kosmologia

Video: Linnunradan läpilento tähtimatkaajan silmin

Jos joskus tuntuu siltä, että olet vain pienenpieni palanen tässä suuressa maailmassa, niin se pitää täsmälleen paikkansa.

Etenkin tämän videon katsomisen jälkeen avaruuden mittakaava asettuu paikalleen, sillä videolla kiidetään Auringon luota Linnunradan läpi ylös- ja ulospäin siten, että lopulta näkyvissä on pelkkää galaksivaahtoa.

Kuulostaa oudolta?

Ei ihme, sillä se onkin varsin ihmeellistä.

Euroopan eteläisen observatorion julkaisema video on tehty todellisten havaintojen perusteella, joiden avulla on muodostettu virtuaalinen malli maailmankaikkeudesta. Tietokoneen avulla voimme laskea millainen maisema olisi tietystä kohdasta katsottuna – ja tällä videolla kuvakulma osoittaa "alas" kohti Aurinkoa samalla kun etäännymme siitä valtavalla nopeudella.

Ensin näkyvissä on siis Aurinko, eli maapallo ja me sen pinnalla eivät edes ole kuvassa. Maa olisi vain pieni piste Auringon pinnalla. Etääntymisen aluksi ohi vilahtaa mitä lähinnä oleva Linnunradan kierteishaara, jonka kaasupilvet välillä sumentavat näkymää, välillä loistavat kauniina hattaroina. Ohitse vilahtaa myös tähtiä.

Linnunrata on galaksi, kaasusta ja tähdistä muodostunut järjestelmä, jonka aine on jakautunut spiraalimaisesti haaroihin. Ne pyörivät hitaasti galaksin tiheämmän keskiosan ympärillä, ja Aurinko sekä Maa sijaitsevat yhden kierteishaaran laidalla. Se on meille turvallinen ja suojaisa paikka.

Kunhan koko Linnunrata koko loistossaan on tullut näkyviin ja etääntyminen jatkuu, nähdään pian myös Magellanin pilvet, eli kaksi pienempää Linnunradan seuralaisgalaksia. Ja sitten mukaan liittyy Andromedan galaksi, meitä lähin toinen kunnollisen kokoinen tähtijärjestelmä.

Sitten näkyviin tulee lisää galakseja, joka liittyvät ensin ns. paikalliseen galaksiryhmään, eli noin 60 galaksista koostuvaan ryppääseen, joka on kotinurkkauksemme maailmankaikkeuden mittakaavassa. 

Paikallinen ryhmä on puolestaan osa Neitsyen superjoukkoa, johon kuuluu useita tällaisia galaksijoukkoja. Superjoukon nimi tulee siitä, että taivaan kaasusumuja 1800-luvun puolivälissä ensi kerran kartoittaneet William ja John Herschel havaitsivat, että Neitsyen tähtikuvion tienoilla oli tavanomaista enemmän sumuja. Myöhemmin ne paljastuivat galakseiksi, jotka liittyvät juuri tähän superjoukkoon. Nyt tiedämme myös, että joukkoja on satakunta.

Neitsyen superjoukko on taas vain yksi ns. Kalojen-Valaskalan superjoukkoryhmästä. Sen nimi tulee myös tähtikuvioista, joiden suunnalla suurin osa galakseista näyttää olevan.

Superjoukkoja on miljoonia, ja kuten video näyttää, kauempaa katsottuna muodostavat vaahtomaisen rakenteen.

Mitä sen jälkeen tulee?

Tunnetun maailmankaikkeuden reuna, ja sen ulkopuolisesta menosta ei voi sanoa mitään – ainakaan tieteen keinoin.

Video: ESO / M. Kornmesser ja L. Calçada

Uusi teoria: alkuräjähdystä seurasi kaksi inflaatiota

Su, 01/17/2016 - 08:50 Markus Hotakainen
Kosminen inflaatio

Kosmologian standardimallin mukaan alkuräjähdystä seurasi inflaatio, maailmankaikkeuden äkillinen ja hyvin nopea laajeneminen. Sen seurauksena kosmoksesta kehittyi sellainen kuin havaitsemme sen olevan. Paitsi että…

Ongelmana on pimeä aine, joka muodostaa neljänneksen koko maailmankaikkeudesta. Pimeää energiaa on noin 70 prosenttia, tavallista näkyvää ainetta vain muutama prosentti.

