Kaikkeus ei pysy tahdissa

Tutkijat ovat pitkään olleet yhtä mieltä ainakin yhdestä asiasta: maailmankaikkeus laajenee yhtä nopeasti joka paikassa. Nyt kuitenkin näyttää siltä, että laajenemistahti vaihtelee. Uudet mittaustulokset voivat panna totutut käsitykset uusiksi.

Tutkijat ovat pitkään olleet yhtä mieltä ainakin yhdestä asiasta: maailmankaikkeus laajenee yhtä nopeasti joka paikassa. Nyt kuitenkin näyttää siltä, että laajenemistahti vaihtelee. Uudet mittaustulokset voivat panna totutut käsitykset uusiksi.

Claus Lunau

Yhden vertauksen mukaan vastasyntynyt maailmankaikkeus oli kuin pyöreä rusinapulla. Rusinoina siinä oli galaksijoukkojen alkuja. Ne olivat jakautuneet tasaisesti taikinapalloon.

Kun kosminen taikina nousi, se pullistui joka suuntaan tarkalleen samalla nopeudella. Ajan mittaan rusinoista kasvoi galaksijoukkoja, jotka maailmankaikkeuden laajentuessa loittonivat toisistaan. Silti niitä oli yhä tasaisesti kaikkialla pullassa.

Pullataikinavertaus vastaa fysiikan standardimallia, joka on ollut kosmologian perusta. Nyt malli ei kuitenkaan näytä vastaavan todellisuutta.

Euroopan avaruusjärjestön Esan XMM-Newton- ja Nasan röntgenalueella toimivan Chandra-avaruusteleskoopin havainnot viittaavat siihen, että taikina onkin noussut epätasaisesti.

Maailmankaikkeus laajenee eri tahtiin eri paikoissa, ja siksi galaksijoukkoja on toisissa paikoissa enemmän kuin toisissa.

Mittaukset viittaavat siihen, että sähkömagnetismi on suurempaa eteläisellä tähtitaivaalla kuin pohjoisella. Universumilla on ilmeisesti magneettinen pohjois-eteläakseli.

© Shutterstock

Vakiintuneet teoriat sanovat aivan toista. Niiden mukaan maailmankaikkeus laajenee täsmälleen yhtä nopeasti kaikkialla ja galaksijoukkoja on tasaisesti joka paikassa.

Eikä siinä kaikki. Kolmaskin fysiikan peruslähtökohta näyttää joutuneen kyseenalaiseksi. Luonnonvoimien on uskottu olevan yhtä voimakkaita kaikkialla. Australialaiset tutkijat ovat kuitenkin löytäneet kvasaarien eli kaukaisten galaksien valosta viitteitä siitä, että sähkömagneettinen voima vaihtelee.

Jos havainto pitää paikkansa, moni vakiintunut käsitys maailmankaikkeudesta menee uusiksi.

Alkuräjähdys aloitti laajentumisen

Nykyaikainen kosmologia sai alkunsa vuonna 1929, kun yhdysvaltalainen tähtitieteilijä Edwin Hubble havaitsi, että maailmankaikkeus laajeni joka suuntaan.

Mitä kauempana Linnunradasta vieras galaksi oli, sitä nopeammin se näytti loittonevan. Havainnon pohjalta kehitettiin myöhemmin teoria alkuräjähdyksestä.

Sen mukaan kaikki maailmankaikkeuden massa ja energia oli aluksi kasautuneena käsittämättömän pieneksi pisteeksi, joka räjähti ja alkoi laajentua ja laajenee edelleen. Alkuräjähdysteoria on yhä kosmologian ydin.

Nykyisin tutkijat ovat laajalti yhtä mieltä siitä, että alkuräjähdys tapahtui noin 13,8 miljardia vuotta sitten.

Uusien röntgensädemittausten mukaan galaksijoukot eivät loittone yhtä nopeasti kaikkialla avaruudessa. Havainto voi selittyä siitä, että niin sanottu pimeä aine ei ole jakautunut tasaisesti kaikkialle maailmankaikkeuteen.

© Planck Collab/ESA

Massa jakautui tasaisesti alusta asti

380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen levisi kosminen taustasäteily, joka on kuin kartta varhaisesta maailmankaikkeudesta. Se osoittaa, että massa oli jakautunut tasaisesti ja maailmankaikkeus laajeni yhtä nopeasti joka suuntaan.

© Claus Lunau

TEORIA: Laajeneminen on yhtä nopeaa kaikkialla

Maailmankaikkeus on laajentunut siitä lähtien, kun se syntyi 13,8 miljardia vuotta sitten. Monet havainnot viittaavat siihen, että galaksijoukot ovat yhä jakautuneet tasaisesti eri puolille avaruutta ja maailmankaikkeus laajenee yhtä nopeasti joka puolella.

© Planck Collab./ESA & Claus Lunau

TEORIA: Pimeä energia on yhtä voimakas kaikkialla

5–6 miljardia vuotta sitten laajenemisvauhti hidastui, kun painovoima alkoi hidastaa laajenemista. Sitten tuntematon loitontava voima, pimeä energia, alkoi taas kiihdyttää laajenemista. Teorian mukaan pimeä energia on yhtä voimakas joka puolella.

© K. Migkas et al. 2020

Uusi mittaus: Laajenemisvauhti vaihtelee

Röntgenmittaukset galaksijoukkojen liikkeistä viiden miljardin viime vuoden ajalta osoittavat, että maailmankaikkeus kasvaa epätasaisesti. Violeteilla ja keltaisilla alueilla laajenemisnopeus, Hubblen vakio, on pienempi tai suurempi kuin yleensä. Se viittaa siihen, että pimeän energian voimakkuus vaihtelee.

1970-luvulla huomattiin, että maailmankaikkeuden massa oli jakaantunut galaksijoukoiksi samalla tavalla kaikkialla. Suunnattiin teleskooppi mihin suuntaan tahansa, galaksijoukkoja oli yhtä paljon. Jos maailmankaikkeus olisi laajentunut tasaista tahtia koko ajan, painovoima olisi ajanut osan galaksijoukoista yhteen ja siten sotkenut jakauman.

Tasaisuuden selitykseksi laadittiin inflaatioteoria. Sen mukaan heti alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus laajeni sekunnin murto-osan ajan valoa nopeammin.

Näin massa jakautui tasaisesti heti alussa samalla tavoin kuin ilma jakautuu tasaisesti ilmapallossa, joka puhalletaan täyteen.

Viime vuosikymmeninä inflaatioteoria on saanut tukea muun muassa kosmisen taustasäteilyn tutkimuksesta. Koko avaruuden täyttävä kosminen taustasäteily sai alkunsa 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

Se on ikään kuin kuva varhaisesta maailmankaikkeudesta. Sen mukaan massa oli jakautunut tasaisesti ja maailmankaikkeus oli pullistunut samalla tavalla joka suuntaan.

Outo voima lopetti jarrutuksen

1990-luvun lopulle asti tutkijat olettivat, että ajan mittaan painovoima hidastaa galaksijoukkojen loittonemisvauhtia.

Kun yhdysvaltalaiset ja australialaiset tutkijat mittasivat maailmankaikkeuden laajenemisvauhtia supernovaräjähdysten valosta, tulos olikin päinvastainen: maailmankaikkeuden laajenemisvauhti kiihtyy.

Kiihtyminen näytti selittyvän siitä, että galaksijoukkojen välisessä avaruudessa vaikuttaa outo voima, joka työntää kappaleita poispäin. Voimaa alettiin kutsua pimeäksi energiaksi. Se on ilmeisesti voimakkaampi kuin galaksijoukkojen keskinäinen vetovoima.

Näyttää siltä, että ensimmäisten 7–8 miljardin vuoden ajan painovoima vähitellen hidasti maailmankaikkeuden laajenemista, mutta 5–6 miljardia vuotta sitten pimeä voima pääsi niskan päälle ja laajeneminen alkoi taas kiihtyä.

Galaksijoukkojen mittaukset muun muassa XMM-Newton-avaruusteleskoopilla osoittavat, että galaksijoukkojen nopeus vaihtelee.

© C. Carreau/ESA

Vallitsevan teorian mukaan pimeä energia on lähtöisin galaksijoukkojen välisestä avaruudesta.

Energian voimakkuus on vakio niin, että tietyssä tilavuudessa avaruutta on aina sama määrä loitontavaa pimeää energiaa.

Pimeä energia pääsi voitolle painovoimasta 5–6 miljardia vuotta sitten, koska maailmankaikkeuden kasvaessa myös avaruuden tilavuus ja sen sisältämän pimeän energian määrä kasvaa.

Fysiikan standardimallin mukaan luonnonvoimat ovat yhtä vahvoja kaikkialla maailmankaikkeudessa. Kaukaisten galaksien, kvasaarien, valossa on kuitenkin havaittu viitteitä siitä, että sähkömagneettinen voima on eteläisellä tähtitaivaalla suurempi kuin pohjoisella.

©

TEORIA: Luonnonvakion arvo on riippumaton paikasta

Hienorakennevakio on luonnonvakio, joka määrää hiukkasten, kuten protonien ja neutronien, välisen sähkömagneettisen vuorovaikutuksen suuruutta. Standardimallin mukaan sen pitäisi olla yhtä vahva kaikkialla.

© Planck Collab./ESA & Claus Lunau

Uusi mittaus: Metalliatomit näyttävät avaruuden magneettinavat

Kun kvasaarista tuleva valo läpäisee kaasupilven, metalliatomit imevät tietyt valon aallonpituudet itseensä, mutta aallonpituudet eivät vastaa odotuksia. Näyttää siltä, että universumissa on magneettinen pohjois-eteläakseli.

© Shutterstock & M. Kornmesser/ESO

  • 1 Pohjoisessa: Heikko sähkömagneettisuus: Näyttää siltä, että sähkömagneettinen voima on hivenen heikompi pohjoisen kuin eteläisen tähtitaivaan galakseissa.
  • 2 Maassa: Elämälle suotuisa magneettisuus: Meidän kolkallamme sähkömagneettinen voima on juuri sopiva, jotta elämälle tarvittavia molekyylejä voi muodostua.
  • 3 Etelässä: Voimakas sähkömagneettisuus: Eteläisen tähtitaivaan galakseissa sähkömagneettinen voima näyttää olevan voimakkaampi kuin pohjoisessa.

Teorian mukaan pimeän energian voimakkuus on yhtä suuri kaikkialla ja universumin laajeneminen kiihtyy yhtä lailla joka paikassa.

Tämä käsitys on nyt saanut kolauksen. Jos XMM-Newtonin ja Chandran havainnot pitävät kutinsa, avaruus on laajentunut eri paikoissa eri nopeudella.

Galaksijoukoilla eri vauhti

Mullistavat mittaustulokset sai tutkijaryhmä, jota johti tähtitieteilijä Konstantinos Migkas saksalaisesta Bonnin yliopistosta.

Tutkijat tarkkailivat 237 galaksijoukon liikkeitä 191 päivän ajan Nasan Chandra-avaruusteleskoopilla ja 76:ta galaksijoukkoa Esan XMM-Newton-avaruusteleskoopilla. Lisäksi ryhmä kävi läpi japanilaisella ASCA-röntgensatelliitilla tehtyjä havaintoja.

Kaikkiaan tutkimuksessa oli siis mukana 842 galaksijoukkoa. Ne sijaitsevat noin viiden miljardin valovuoden päässä Maasta, joten niiden liikkeet ovat tapahtuneet sen jälkeen, kun pimeä energia alkoi kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista.

Jotta voidaan mitata galaksijoukkojen ja muiden valonlähteiden etäisyys, täytyy tietää niiden absoluuttinen valon voimakkuus. Migkas kollegoineen määritti valon voimakkuuden mittaamalla kunkin galaksijoukon galaksien välissä olevien kuumien vetykaasupilvien lämpötilan.

Mitä kuumempaa kaasu on, sitä enemmän röntgensäteilyä galaksijoukko säteilee. Galaksijoukoista, joiden kaasun lämpötila on sama ja jotka ovat yhtä kaukana Maasta, tulee yhtä paljon röntgensäteilyä.

Kosmisten kohteiden havaittu valonvoimakkuus on sitä pienempi, mitä kauempana havainnoitsijasta ne ovat. Vertaamalla valon havaittua ja absoluuttista voimakkuutta saatiin selville galaksijoukon etäisyys.

842 galaksijoukon liikkeet osoittavat, että universumi laajenee epätahtiin.

Tutkijoiden hämmästykseksi tähtitaivaalta löytyi kaksi aluetta, joista toisessa röntgensäteily oli 30 prosenttia voimakkaampaa ja toisessa 30 prosenttia heikompaa kuin oli odotettu.

Voimakkaammin säteilevät galaksijoukot ovat siis oletettua lähempänä Maata, heikommin säteilevät taas kauempana kuin teorian mukaan pitäisi.

Kun havaintoja verrattiin maailmankaikkeuden yleiseen laajenemisnopeuteen, lopputulos oli, että läheisissä galaksijoukoissa maailmankaikkeus laajenee hitaammin kuin kaukaisissa.

Ehkä pimeä energia onkin kenttä

Ilmeisin selitys laajenemisvauhdin eroille on se, että pimeän energian voimakkuus vaihtelee eri puolilla maailmankaikkeutta.

Se tosin on ristiriidassa sen vakiintuneen käsityksen kanssa, että pimeä energia on vakio ja sen loitontava vaikutus on sama kaikkialla. Toinen selitys on se, että pimeä energia onkin tuntematon voimakenttä, joka vaihtelee aika-avaruuden eri osissa.

On tietysti myös mahdollista, että mullistavat mittaustulokset ovat virheellisiä. Virheellinen havainto voisi johtua esimerkiksi siitä, että epätavallisen nopeasti laajenevan maailmankaikkeuden alueen takana on galaksien superjoukko, jonka vetovoima antaa galaksijoukoille vauhtia. Mikään havainto ei kuitenkaan tue tällaista selitystä.

Toisaalta myös Linnunradassa voi olla tuntemattomia pölypilviä, jotka vääristävät mittaustuloksia.

Tutkijoiden onneksi luvassa on uusia, entistä tarkempia mittaustuloksia. Mittaukset tehdään venäläis-saksalaisella SRG- eli Spectrum-Roentgen-Gamma-satelliitilla, joka aloitti toimintansa viime vuonna.

SRG havainnoi röntgensäteilyä lyhyillä jopa 0,2 nanometrin aallonpituuksilla, jotka läpäisevät pölypilvetkin. XMM-Newton ja Chandra eivät näe alle 1 nanometrin aallonpituuksia. Lisäksi XMM-Newton ja Chandra ovat tarkkailleet vain muutaman sadan galaksijoukon liikkeitä. SRG käy neljässä vuodessa läpi 100 000 galaksijoukon liikkeet.

Uudet mittaustulokset, jotka näyttävät haastavan fysiikan perusteoriat maailmankaikkeuden laajenemisesta ja sähkömagneettisesta voimasta, aiotaan tarkistaa perin pohjin lähivuosina. Toimeen tarttuu kaksi avaruusteleskooppia ja yksi teleskooppi Maan päällä.

© Space research Institute

Röntgensatelliitti kartoittaa galaksijoukkoja

Venäläis-saksalaisen SRG:n on määrä kartoittaa neljän vuoden aikana 100 000 galaksijoukon liikkeet. Tarkoitus on myös selvittää, aiheuttaako pimeä energia vaihtelua kaikkeuden laajenemisnopeudessa. SRG otettiin käyttöön vuonna 2020, ja se on jo tuottanut ensimmäisen kartan tähtitaivaan lyhytaaltoisesta röntgensäteilystä.

© S. Corvaja/ESA

Euclid katsoo 10 miljardin vuoden päähän

Vuonna 2022 lähtee Esan avaruusteleskooppi Euclid selvittämään, miten kaksi miljardia galaksia on liikkunut 10 miljardin viime vuoden aikana, kun pimeä energia on kiihdyttänyt universumin laajenemista. Tarkoitus on selvittää, vaihteleeko energian määrä eri paikoissa. Euclid tutkii näkyvää valoa ja lähi-infrapuna-alueen säteilyä.

© L. Calçada/ESO

Jättiläisteleskooppi mittaa sähkömagneettista voimaa

ELT eli Extremely Large Telescope (erittäin iso teleskooppi) alkaa vuonna 2025 tutkia niitä valon aallonpituuksia, jotka imeytyvät metalliatomeihin tähtienvälisissä kaasupilvissä. Niistä nähdään, vaihteleeko sähkömagneettinen voima.

Epävakaa luonnonvakio

Näyttää siltä, että paitsi pimeä energia myös yksi eniten tutkituista luonnonvoimista, sähkömagnetismi, vaihtelee paikan mukaan. Ensimmäiset viitteet siitä, että luonnonvakiona pidetty sähkömagneettinen voima ei olekaan muuttumaton, löysi australialainen Uuden Etelä-Walesin yliopiston tähtitieteilijä John Webb vuonna 1999 tutkiessaan kvasaarien valoja.

Kvasaarit ovat hyvin kaukaisia erittäin kirkkaita galakseja. Niiden valo on lähtenyt kulkemaan jo maailmankaikkeuden lapsuudessa.

Kvasaarien valo on niin voimakasta, että se peittää alleen satoja tavallisia galakseja.

Webb tutki Havaijilla sijaitsevan suuren Keck-teleskoopin avulla, miten kvasaarien valo vaikuttaa galaksienvälisessä avaruudessa olevien kaasupilvien metalliatomeihin.

Hänen oli aluksi vaikea uskoa tutkimustensa tuloksia. Niiden mukaan kaasupilvien rauta- ja magnesiumatomit imivät itseensä valosta eri aallonpituuksia kuin laboratoriossa Maan päällä.

Ainoa selitys oudoille tuloksille on se, että maailmankaikkeuden alkuaikoina niin sanottu hienorakennevakio on ollut nykyistä pienempi.

Hienorakennevakio kuvaa sähköisesti varautuneiden hiukkasten, kuten elektronien ja protonien, välillä vaikuttavan sähkömagneettisen voiman suuruutta.

Fysiikan peruslähtökohtia on ollut, että luonnonvoiman, kuten sähkömagneettisen voiman, voimakkuus on sama aina ja kaikkialla. Webb uskoikin ensin, että mittauksessa oli tapahtunut virhe.

Lukuisista tarkastuksista huolimatta mitään virhettä ei kuitenkaan löydetty.

99,9937 prosenttia. Sillä todennäköisyydellä maailmankaikkeudessa on magneettinen pohjois-eteläakseli.

Mahdollisten virheiden poissulkemiseksi mittaukset päätettiin tehdä uudestaan Pohjois-Chilessä sijaitsevalla VLT (Very Large Telescope) -teleskoopilla, joka koostuu neljästä yhteen liitetystä 8,2 metrin levyisestä teleskoopista. Tarkistusmittaus tuotti uuden yllätyksen.

VLT:n mittauksen mukaan sähkömagneettinen voima on kaukana avaruudessa suurempi kuin Maan päällä. Webb päätteli, että sähkömagneettinen voima on vaihdellut eri aikoina maailmankaikkeuden menneisyydessä, mutta se vaihtelee myös tähtitaivaan eri osissa. Keck havainnoi pohjoista tähtitaivasta Havaijilla 20. pohjoiselta leveysasteelta.

VLT puolestaan tarkkailee päiväntasaajan eteläpuolista tähtitaivasta Chilessä 25. eteläiseltä leveysasteelta.

Tähtitaivaalla magneettinen akseli

Kymmenen viime vuotta John Webb on koonnut todisteita teorialleen mittaamalla satojen kvasaarien valoa. Viimeksi hän tutki pohjoisella tähtitaivaalla loistavaa kvasaaria, joka on 13 miljardin valovuoden päässä Maasta. Sen valo on siis ajalta, jolloin maailmankaikkeus oli vasta 800 miljoonaa vuotta vanha.

Kaikki tulokset vahvistavat sen, että sähkömagneettinen voima on pohjoisen tähtitaivaan kaukaisissa kohteissa hieman heikompi ja eteläisellä tähtitaivaalla hiukan suurempi. Maailmankaikkeuden läpi kulkee siis eräänlainen pohjois-eteläakseli.

Todennäköisyys, että Webbin havainto ei ole sattumaa, on nyt 99,9937 prosenttia. Jotta fysiikan tai tähtitieteen havaintoa voidaan pitää varmana, todennäköisyyden pitää olla 99,9994 prosenttia.

Lopullinen varmuus saadaan ehkä vuonna 2025. Silloin tähtitaivasta alkaa tutkia uusi ELT eli Extremely Large Telescope, joka on rakenteilla Pohjois-Chileen. Sen peilin läpimitta on 39,3 metriä, joten se havaitsee kvasaarien valon pienet poikkeavuudet paljon tarkemmin kuin nykyiset teleskoopit.

Kaukana avaruudessa havaitut hienorakennevakion poikkeamat ovat vain kuusi miljoonasosaa suuntaansa.

Se on hyvä. Jos sähkömagneettinen voima olisi muutamankin prosentin heikompi kuin Linnunradassa, positiivisesti varautuneet atomiytimet eivät pystyisi pitämään niitä ympäröiviä elektroneja otteessaan.

Silloin ei voisi syntyä atomeja eikä niitä molekyylejä, joihin elämä perustuu. Jos taas sähkömagneettinen voima olisi parikin prosenttia suurempi, tähdissä ei voisi muodostua hiiltä, joka on eliöiden tärkein rakenneosa.

Jos maailmankaikkeuden laajeneminen, pimeä energia ja sähkömagneettinen voima eivät ole muuttumattomia, monet teoriat menevät uusiksi. Toisaalta niin kävi myös silloin, kuin Hubble tajusi, että maailmankaikkeus kasvaa. Tuloksena oli entistä parempi ymmärrys maailmankaikkeudesta.