Big Bangin painovoima-aallot

min read

A- A+

read

Sputh Pole Telescope ja BICEP2 (oikealla)

Huom: Uutinen on osoittautunut jälkikäteen väärinymmärrykseksi: syynä havaintoon eivät olleet painovoima-aallot, vaan Linnunradassa oleva pöly. Lisätietoja mm. tässä hyvässä Naturen jutussa.

Tämä on kenties vuosikymmenen suurin tähtitieteellinen uutinen: Etelämantereella sijaitseva radioteleskooppi on havainnut merkkejä ammoisista painovoima-aalloista, jotka syntyivät 13,8 miljardia vuotta sitten maailmankaikkeuden alun käydessä läpi kenties hurjinta syntymänsä spurttia.

Sen aikana nuori, juuri syntynyt maailmankaikkeus laajeni 20²⁶ kertaa (miljoona miljoona miljoonaa miljardia) suuremmaksi nopeudella, joka todennäköisesti oli valon nopeutta suurempi.

Kyseessä on kaikessa outoudessaan merkittävä löytö ensinnäkin siksi, että tämä on ensimmäinen kerta, kun maailmankaikkeuden alun aikaisista, Einsteinin suhteellisuusteorian ennustamista painovoima-aalloista on saatu suoria todisteita. Toiseksi se vahvistaa kuvaamme maailmankaikkeuden synnystä ja tuo siitä huippukiinnostavaa lisätietoa. Näistä voisi hyvinkin saada kustakin erikseen Nobelin palkinnon.

Havainnon tehneessä ryhmässä oli tutkijoita Kalifornian teknillisestä yliopistosta Caltechistä, NASAn Jet Propulsion Laboratorystä sekä Stanfordin, Harwardin ja Minnesotan yliopistoista. Ryhmää johtaa tunnettu kosmologi John Kovac Harvard-Smithsonianin astrofysiikkakeskuksesta.

Ryhmällä oli kiire saada uutisensa ulos pikaisesti, koska kilpailevien ryhmien samankaltaiset tulokset ovat nähtävästi juuri tulossa; niinpä tänään ollut tiedotustilaisuus (mistä videotallenne on täällä) pidettiin epätavallisesti ennen kuin tuloksista kertova artikkeli on julkaistu.

Epäsuorasti tietoa inflaatiosta

Inflaatioksi kutsutaan hetkeä, joka tapahtui ensimmäisen sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tuhannesosan aikana. Sitä voi pitää ikään kuin alkuräjähdyksen varsinaisena alun räjähdyksenä.

Sitä ei kuitenkaan voi havaita suoraan, sillä oikeastaan mitään maailmankaikkeuden synnystä on mahdotonta havaita suoraan, koska kaikilla tavoilla sitä tutkittaessa törmätään noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen olleeseen aikaan. Sitä aikaisempaa ei voi nähdä, koska sitä ennen kaikkeus oli täynnä erittäin kuumaa plasmaa, sähköisesti varattuja hiukkasia, jotka sinkoilivat edes takaisin avaruudessa. Silloin ei ollut vielä tähtiä, vaan kaikki oli kuumaa vety-ytimistä muodostunutta hiukkaspuuroa.

Laajentuessaan maailmankaikkeus viileni ja kun tiheys, paine ja lämpötila olivat laskeneet tarpeeksi noin 380 000 vuoden kuluttua alkupamauksesta, alkoi jo siellä olleen kuuman, ionisoituneen vedyn lisäksi plasmaan alkoi muodostua neutraalia vetyä ja heliumia. Koska inflaation aikana maailmankaikkeus laajeni erittäin nopeasti, syntyi siihen pieniä paikallisia ainetihentymiä, klönttejä, jotka muodostivat ituja nykyiselle maailmankaikkeudelle, missä on ainetta hyvin epätasisesti jakaantuneena esimerkiksi galakseina ja niiden joukkoina.

Nyt joka puolelta taivasta havaittavissa oleva niin sanottu mikroaaltotaustasäteily on ikään kuin kaiku tuosta hetkestä. Se oli aikanaan hyvin suurienergistä sähkömagneettista säteilyä, mutta maailmankaikkeuden laajetessa sen aallonpituus venyi ja nyt tämä säteily on havaittavissa mikroaaltojen aallonpituusalueella.

Taustasäteilyä on tutkittu eri menetelmin jo pitkään, ja muun muassa viime vuonna toimintansa lopettanut Planck-teleskooppi havaitsi sen pieniä poikkeamia hyvin tarkasti. Sen lähettämistä tiedoista pystyttiin muodostamaan kuva maailmankaikkeudesta aikaan, jolloin plasmasta alkoi tiivistyä atomiytimiä. Se on maailmankaikkeuden kaikkein aikaisin kartta.

Planck havaitsi myös tuon säteilyn polarisaatiota, mutta sen vahvuus oli ennemminkin säteilyn voimakkuuden mittaaminen. Sen sijaan nyt julkistetun mullistavan löydön tehnyt, Etelämantereella sijaitseva BICEP2 -teleskooppi (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) havaitsee ennen kaikkea erittäin tarkasti taivaan taustasäteilyssä olevaa polarisaatiota.

Ja tämän löydön salaisuus on polarisaatiossa.

Polarisaatio tarkoittaa sitä missä suunnassa sähkömagneettisen säteilyn aallot värähtelevät. Yleensä esimerkiksi valo on kaikkiin suuntiin polarisoitumatonta, mutta toisinaan esimerkiksi magneettikenttä tai säteilyn siroaminen saa aikaan sen, että aallot ovat hyvin polarisoituneita - lähestulkoon kaikkien valonsäteiden värähtely tapahtuu samaan suuntaan, ylös, alas tai siihen välille, mutta vain samaan suuntaan.

Taivaan taustasäteilyn tapauksessa mikroaallot ovat polarisoituneita ammoisen maailmankaikkeuden hiukkaspuurossa tapahtuneen säteilyn siroamisen vuoksi.

Polarisoitumisen havaitseminen sinällään ei ole vaikeaa, mutta nyt tästä taustasäteilyn polarisoitumisesta haettiin sen hienorakennetta. Mikäli siitä löytyisi säännönmukainen, aaltomainen, hieman spiraalilta näyttävä rakenne – niin sanottu B-moodi - niin se olisi merkki siitä, että maailmankaikkeuden supernopea laajeneminen olisi synnyttänyt painovoima-aaltoja, jotka puristivat ja venyttivät maailmankaikkeutta kuin taikinaa. Pohjimmiltaan nämä inflaation ajan painovoima-aallot ovat peräisin kvanttimekaniikan epämääräisessä olemuksessa.

Tämän B-moodin löytäminen olisi siten suora todiste paitsi siitä, että tämä maailmankaikkeuden inflaatio on tapahtunut, niin myös siitä, että ammoisen maailmankaikkeuden ajan gravitaatioaaltoja voisi havaita.

Omituiset gravitaatioaallot

Klassinen lyhennelmä Albert Einsteinin suhteellisuusteoriasta sanoo, että aine sanoo avaruudelle miten sen pitää kaareutua, ja avaruuden kaarevuus puolestaan kertoo aineelle, miten sen tulee liikkua avaruudessa. Tämän saman ajattelumallin mukaan avaruuden kaarevassa pinnassa voi olla aaltoja, jotka toisaalta syntyvät massojen liikkumisen vuoksi, mutta jotka voivat myös liikuttaa massoja.

Gravitaatioaallot olisivat kuin aaltoja veden pinnalla, jotka liplattavat kahta kaarnavenettä ylös ja alas. Niitä saisi aikaan myös heittämällä veteen vaikkapa ison kiven.

Yksi tapa havaita painovoima-aaltoja, eli gravitaatioaaltoja, on tutkia erittäin tarkasti kahden massan välisen etäisyyden muutoksia (siis miten kaarnaveneiden sijainti toistensa suhteen muuttuu, kun aallot heiluttavat niitä). Tätä on yritetty erilaisin kokein, mutta tulokset ovat olleet epäselviä. Parhaiten asiaa tulee havaitsemaan tulevaisuudessa ESAn LISA-avaruusaluskolmikko, missä kolmen satelliitin välisiä etäisyyksiä avaruudessa mitataan lasersäteiden avulla.

LISA sopii kuitenkin vain mustien aukkojen ja vastaavien massiivisten kohteiden lähettämien aaltojen havaitsemiseen, sillä samoin kuin sähkömagneettista valoa, on myös painovoima-aaltoja eri aallonpituuksisia. Kiven heittäminen veteen lähellä tuottaa erilaisia aaltoja kuin järveen ulapan takana laskevan kosken virtaama.