"Yleisesti ottaen luonnon perusteoria selittää tietyt ilmiöt, mutta se ei välttämättä anna oikeaa pimeän aineen määrää", selittää Hooman Davoudiasl, jonka johtama Brookhavenin laboratorion tutkijaryhmä on kehittänyt uuden version inflaatioteoriasta. 

"Jos tuloksena on liian vähäinen määrä pimeää ainetta, voi esittää toista lähdettä, mutta on ongelmallista, jos sitä on liikaa."

Jotkut teoriat selittävät hyvin useita fysiikan omituisuuksia, mutta ne eivät voi olla ihan kohdallaan, koska niiden ennustama pimeän aineen määrä on suurempi kuin sen tiedetään todellisuudessa olevan.

Uusi teoria ratkaisisi ongelman. Standardimallin mukaan inflaatio eli maailmankaikkeuden eksponentiaalinen laajeneminen alkoi ainoastaan 10-35 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen. Hetken kestäneen humauksen jäljiltä maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi nykyiselleen. Sekuntien tai korkeintaan minuuttien ikäisessä kosmoksessa alkoi muodostua keveimpiä alkuaineita.

Davoudiaslin ryhmän kehittämän teorian mukaan inflaation päättymisen ja alkuaineiden synnyn välillä saattoi olla muitakin inflatorisia ajanjaksoja. 

"Ne eivät olisi olleet yhtä merkittäviä tai voimakkaita kuin ensimmäinen, mutta ne voisivat selittää pimeän aineen määrän", arvelee Davoudiasl.

Kun hyvin pienikokoisen maailmankaikkeuden lämpötila oli miljardeja asteita, pimeän aineen hiukkasia törmäili toisiinsa ja tuhoutui annihilaatiossa. Kun laajeneminen jatkui ja lämpötila laski, törmäysten määrä väheni ja pimeän aineen määrä asettui lopulliselle tasolle.

Ongelmana on se, että alkuvaiheen annihilaatio ei tuhonnut riittävästi pimeää ainetta. Ratkaisu olisi toinen inflaation aikakausi – tai ehkä silmänräpäyksellistä hetkeä ei oikein voi kutsua "aikakaudeksi" – joka kasvatti maailmankaikkeuden tilavuutta ja pienensi pimeän aineen tiheyttä niin paljon, että se vastaa havaittua.

Teorian testaaminen on kuitenkin hyvin vaikeaa. Suurimmilla hiukkaskiihdyttimillä on kenties mahdollista päästä energioihin, joissa tulee esiin toisen inflaation edellyttämiä ilmiöitä.

Tutkimuksesta kerrottiin Brookhaven National Laboratoryn uutissivuilla ja se julkaistaan Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuva: BNL

Tähtitieteen standardikynttilät päivitettiin

La, 03/28/2015 - 19:37 Markus Hotakainen

Tähtien räjähdyksiä eli supernovia on jo pitkään käytetty kaukaisten galaksien etäisyyksien määrittämiseen. Tyypin Ia supernovat, joissa valkoinen kääpiö räjähtää hajalle kerättyään kaasua seuralaistähdestään, ovat kirkkaimmillaan lähes identtisiä.

Kun supernovan todellinen kirkkaus tiedetään ja sitä verrataan havaittuun kirkkauteen, voidaan laskea, kuinka kaukana on supernova sekä galaksi, johon se kuuluu.

Supernovien avulla on mahdollista tutkia koko maailmankaikkeuden mittakaavaa. 1990-luvun lopulla tehty löytö pimeän energian olemassaolosta perustui nimenomaan tyypin Ia supernovien avulla määritettyihin galaksien etäisyyksiin ja liikkeisiin. Niiden perusteella maailmankaikkeuden laajenemisen huomattiin vastoin aiempia käsityksiä kiihtyvän.

Vaikka tyypin Ia supernovat ovat melkein aina melkein yhtä kirkkaita, niissä on pieniä eroja. Niihin vaikuttavat tekijät näyttävät liittyvän usein paitsi räjähtäviin tähtiin itseensä myös ympäristöön, jossa supernovat sattuvat olemaan.

Kansainvälistä tutkijaryhmää johtaneen Patrick Kellyn mukaan he löysivät tyypin Ia supernovien populaation, joka soveltuu erinomaisesti etäisyyksien tarkkaan määrittämiseen. "Niiden kirkkaus on hyvin tarkoin kytköksissä siihen, kuinka nopeasti ne himmenevät."

Tutkijaryhmä käytti hyväkseen GALEX-ultraviolettisatelliitin (Galaxy Evolution Explorer) keräämää havaintoaineistoa ja analysoi liki sadan supernovan lähiympäristön.

Tulosten mukaan vastikään syntyneiden, kuumien tähtien läheisyydessä räjähtäneet supernovat ovat merkittävästi kohtalotovereitaan luotettavampia mittatikkuja määritettäessä kosmisia etäisyyksiä. Tutkijoiden mukaan syynä on todennäköisesti se, että räjähtävät tähdet ovat nuoria valkoisia kääpiöitä eli vasta äskettäin päivänsä päättäneitä tähtiä.

Nyt löytyneen supernovatyypin avulla on mahdollista tehdä yli tuplaten aiempaa tarkempia mittauksia maailmankaikkeuden koosta ja laajenemisesta. Menetelmän arvioidaan toimivan luotettavasti vähintään kuuden miljardin valovuoden etäisyydelle.

GALEX-satelliitti kartoitti taivasta ultraviolettisäteilyn aallonpituuksilla noin kymmenen vuoden ajan. Se oli toiminnassa vuoteen 2012 saakka, mutta havaintoarkistot tarjoavat edelleen runsaasti aineistoa tutkijoiden käyttöön.

Tutkimuksesta kerrottiin JPL:n uutissivuilla ja se julkaistiin 27. maaliskuuta Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Sloan Digital Sky Survey

 

Big Bangin painovoima-aallot

Ma, 03/17/2014 - 22:37 Jari Mäkinen
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.

BICEP2 (etualalla)

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.


Andrei Linde kuulee inflaation olevan totta

Stanfordin yliopisto teki edellisen uutisen julkistamispäivänä jännittävän, alla olevan videon: siinä yliopiston apulaisprofessori Chao-Lin Kuo käy kertomassa alun perin "inflatoorisen maailmankaikkauden" teorian esittäneen tutkijaryhmän johtajalle Andrei Lindelle suuren uutisen siitä, että inflaatio on nyt todistettu.

Muut keskittyivät empatiaan, Valtaoja rakensi maailmankaikkeuden

To, 12/05/2013 - 16:28 Jarmo Korteniemi
Kuva: Joonas Salo Photography

TEDx-tapahtuma laajeni 4. joulukuuta Suomessa ensimmäistä kertaa pääkaupungin ulkopuolelle, Turkuun ja tarkemmin sen Logomo-tapahtumakeskukseen. Kyseessä oli normaaliin TEDx-tapaan vapaaehtoisvoimin järjestetty tapahtuma, joka pohjautuu alkuperäisen TED-konferenssin ideaan: koota yhteen vetävästi esiintyviä eri alojen asiantuntijoita, joilla on kiinnostavaa sanottavaa teknologian, viihteen ja designin aluilta (TED tulee sanoista technology, entertainment ja design).

Turun TEDx-tapahtumassa oli 12 esitystä (joista 9 kpl löytyy YouTubesta). Niiden aiheet pyörivät pääasiassa lähellä ihmistä: esityksissä tavoiteltiin maailmaan lisää empatiaa ja kommunikaatiota. Se edistää yritysten toimintaa, lisää yksilöiden hyvinvointia, parantaa jaksamista, poistaa konflikteja. Niin työelämässä kuin kotosallakin. Kannattaa uskaltaa yrittää, uskaltaa munata itsensä, ja uskaltaa yrittää uudelleen. Muuten ei voi onnistua. Ja niin edelleen.

Yksi puheista oli kuitenkin poikkeus.

Maailmankaikkeus ilmiönä

Suomen tunnetuin tieteentekijä, Esko Valtaoja, kattoi puheessaan aikalailla kaiken sen, mitä alkuräjähdyksen ja TEDx-tapahtuman välillä on sattunut ja tapahtunut. Koska aihe on jokseenkin laaja, havainnollistavan Lego(TM)-leikin sallittiin venähtävän lähes neljä minuuttia yliajalle. TED-konseptin mukaan kun puheet saisivat olla vain 18-minuuttisia.

