 |
| Planckin mittaustuloksista laadittiin koko maailmankaikkeuden käsittävän kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn kartta. Kartassa on havaitavissa lämpötilavaihteluita, jotka kuvastavat viimekädessä ennen inflaatiota olleita kvanttiheilahteluja. Kuva ESA. |
Kuluneella viikolla tutkijat julkaisivat melkoisen
yllättäviä tutkimustuloksia, jotka perustuvat Planck-luotaimella tehtyihin
havaintoihin. Tulosten mukaan joudumme hieman muuttamaan käsityksiämme nykyisen
maailmankaikkeuden tilasta, ei paljoa mutta kuitenkin. Lisäksi tutkijat
joutuivat aivan uusien kysymysten äärelle, mikä sinällään tieteessä ei ole
mitään uutta. Näin käy joka päivä.
Tiedotusvälineet ovat uutisoineet laajasti tärkeimpiä
tutkimustuloksia, joten referoin niitä vain lyhyesti. Ensinnäkin havainnot
olivat kokonaisuutena hämmentäviä. Planckin mittaukset kosmisesta
mikroaaltotaustasäteilystä (CMB) sopivat hyvin teorioihin, josta tarkastellaan
galaktista pohjoista pallonpuoliskoa. ESAn julkaisema kartta on galaktisessa
koordinaatissa, jossa Linnunradan spiraalitaso on vaakasuora kuvan keskellä.
Eteläisellä pallonpuoliskolta on havaittu ilmiöitä, jotka
eivät sovi teorioihin. Toistaiseksi tutkijoilla ei ole mitään käsitystä mistä erot
voisivat johtua tai mikä on ne saanut aikaan.
Kosminen mikroaalto taustasäteily syntyi 380 000 vuotta
vanhassa maailmankaikkeudessa. Silloin lämpötila oli laskenut alle kriittisen
pisteen (noin 3000 K), jossa elektronit pystyivät asettumaan atomiytimiä
kiertäville elektronikuorille. Tällöin maailmankaikkeuden täyttänyt aine, siis
vety, helium, elektronit, neutriinot (kuuma pimeä aine) ja kylmä pimeä aine,
muuttui plasmasta neutraaliksi ja sähkömagneettinen säteily pääsi vapaasti
etenemään omia polkujaan maailmakaikkeuteen. Tätä ennen maailmankaikkeuden
täyttänyt aine oli plasmana, jossa elektronit estivät sähkömagneettista
säteilyä etenemästä äärimmäisen lyhyttä matkaa pidemmälle. Tapahtuman toinen
puoli oli se, että tavallinen ja kylmä pimeä aine alkoivat vaikuttaa toisiinsa
gravitaation välityksellä.
CMB:ssä havaitut pienet lämpötilanvaihtelut juontavat
alkuräjähdykseen, jossa laajeneminen ei ainakaan aivan alkuvaiheessa edennyt
tasaisesti kaikkialla, vaan siinä tapahtui kvanttiheilahteluja. Inflaatio
(äärimmäisen nopean laajenemisen aikakausi 10–37 – 10–32
sekunnin välillä) vahvisti eroja ja ne ovat nykyisin havaittavissa 10–4–10–6
asteen lämpötilavaihteluna. Tämä lämpötilavaihtelu oli juuri sitä mitä Planck
mittasi aikaisempaa suuremmalla tarkkuudella ja mitä nyt julkaistu kartta
kuvastaa. Inflaation aikakautena maailmankaikkeuden koko kasvoi kertoimella 1030.
Maailmankaikkeuden laajetessa CMB-säteilyn aallonpituus on
kasvanut ja nykyisin havaitsemme sen mikroaaltojen aallonpituusalueella, jonka
vastaa maailmankaikkeuden lämpötilana 2,7 K lämpötilaa. CMB-säteilyn lämpötilanvaihtelu
kuvastaa myös aineen jakautumista: kuumemmat alueet ovat ainetiheydeltään
suurempia kuin viileät alueet, joissa ainetta on hyvin vähän. Ilman tätä
tiheysvaihtelua tähtien ja galaksien muodostuminen olisi ollut mahdotonta.