Nyt havaitut aallot olivat aallonpituudeltaan hyvin pitkiä, eli taajuudeltaan hyvin pieniä, eikä niitä voi havaita suoraan. Ensimmäinen painovoima-aalloista tehty havainto oli myös tällainen epäsuora: vuonna 1974 tähtitieteilijät Russell Hulse ja Joseph Taylor havaitsivat kahden, toisiaan kiertävän kuolleen tähden lähettämää radiosäteilyä ja huomasivat, että tämän kaksoispulsarin koko ajan menettämä energiamäärä vastaa täsmälleen Einsteinin suhteellisuusteorian ennustamaa energiahävikkiä, joka johtuisi kaksikon ympärilleen lähettämistä gravitaatioaalloista. Hulse ja Taylor saivat tästä Nobelin vuonna 1993.

Seuraava askel painovoima-aaltojen havaitsemisessa olisi se, että ne voitaisiin havaita suoraan – esimerkiksi kahden massan huojuessa toistensa suhteen.

Kylmä teleskooppi reiän alla

Olennaisin asia tuoreessa löydössä oli se, että siinä painovoima-aaltojen taivaan taustasäteilyyn jättämä jälki, B-moodi, voitiin erottaa muista sellaisen mahdollisesti aiheuttavista häiriölähteistä, kuten Linnunradassa olevasta tähtienvälisestä kaasusta.

Tämä vuoksi teleskooppi sijoitettiin Etelämantereelle, koska siellä se on niin sanotun "eteläisen aukon" alla; kyseessä on pala taivasta, mistä näkee varsin hyvin ja häiriöttä ulos galaksistamme.

Itse teleskooppi on myös erittäin herkkä. Se koostuu 512 suprajohtavasta mikroaaltovastaanottimesta, jotka pystyvät havaitsemaan säteilyn polarisaation erittäin tarkasti. Niiden toimintalämpötila on vain 0,25 Kelviniä, eli vain hitusen absoluuttisen nollan yläpuolella, joten sähkövirta kiertää niissä lähes vastuksetta ja niiden kohina on erittäin pieni. Siten siis niiden herkkyys on hyvä.

Lisäksi BICEP2 -tutkijaryhmällä oli käytettävissään havaintotiedot sen edeltäjältä, BICEP1:ltä, mikä oli havainnut erityisesti näitä mahdollisia häiriönaiheuttajia mikroaaltosäteilyssä. Kun häiriöt poistettiin uusista havainnoista, saatiin kartta "todellisesta" taivaan taustasäteilyn polarisaatiosta.

Ja kun vielä uudempi Etelämantereella polarisaatiota havaitseva laite, Keck array, havaitsi jo nyt samanlaista aaltoilevaa polarisaatiomaisemaa, BICEP2-tutkijat uskalsivat luottaa omiin havaintoihinsa. Koska Keck array jatkaa toimintaansa vielä ainakin kahden vuoden ajan, on odotettavissa aiheesta vielä parempia tietoja. Ne kuitenkin ovat jo alkuperäisen, merkittävän havainnon parannuksia.

Kilpailu maineesta ja kunniasta – sekä Nobeleista

BICEP2 ei ole ainoa teleskooppi, millä inflaatiota ja painovoima-aaltoja on metsästetty. Sen välittömässä naapurissa Etelämantereella Admunsen-Scott -asemalla aivan maantieteellisellä etelänavalla on toinen polarisaatiota mittaava mikroaaltoteleskooppi South Pole Telescope (SPT). Se itse asiassa havaitsi ensimmäisenä B-moodin polarisaation, mutta sen tuloksista ei saatu selville varmuudella alkupamauksen aikaisia painovoima-aaltoja.

Mutta SPT-tutkijoilla on nähtävästi ollut työn alla toinen, uudempi tutkimus, missä mahdollisesti olisi esitetty näistä havaintoja. Samoin muutamat muut teleskoopit ovat koittaneet havaita B-moodia vaadittavan tarkasti.

Todennäköisesti eniten harmissaan BICEP2 -tutkijoiden uutispommista ovat kuitenkin Planck-avaruusteleskoopin tutkijaryhmä, sillä todennäköisesti Planck on havainnut myös vastaavaa. Nyt amerikkalaiset korjasivat tämän potin, mutta se ei vähennä Plancin jo esitettyjä tuloksia, eikä vähennä mahdollisesti tulevien tutkimusten kiinnostavuutta.

Lopultakin kyseessä ovat vain ensimmäiset havainnot kokonaan uudella alueella: tänäinen uutinen avaa uuden ikkunan maailmankaikkeuteen.