieteilijöiden yksimielisyyden jokin mainituista teorioista vai tarvitaanko kolmas selitys.

Vasta sitten, kun universumin oikea malli ja sisältö on löydetty, tutkijat pystyvät esittämään vakuuttavasti käsityksensä laajenemisnopeudesta ja iästä.

Uudet neutriinoja, pimeää energiaa ja supernovia koskevat havainnot johtavat toivottavasti entistä tarkempaan maailmankaikkeuden kuvaukseen.

Kun siis tulevaisuudessa halutaan kuvitteellisen esimerkin mukaisesti tietää, kuinka kaukana kaupungit ovat toisistaan, matkamittari ja karttapalvelu antavat saman etäisyyden.