 |
| Vertaamalla havaintoja maailmakaikkeusteorioiden antamiin arvoihin, havaitaan suurrakenteissa merkittäviä eroja. Kuva ESA. |
Yllättävä tutkimustulos oli, että vaikka Planckin mittaukset
sopivat hyvin maailmakaikkeuden rakennetta kuvaaviin teorioihin pienillä
alueilla, sitä se ei tee kun tarkastellaan laajempia alueita. Edelleen eroa
teorioihin oli maailmankaikkeuden epäsymmetrisyys. Tämä tarkoittaa sitä, että
teorian mukaan katsottiinpa maailmankaikkeutta mihin suuntaan tahansa, sen
pitäisi näyttää samanlaiselta. Selvästikään näin ei ole, sillä ainejakaumassa
näyttäisi olevan koko kaikkeuden lävistämä tiheämmän aineen muodostama taso. Se
näkyy kuuman alueen kaarina. Lisäksi kartasta voidaan nähdä selkeä kylmä ja
laaja alue.
 |
| Eteläisellä pallonpuoliskolla (galaktinen koordinaatisto) on näkyvissä kuuman alueen vyö (s-viiva) ja valkoisella ympäröity äärimmaisen kylmä alue. Kuva ESA. |
Epäsymmetrisyydestä ja kylmästä alueesta on saatu vihjeitä
aikaisemmin tehdyillä satelliittimittauksilla, mutta kun kyseessä oli vain
yhden havaintolaitteen tekemät mittaukset, tutkijat suhtautuivat hyvin
varovaisesti havaintoon. Ny Planckin vahvistettua aikaisemmat mittaukset, ilmiö
näyttää olevan todellinen.
Entistä tarkempia arvoja
Planckin mittauksista voidaan laskea entistä tarkempia
arvoja joillekin maailmakaikkeutta kuvaaville parametereille. Ensinnäkin
tavallista materiaa (meidän tuntemaamme ainetta) näyttäisi oleva 4,9 % koko maailmankaikkeuden
massa-energiatiheydestä. Pimeää ainetta olisi 26,8 % ja loput 68,3 % vakuumin (pimeää)
energiaa, jota siis olisi jonkin verran vähemmän kuin mitä aikaisemmin on
laskettu.
Merkittävä tulos saatiin myös laskettaessa havainnoista
Hubblen vakion arvoa. Se uusi arvo on 67.15 km/s/megaparsec. Tämä on
merkittävästi pienempi arvo kuin aikaisemmat tutkimukset ovat antaneet. Uusi
arvo vanhentaa myös maailmankaikkeutta. Hubblen aikana tunnettu
maailmankaikkeuden ikä on Hubblen vakion käänteisarvo ja laskettaessa se
uudesta vakion arvosta, saadaan maailmankaikkeuden iäksi 13,82 miljardia
vuotta. Aikaisempi arvo oli 13,7 miljardia vuotta.
Planck-luotain
 |
| Taiteilijan näkemys avaruudessa olevasta Planck-luoatimesta. Kuva ESA. |
Planck-luotain laukaistiin avaruuteen vuonna 2009. Sen instrumenttivalikoimassa
on kaikkiaan yhdeksän aallonpituusalueen mittarit (aallonpituuksilla 0,3–11,1
mm, tai 27 GHz – 1 THz), joilla se on kartoittanut kosmista
mikroaaltotaustasäteilyä ja siinä esiintyviä lämpötilaheilahteluja. Ensimmäinen
kartta julkaistiin vuonna 2010 ja mittausdata vuonna 2011. Nyt julkaistun
kartan lisäksi ensi vuonna julkaistaan toinen erä mittausdataa lähinnä
tiedeyhteisön tutkimuksia varten.
Planckin tutkimuskohteena olleen CMB-säteilyn olemassa oloa
ehdotti jo 1940-luvulla George Gamov, Ralph Alpher ja Robert Herman. Heidän laskelmansa osoittivat, että CMB:n
lämpötila nykyisessä maailmakaikkeudessa pitäisi olla noin 5 K. Tulos oli yllättävän
hyvä, kuten nykyisistä arvoista voimme päätellä.
Kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn havaitsivat ensimmäisenä
Arno Penzias ja Robert Wilson vuonna 1964. He saivat löydöstään Nobel-palkinnon
vuonna 1978. CMB:n löydyttyä sitä on kartoitettu Nasan COBE ja
WMAP-satelliiteilla.
Kosminen mikroaaltotaustasäteilyn lämpötilanvaihtelut
kuvastavat paitsi maailmankaikkeuden materian jakautumista laajaksi kosmiseksi
verkoksi, niin myös sitä silmänräpäyksellistä aikaa juuri ennen inflaatiota.
Näin ollen CMB on ainoa mahdollisuus tutkia maailmankaikkeutta jonka ikä oli
vain 10–37 sekuntia.
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti