Kaikuja avaruudesta kuulee myös Turun yliopistonmäellä

TS/Riitta Salmi<br />Markus Copperin harmaa, spektroliittinen Big Bang Echo -veistos yliopiston Hämeenkadun puoleisten portaiden yläpäässä kutkuttaa sekä näkö- että kuuloaistia tarjoamalla erikoisen ulkonäkönsä lisäksi kaiuttimista kuuluvaa, kaukaa maailmankaikkeuden alkuhetkiltä, nykykäsityksen mukaan noin 14 miljardin vuoden takaa olevaa kohinaa.
TS/Riitta Salmi
Markus Copperin harmaa, spektroliittinen Big Bang Echo -veistos yliopiston Hämeenkadun puoleisten portaiden yläpäässä kutkuttaa sekä näkö- että kuuloaistia tarjoamalla erikoisen ulkonäkönsä lisäksi kaiuttimista kuuluvaa, kaukaa maailmankaikkeuden alkuhetkiltä, nykykäsityksen mukaan noin 14 miljardin vuoden takaa olevaa kohinaa.

Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia myönsi 3.10. kuluvan vuoden fysiikan Nobel-palkinnon kahdelle yhdysvaltalaiselle astrofyysikolle. John Mather ja George Smoot saivat huomionosoituksen työstään sellaisella astrofysiikan ja kosmologian saralla, johon yliopistonmäellä Turussa vierailevat ovat voineet tutustua kulkiessaan Hämeenkadun puoleisia portaita. Niiden yläpäässä on harmaa, spektroliittinen teos, joka kutkuttaa sekä näkö- että kuuloaistia tarjoamalla erikoisen ulkonäkönsä lisäksi kaiuttimista kuuluvaa kohinaa.

Kyseessä on Markus CopperinBig Bang Echo -veistos, joka pystytettiin yliopistonmäelle 2000, jossa se on siitä lähtien tarjonnut ohikulkijoille elämyksiä ja ehkä hieman ajattelemisen aihettakin. Veistoksesta kuuluva kohina on peräisin kaukaa maailmankaikkeuden alkuhetkiltä, nykykäsityksen mukaan noin 14 miljardin vuoden takaa.

Tänä kaukaisena aikana maailmankaikkeudella ei ollut vielä sitä muotoa, jonka me voimme nykyään havaita, vaan kaikki aine muodostui läpitunkemattomasta hiukkaspuurosta. Avaruuden laajetessa aineen samalla harvetessa ja jäähtyessä koitti aikanaan hetki, jolloin säteily ei enää pystynyt rikkomaan atomeja.

Kosminen alkukeitto muuttui läpinäkyväksi valolle ja säteily kirposi aineen otteesta. Sähkömagneettisen säteilyn lämpötila oli tuolloin noin 3 000 Kelvin-astetta ollen karkeasti sama kuin Auringon pinnan lämpötila. Nuori, 300 000 vuotta vanha maailmankaikkeus hohti siis kirkkaasti kuin Auringon pinta. Tämän varhaisen maailmankaikkeuden tutkimuksesta Mather ja Smoot saivat palkintonsa. He olivat yli tuhathenkisine tutkimusryhmineen ensimmäiset, jotka tarkasti kuvasivat tämän sähkömagneettisen säteilyn ominaisuuksia.

Matherin ja Smootin voidaan todellakin sanoa konkreettisesti kuvanneen taivaan, ottihan heidän instrumenttinsa vastaan taivaalta tulevaa sähkömagneettista säteilyä. Heidän kuvansa ei kuitenkaan ole pelkkää auringon kirkkautta, vaan sähkömagneettiset aallot, jotka syntyivät vuosimiljardeja sitten, ovat avaruuden laajenemisen myötä sittemmin venyneet ja jäähtyneet.

Niinpä säteilyn nykylämpötila vastaa vain noin 2,7 Kelvinin eli -270,9 °C:n lämpötilassa olevasta kappaleesta lähtevää lämpösäteilyä. Taivaalta tulevaa säteilyä ei siksi voi omin silmin enää nähdä, mutta Copperin veistoksen mikroaaltoalueelle viritetty laitteisto antenneineen vastaanottaa ja muuntaa säteilyn korvin kuultavaksi kohinaksi.

Taustasäteily kertoo universumin historiasta

Havainto 2,7 Kelvinin säteilystä kertoo, että universumin säde on noin tuhatkertaistunut siitä hetkestä, kun säteily irtosi materian vaikutuspiiristä. Lisäksi lähes kaikki varhaisen maailmankaikkeuden historian tapahtumat ovat jättäneet jälkensä kosmiseen taustasäteilyyn ja siksi nykyään tarkastelun keskipisteessä ovatkin pienet poikkeamat tasaisesta säteilytaustasta. Havaitut poikkeamat tarjoavat mahdollisuuden muodostaa käsityksen maailmankaikkeuden geometriasta ja koostumuksesta, sen historiasta ja lopulta ehkäpä sen tulevaisuudestakin.

Analysoimalla taustasäteilyn spektriä tarkasti ja yhdistämällä tämä tieto teoreettisiin malleihin sekä muihin astrofysikaalisiin havaintoihin, voidaan laskea vaikkapa, kuinka paljon maailmankaikkeudessa on materiaa, säteilyä tms. Ennen kaikkea tällöin voidaan erotella kosmologisten mallien joukosta jyvät akanoista.

Merkittävä virstanpylväs taustasäteilyn tutkimuksessa oli Nasan COBE-satelliitti (COsmic microwave Background Explorer), jonka tutkimusohjelmaa johtivat nyt palkitut Smoot ja Mater. Satelliitti laukaistiin avaruuteen marraskuussa 1989 ja vuosikymmenen kääntyessä 1990-luvuksi COBE:n instrumentit mittasivat säteilylämpötilaksi 2,725 Kelviniä ja osoittivat sen olevan tarkasti mustan kappaleen säteilyn kaltaista.

Instrumentit havaitsivat kuitenkin myös, että taustasäteilyssä on pieniä, joidenkin kymmenestuhannesosien poikkeamia mustan kappaleen säteilystä. Jotkut pimeän taivaankannen alueet ovat tarkkaan ottaen aavistuksen kirkkaampia, vastaten hieman lämpimämpää aluetta, jotkut taas vastaavasti aavistuksen himmeämpiä.

Kaikkien aikojen suurin löytö

COBE:n mittaamat tulokset olivat erityisesti lämpötilavaihteluiden osalta vielä epätarkkoja, lähinnä suuntaa antavia, sillä resoluutio oli vielä aivan liian karkea tarjotakseen vastauksia moniin kysymyksiin. COBE oli kuitenkin uraauurtava tutkimushanke. Aikamme ehkä tunnetuin fyysikko (vaikka ei olekaan Nobel-palkintoa saanut) Stephen Hawking on todennut COBE:n tulosten olevan "vuosisatamme tai jopa kaikkien aikojen suurin löytö".

COBE:n mittausten mukaan saatettiin ensimmäistä kertaa valmistaa taivaankannen mikroaaltotaustasäteilystä kartta, josta nähdään, missä sijaitsevat lämpimämmät, missä kylmemmät alueet. Mittauksissa havaitut poikkeamat tarjosivat lisäksi vastauksen tärkeälle kysymykselle siitä, mistä nyt havaittavat maailmankaikkeuden suuret rakenteet, muun muassa galaksijoukot, ovat peräisin. Pienen pienet lämpötilan vaihtelut taustasäteilyssä vastaavat tiheydeltään hieman tiheämpiä ja harvempia alueita, joista rakenteet ovat lähteneet muodostumaan. Taustasäteilyssä on siis nähtävissä galaksien siemenet!

Taustasäteilystä jo paljon tarkemman käsityksen antoi Nasan seuraavan satelliitin, WMAP:n (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) vuoden 2003 jälkeen julkistetut havainnot. WMAP:n tarkat tulokset ovat saaneetkin jotkut innostuneet tutkijat jo puhumaan kosmologisesta standardimallista, jonka parametrit tunnetaan prosenttien tarkkuudella. Ensihuuma on jo tosin laimentunut, kun on ymmärretty mittaukseen liittyvät ongelmat ja tuloksien riippuvuus kosmologisesta mallista.

Kuva universumin rakenteesta muuttuu

Tulkitaanpa COBE:n, WMAP:n ja muiden mikroaaltotaustasäteilyn kartoitusten tuloksia miten tahansa peliin on ilmestynyt takaisin unohdettu tekijä, ns. kosmologinen vakio. Albert Einstein lisäsi kosmologisen vakion teoriaan alun perin estämään maailmankaikkeutta laajenemasta, joten Edwin Hubblen havaintojen sittemmin osoitettua maailmankaikkeuden laajenevan Einstein tokaisikin kuuluisan lausahduksensa elämänsä suurimmasta munauksesta.

Niinpä kosmologisen vakio poistettiin teoriasta vuosikymmeniksi. Se voi kuitenkin myös kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista, siirtää se ohituskaistalle. Siksi se palautettiin teoriaan jälleen, kun nykyiset taustasäteilymittaukset yhdistettynä muihin astrofysikaalisiin havaintoihin osoittivat, että maailmankaikkeuden laajeneminen on kiihtyvää tai ainakin hidastuu hitaammin kuin ryömimiskaistalla oleva vertailu-universumi.

Lisäpontta Einsteinin kosmologisen vakion puolesta tuovat siis muutkin havainnot: kaukaisten supernovien ja maailmankaikkeuden galaksijoukkojen tarkastelu tukee hypoteesia maailmankaikkeudesta, jota hallitsee uusi ja outo energia, jota kosmologinen vakiokin voi kuvata. Fyysikoiden puheissa tämä maailmankaikkeuden kummallinen ainesosanen sai nimekseen pimeä energia, ollen sukua toiselle suurelle tuntemattomalle, pimeälle materialle.

Yhteistä näille "pimeille" ainesosasille on, että kummankaan luonnetta ei kunnolla tunneta. Kumpaakaan ei voida havaita suoraan niiden lähettämien signaalien, kuten valon perusteella, vaan ainoastaan välillisesti esimerkiksi tarkkailemalla niiden vaikutusta universumin geometriaan.

Outo uusi maailma

Pimeän energian olemassaololla on dramaattinen merkitys maailmankaikkeuden kohtalolle. Hurjimmissa skenaarioissa se lopulta hallitsee koko universumia repien planeetat radoiltaan ja lopulta atomitkin kappaleiksi! Kuitenkaan vielä ei ole syytä huoleen, sillä tämän ns. Big Rip -skenaarion loppuhetket saapuisivat vasta miljardien vuosien päästä.

Lisäksi tällä hetkellä näyttää siltä, että pimeän energian ominaisuudet eivät johda katastrofiin, vaan avaruuden laajetessa kiihtyvästi jäämme vain lopulta yksin oman galaksijoukkomme kera muiden galaksijoukkojen kadotessa vähitellen kosmisen horisontin taakse.

Siitä huolimatta, että pimeä energia on perin kummallista, on teoreettisilla hiukkasfyysikoilla ollut tarjota luonnollinen kandidaatti jo pitkään, ainakin periaatteessa. Kvanttikenttäteoriat, jotka kuvaavat materian perusosasia, alkeishiukkasia, ennustavat näet usein myös kosmologisen vakion olemassaolon.

Ikävä kyllä, laskettaessa niistä saatavan vakion suuruus, saadaan väärä tulos. Eikä kyseessä ole mikään pieni maton alle lakaistavissa oleva ongelma, sillä ennuste on väärässä enemmän kuin sata kertalukua: laskettu arvio on siis suurempi kuin havaintoarvo kerrottuna luvulla, jossa ykkösen perässä on yli sata nollaa!

Salaperäinen pimeä energia

Kvanttikenttäteorioiden ennustusten epäonnistuminen on jättänyt tilaa useille muille pimeän energian kandidaateille. Näille on annettu eksoottisia nimiä, kuten keskiajan alkemisteilta peräisin oleva nimitys kvintesenssi. On myös esitetty, että painovoima toimii erittäin suurilla välimatkoilla toisin kuin lyhyemmillä, ollen heikompi galaksijoukkojen mittakaavassa kuin maapallon ja omenan välillä. Tällöin maailmankaikkeuden laajeneminen hidastuisi hitaammin kuin standardipainovoiman tapauksessa. Ehdotuksia on monia ja erilaisia mahdollisuuksia on tarkasteltu myös Auran rannoilla.

Olipa pimeä energia lopulta sitten kvanttikenttäteorioiden haamuja tai gravitaation kummallisuuksia, se on joka tapauksessa eräs nykyfysiikan oudoimmista havainnoista ja eräs suurista avoimista kysymyksistä. Voi olla, että sen ymmärtäminen edellyttääkin täysin uudenlaista kuvaa aineesta ja avaruudesta.

Varmasti tarvitaan tarkempaa kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn tuntemista; etenemistä yhä pidemmälle Matherin, Smootin ja COBE:n osoittamalla tiellä. Tällä tiellä on myös ESA:n PLANCK satelliittiprojekti, joka 2007 suunnitelluksi tapahtuvan laukaisunsa jälkeen tulee mittaamaan taustasäteilyä tarkemmin ja monipuolisemmin. Sen tuloksia odotellessa voimme tarkastella vaikkapa COBE:n ottamia kauniita kuvia maailmankaikkeuden alkuhetkiltä tai nousta Hämeenkadulta muutamat askeleet kohti taivasta ylös yliopistonmäelle ja kuunnella tovi avaruuden pimeällä energialla höystettyjä alkusointuja Big Bang Echon vierellä.

Kirjoittajat ovat dosentteja ja työskentelevät Turun yliopiston fysiikan laitoksella.

TUOMAS MULTAMÄKI IIRO VILJA

TS/
TS/
TS/
TS/