Valtaoja kansantajuisti vaikeasti ymmärrettäviä asioita. Kaikilla skaaloilla.

Kaikki syntyi tyhjästä ilmestyneessä alkuräjähdyksessä. Puf.

Sen jälkeen olimme kaikki hetken yhtä ainoaa, kuumaa, laajentuvaa kvarkkipuuroa. Kvarkithan ovat tämän hetken tiedon mukaan jakamattomia alkeishiukkasia, eli sitä, mistä kaikki aine rakentuu. (Jossain vaiheessa voi toki tulla hetki jolloin löydetään osaset joista kvarkitkin muodostuvat. Näin kävi atomeillekin, joiden kreikasta tuleva nimi tarkoittaa "jakamatonta".)

Laajentuessaan maailmankaikkeus jäähtyi, ja kvarkit alkoivat takertua toisiinsa pareittain tai kolmestaan. Muodostui protoneja, neutroneja, atomeja, ja ajan kuluessa yhä vain monimutkaisempia molekyylejä. Syntyneet kaasun ja pölyn ihentymät luhistuivat lopulta tähdiksi ikioman massansa ajamina.

Miksi näin sitten tapahtui? Yksinkertainen vastaus: koska luonnonlait, koska gravitaatio ja muut perusvoimat. Koska termodynamiikka. Koska maailma nyt vain sattuu olemaan tällainen. Jos se olisi erilainen, me eläisimme toisten lakien alaisuudessa, ja ihmettelisimme tismalleen samaa asiaa niiden kanssa (jos osaisimme). Ne kaikki vain ovat. "Miksi"-ongelmaan jutun lopussa.

Tähtien ympärille jäi ylijäämätavaran kiekkoja. Pölyä ja toisiinsa törmäileviä murkuloita. Planeettojen muodostumista voi verrata oivasti roskan kertymiseen. Sillä sitähän me olemme, ydinjätettä ammoin kuolleista tähdistä.

"Jättäkääpä viikkosiivous tekemättä, sanotaan vaikka 10 miljoonaksi vuodeksi, niin teillä on Maapallon kokoinen villakoira", kiteytti Valtaoja.

Elämästä Valtaoja muistuttaa, että ensiksi syntyi Eeva, meidän kaikkien kantaäiti. Itsensä kopioiva molekyyli.

"Aatamit ilmestyivät maisemiin vasta noin 2 miljardia vuotta myöhemmin. Sillä tavalla meillä yleensäkin urokset saa houkuteltua esiin - huhuilla että 'olisi seksiä tarjolla'."

Loppu on historiaa. Erittäin pitkän ajan kuluessa tapahtuneen luonnonvalinnan ansiosta olemme tässä.

Valtaojan perusviesti on, että maailmankaikkeuden historia tunnetaan pääpiirteissään. Siinä ei oikeastaan tarvita ulkopuolisia vaikuttajia, koska luonnonlait ovat vieneet vääjäämättä tähän suuntaan.

Mutta miksi näin kävi?

Mitä tuota historiaa "ennen" tapahtui? Mitä meidän universumimme "ulkopuolella" on? Se jää arvailujen varaan. Mattia ja Teppoa mukaillen: emme voi nähdä rajan taa.

"Yksi vaihtoehto on, että Jumala napsautti metafyysisiä sormiaan ja teki maailman tällaiseksi, automaattisesti toimivaksi, ettei tarvi joka välissä kääriä hihojaan. Tai sitten olemme vain yksi osa multiversumista."

Tai sitten jotain ihan muuta. Nämä lienevät asioita, joihin tiede ei pysty antamaan vastausta. Sen ei oikeastaan ole tarkoituskaan. Tieteen metodit kun toimivat vain tuntemassamme maailmankaikkeudessa.

Oli perimmäinen syy mikä tahansa, maailma on sekä lainalaisuuksiensa että äärettömän monimuotoisuutensa takia erittäin mielenkiintoinen. Sitä kannattaa tutkia, ja siitä kannattaa iloita. Sen monimutkaisuutta kannattaa ihastella.

Ja samalla kannattaa muistaa ne kanssatallaajat. Ne muut monimutkaiset molekyylit, jotka ihmettelevät sitä samaa maailmaa.


Turun TEDx-tapahtuman esitykset löytyvät YouTubesta:


Juttua on päivitetty myöhemmin käyttöön saadulla Valtaojan kuvalla, ja lisätty linkit YouTubesta löytyviin esityksiin.

Päivän kuva 16.5.2013: Hubblen äänirauta

To, 05/16/2013 - 10:28 Markus Hotakainen

1920-luvun lopulla kosmologian mullistanut Edwin Hubble kehitti ennen galaksien etääntymistä koskevien tutkimustulostensa julkaisua niiden rakennetta kuvaavan, ulkomuodostaan nimensä saaneen ”äänirautakaavion”. Hubblen käsityksen mukaan kaavio kuvaa galaksien rakenteen lisäksi niiden kehitystä: pallomaiset galaksit venyvät ensin elliptisiksi ja myöhemmin niille kehittyy spiraalirakenne. Sittemmin ajatus on osoittautunut vääräksi. Yksinkertainen kaavio on tiedon lisääntyessä muutenkin huomattavasti monimutkaistunut – huominen ”päivän kuva” kertoo, miten.

Lähes täydellinen maailmankaikkeus?

To, 03/21/2013 - 17:27 Toimitus

Tätä päivää on odotettu: Planck-satelliitin havainnoista tehty kartta kosmisesta taustasäteilystä julkistettiin. Suomalaiset tutkijat ja teollisuus ovat mukana tässä perimmäisten kysymysten äärille menevässä Euroopan avaruusjärjestön hankkeessa.

Planck-avaruusteleskoopin 15,5 kuukauden aikana tekemiin mittauksiin perustuva kartta nuoresta maailmankaikkeudesta on ikään kuin kuva alkuräjähdyksestä. Täsmälleen ottaen se on kuva kaikkialta tähtitaivaalta tulevasta säteilystä, joka on universumimme vanhinta valoa, joka syntyi kun maailmankaikkeus oli vain 380 000 vuoden ikäinen. Avaruuden täytti silloin tähtien ja galaksien sijaan kuuma protonien, elektronien ja fotonien puuro, jonka lämpötila oli 2700 celsiusastetta. Kun protonit ja elektronit yhdistyivät vetyatomeiksi, valo pääsi kulkemaan vapaasti. Se on muuttunut avaruuden laajentuessa mikroaaltosäteilyksi, jonka lämpötila on nyt vain 2,7 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Koska nyt tämä säteily näyttää tulevan joka puolelta taivasta, kutsutaan sitä myös taivaan taustasäteilyksi tai kolmen kelvinin säteilyksi, koska 2,7 astetta nollan yläpuolella on liki kolme kelviniä.

Kiinnostavinta tässä kartassa ovat pienenpienet vaihtelut, lievästi kuumemmat ja kylmemmät kohdat, jotka kertovat varhaisen maailmankaikkeuden rakenteesta. Kosmologian standardimallin mukaan nämä tiheysvaihtelut syntyivät alkuräjähdyksen alkuvaiheessa satunnaisina värähtelyinä ja laajenivat tähtitieteelliseen mittaan inflaatioksi kutsutussa lyhytaikaisessa, mutta rajussa kiihtyvän laajenemisen vaiheessa. Sittemmin nämä pienet eroavaisuudet saivat aikaan suuria maailmankaikkeuden rakenteita, joita voidaan nyt havaita mm. galaksijoukkoina, galakseina ja jopa yksittäisinä tähtinä.

Taivaan taustasäteilyä on kartoitettu aikaisemminkin, mutta tänään julkaistu kuva on huomattavasti aikaisempia mittauksia tarkempi. Julkaistu kartta on lähes täydellisessä sopusoinnussa maailmankaikkeuden rakennetta kuvaavan kosmologian standardimallin kanssa, mutta tutkijoiden harmiksi siinä on muutamia kummallisuuksia.

Viisi kosmista vakiota

Sinällään malli on yksinkertainen, sillä siinä kaikkeuden kuvaamiseen tarvitaan vain viisi lukua, joita kutsutaan kosmologisiksi parametreiksi. Uusi kartta määrittää nämä perusluvut aiempaa tarkemmin.

Ensimmäiset kolme lukua tulevat siitä, mikä on arviomme maailmankaikkeuden koostumuksesta: Planckin tuoreiden tietojen mukaan tavallista ainetta, josta tähdet ja galaksit muodostuvat, on 4,9 % maailmankaikkeuden aine- ja energiatiheydestä. Pimeää ainetta, jonka toistaiseksi pystymme havaitsemaan vain sen painovoiman vaikutuksesta, on 26,8 %, eli liki viidennes enemmän kuin aiemmin arvioitiin.

Vastaavasti pimeää energiaa, toistaiseksi varsin tuntematonta voimakenttää, jonka uskotaan olevan vastuussa universumin laajenemisen nykyisestä kiihtymisestä, on aiempaa arvioitua vähemmän.

Niin sanottu Hubblen vakio, maailmankaikkeuden nykyinen laajenemisnopeus, ei sen sijaan ole kosmologinen vakio, koska se määräytyy aineen kokonaismäärästä ja avaruuden geometriasta. Se oletetaan nykyisessä standardimallissa keskimäärin laakeaksi siten, että paikallista avaruuden kaarevuutta on eri suuntiin keskimäärin yhtä paljon. Näin ollen kaarevuutta ei havaita suuressa mittakaavassa.

Hubblen vakio näyttää nyt olevan jonkin verran pienempi kuin on laskettu aiemmin: 67,15 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohden. Parsek on tähtitieteestä käytetty pituusyksikkö, pituudeltaan 3,2616 valovuotta.

Tästä voidaan edelleen laskea maailmankaikkeuden ikä, joka näin ollen on aiemmin arvioitua hieman suurempi, 13,82 miljardia vuotta.

Kaksi viimeistä kosmologista vakiota ovat alkuperäisten tiheysvaihteluiden voimakkuus sekä indeksi, joka kuvaa sitä, miten tiheysvaihteluiden voimakkuus riippuu etäisyysskaalasta.

Näiden tiheysvaihteluiden uskotaan syntyneen alkuräjähdyksen inflaatiovaiheessa eli juuri niihin aikoihin, kun Planckin havaitsema säteily lähti liikkeelle. Osa lukuisista inflaatiota kuvaavista teorioista tuottaa myös gravitaatioaalloiksi kutsuttuja avaruuden värähtelyjä, jotka voivat näkyä kosmisessa taustasäteilyssä. Planckin tiedoista odotettiin vahvistusta myös gravitaatioaaltojen olemassaololle, mutta niitä ei havaittu: tämäkin tosin on hyvin kiinnostava tieto.

Anomalioita?

Tuore taustasäteilykartta on myös osittain ristiriidassa nykyisen kosmologian standardimallin kanssa, sillä sen mukaan lämpötilanvaihteluiden pitäisi olla samanlaisia kaikkialla, mutta Planckin mukaan ne ovat toisella puolella taivasta voimakkaampia kuin toisella. Taivaalla on siis suuri liian kylmä alue.

Näitä outouksia havaittiin jo aikaisemmin, mutta niiden oletettiin olevan virhehavaintoja. Koska nyt Planck kertoo samaa – ja vielä selvemmin – on kyse selvästi aidosta ja oikeasta havainnosta. Siksi näille poikkeamille pitää nyt löytää selitys, joka liittyy maailmankaikkeuden ominaisuuksiin kaikista suurimmilla etäisyysskaaloilla.

Eräs mahdollisista selityksistä on se, että säteily ei tulekaan suoraan havaittavaksemme maailmankaikkeuden alusta, vaan eri puolilta taivasta tuleva säteily olisi tullut erilaista tietä.

“Tarkoituksemme on luonnollisesti rakentaa sellainen uusi teoria, että se ennustaa hyvin havaitut anomaliat ja yhdistää ne muihin havaintoihin”, sanoo George Efstathiou, Planck-hankkeessa alusta alkaen mukana ollut kosmologi Cambridgen yliopistosta. “Mutta emme tiedä vielä miten se onnistuu ja kuinka paljon tarvitsemme aivan uutta fysiikkaa. Tämä on erittäin kiinnostavaa!”

Kuin suuri lämpömittari

Taivaan taustasäteilyn mittaaminen on periaatteessa yksinkertaista, sillä siihen tarvitaan vain erittäin tarkka vastaanotin. Se mittaa joka puolelta taivasta kunkin taivaankohdan lähettämän taustasäteilyn aallonpituuden. Tämä puolestaan vastaa tietyssä lämpötilassa olevaa mustaa kappaletta, joten tuloksena on ikään kuin koko taivaan lämpötilakartta.

Käytännössä mittaaminen on sitä hankalampaa, mitä tarkemmin mittaus halutaan tehdä. Siksi vastaanottimet ja niihin taivaalta säteilyä keräävät peilit suojataan hyvin ja itse vastaanottimet jäähdytetään hyvin alhaiseen lämpötilaan, Planckin tapauksessa 100 millikelvinin lämpötilaan.

Yhden vastaanottimen sijaan Planckissa on koko joukko vastaanottimia, jotka on jaettu kahteen päähavaintolaitteeseen. Ne on nimetty mielikuvituksellisesti lyhenteillä LFI ja HFI, eli Low Frequency Instrument (matalataajuushavaintolaite) ja High Frequency Instrument (korkeataajuushavaintolaite).

Mikroaaltosäteilyä kerätään taivaalta puolitoistametrisellä lautasantennilla, jota tosin pintatarkkuutensa puolesta voisi kutsua myös peiliksi. Se heijastaa säteet apupeiliin, joka suuntaa ne polttopisteeseen kerättyyn aaltoputkien patteriin. Mikroaaltovastaanottimissa antennin virkaa hoitavat aaltoputket, pieniltä torvilta näyttävät metallisuppilot, jotka on asetettu urkupillien tapaan sisäkkäisiin kehiin peilin polttopisteeseen.

Kunkin putken takana on vahvistin, mistä signaali johdetaan noin metrin pituisilla aaltoputkilla ns. takapäähän, missä se jälleen vahvistetaan, integroidaan, digitoidaan ja sitä verrataan tarkasti tunnettuun neljän kelvinin vertailusignaaliin. Kun vertailusignaalista vähennetään taivaalta saatu signaali, on tulos taivaan lämpötila. Se lähetetään Maahan tutkimuksia varten. Havaittavat mikroaaltotaajuudet kattavat alueen 25 GHz:stä aina tuhanteen gigahertsiin.

Kun Planck on lopulta avaruudessa akselinsa ympäri pyöriessään ja hitaasti kääntyessään saanut skannattua koko taivaan, on tuloksena sellaisenaan täysin käyttökelvoton kartta. Heikkoon taustasäteilysignaaliin on sekoittunut kaikkien avaruudessa olevien kappaleiden lähettämää mikroaaltosäteilyä, joten kartasta pitää siivota pois tähtien, planeettojen, komeettojen, kaasusumujen, galaksien ja muiden fysikaalisten otusten lähettämä mikroaaltosäteily. Niistä kiinnostuneille tähtitieteilijöille Planckin havainnoista on myös iloa, mutta kosmologi odottaa eteensä tietoa kaiken roskan alta paljastuvasta heikosta kuviosta.

Taustasäteily on niin heikkoa, että laskennallisesti Planck saa toimia 2,5 miljoonaa vuotta saadakseen havaittua saman energian kuin tavallinen 60 watin lamppu lähettää ympärilleen palaessaan sekunnin.

Käytännössä kuitenkin Planck toiminee enää tämän vuoden elokuuhun asti, jolloin koossa on neljän vuoden havaintoaineisto. Sitä parempia tuloksia ei oletettavasti saada, vaikka lentoa jatkettaisiin, joten Planck laitetaan silloin eläkkeelle (siis sammutetaan).

Seuraavan kerran Planckin tuloksia on tarkoitus julkaista vuonna 2014. Tällöin odotetaan tuloksia myös taustasäteilyn polarisaatiosta, jossa inflaation tuottamat gravitaatioaallot näkyisivät erityisen hyvin. Ainakin toivottavasti.

Suomi voimakkaasti mukana

Planckin matalataajuusinstrumentin tulitikkuaskin kokoiset 70 GHz:n vastaanottimet, joita satelliitissa on kaikkiaan 12 kappaletta, on tehty Suomessa. Niiden suunnittelusta ja rakentamisesta ovat vastanneet VTT Tietotekniikan MilliLab, Ylinen Electronics Oy (nykyinen DA-Design Oy) ja Aalto-yliopiston Metsähovin radiotutkimusasema.

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen kosmologian tutkimusryhmä on keskeisissä tehtävissä puolestaan saatujen tietojen käsittelyssä, sillä heidän tehtävänään on koostaa havainnoista säteilyn eri aallonpituuksia vastaavia taivaan karttoja. Kartat laaditaan ensin erikseen kullekin Planckin yhdeksästä taajuuskaistasta. Kosmisen taustasäteilyn kartta saadaan yhdistämällä nämä yhdeksän karttaa siten, että muiden mikroaaltolähteiden, kuten oman galaksimme säteilyn, vaikutus saadaan poistettua. Akatemiatutkija Elina Keihänen opiskelijoineen on vastannut kolmen alimman taajuuskaistan karttojen laatimisesta. Ryhmä osallistui myös kosmologisten parametrien määrittämiseen taustasäteilykartasta. Tutkijatohtori Jussi Väliviita opiskelijoineen keskittyi isokurvatuurimalleihin.

Suomessa Planckin tietoja käytetään tutkimuksessa hyväksi myös Tuorlan Observatoriossa sekä Metsähovin radiotutkimusasemalla.

Katso video kartan julkistustilaisuudesta täältä: Planck's Cosmic Microwave Background map Media Briefing.

Onko avaruus ääretön ja ikuinen?

Ti, 01/29/2013 - 22:05 Markus Hotakainen

1820-luvulla saksalainen tähtitieteilijä Heinrich Olbers esitti itsestään selvältä kuulostavan kysymyksen, joka sittemmin tuli tunnetuksi Olbersin paradoksina: miksi yötaivas on pimeä? Äkkiseltään asia tuntuu harvinaisen yksiselitteiseltä. Jos aurinko on taivaanrannan takana, on tietenkin pimeää. Niin helposti öinen pimeys ei kuitenkaan selity.
1800-luvun alkupuolella ja vielä pitkään sen jälkeenkin maailmankaikkeutta pidettiin ikuisena ja äärettömänä.

Maailmankaikkeus ei ole syntynyt tiettynä ajanhetkenä vaan on ollut aina olemassa, ja se ulottuu kaikissa suunnissa äärettömän kauas. Vaikka sellainen maailmankaikkeus olisi periaatteessa yksinkertainen – ei alkua eikä loppua sen kummemmin ajassa kuin avaruudessakaan – pimeän yötaivaan selittäminen olisi vaikeaa.

Äärettömässä ja ikuisessa maailmankaikkeudessa näkyisi joka suunnassa tähtiä. Ne olisivat samalla tavalla pieniä valopisteitä kuin tuntemallamme yötaivaalla, mutta jos tähtiä olisi äärettömän paljon ja jos niiden valo olisi voinut matkata äärettömän kauan kohti Maata, pieniä valopisteitä olisi taivaalla vieri vieressä. Taivas olisi silloin yhtä kirkas kuin tähden pinta – sekä päivällä että yöllä.

Pimeää tötaivasta yritettiin selittää esimerkiksi tähtienvälisellä pölyllä, joka himmentäisi kaukaisten tähtien valoa. Äärettömän vanhassa maailmankaikkeudessa valoa imevä pölykin olisi ehtinyt kuumentua ja alkaa säteillä jo kauan sitten, joten siitä ei ollut selitykseksi. Todellinen syy selvisi vasta, kun maailmankaikkeus osoittautui äärellisen ikäiseksi. Se on syntynyt noin 13,7 miljardia vuotta sitten, joten tähtiä ei voi olla äärettömän kaukana eikä tähtien valo ole voinut matkata Maahan äärettömän kauan. Me näemme vain osan maailmankaikkeudesta ja sen tähdistä.

Maailmankaikkeuden syntyä, kehitystä ja tulevaisuutta tulevaisuutta tutkivat kosmologit käyttävät nykyisin tutkimusvälineinään sähkömagneettisen säteilyn kaikilla aallonpituuksilla toimivia kaukoputkia ja teleskooppeja sekä avaruudessa kiertäviä satelliitteja. Kuitenkin jo pelkkä silmäys öiselle taivaalle kertoo keskeisiä asioita maailmankaikkeudesta: se ei ole ikuinen eikä ääretön.