uniVersI/O



Tiedeviikko 47+48/10

Tällä kertaa tiedeviikko tulee taas kaksinkertaisena painoksena:

Syklinen universumi?

Credit: Gurzadyan & Penrose

 

Vaikka maailmankaikkeuden synty alkuräjähdyksestä (eli kun maailmankaikkeus oli erittäin tiheä ja kuuma) yhdistettynä inflaatioon (maailmankaikkeuden nopea laajeneminen) onkin vallalla oleva kosmologinen teoria, se ei tarkoita sitä, ettei muita vaihtoehtoja universumin synnylle mahtuisi joukkoon. Maailmankaikkeuden synnyn teoreettisen pohdiskelun taustalla on havainto kosmisesta taustasäteilystä, universumin alkuhetkien reliikistä, joka syntyi kun koko maailmankaikkeuden täyttänyt hiukkaspuuro muuttui sähkövaraukseltaan neutraaliksi elektronien yhtyessä atomien ytimiin antaen fotoneille tilaa levitä vapaasti avaruuteen. Tänä päivänä havaitsemme tuon reliikin koko avaruuden kattavana mikroaaltotaustasäteilynä. Koska taustasäteily on kauttaaltaan erittäin tasalämpöinen sisältäen vain miljoonasosien lämpötilaeroja eri alueiden välillä, on se vahva todiste alkuräjähdykselle ja inflaatiolle. Teorian mukaan inflaatio on tasoittanut maailmankaikkeuden rakenteen alkuhetkien epätasaisuuksista sellaiseksi kuin se havaitaan mikroaaltotaustasäteilykartassa. Pienet lämpötilaerot heijastavatkin sitä, kuinka massa oli jakautunut maailmankaikkeuden alkuhetkillä ja antavat siten viitteitä universumin rakenteesta, iästä ja historiasta. Inflaatio takaa myös sen, että mikäli jonkinlaista informaatiota olisi säilynyt tapahtumista ennen alkuräjähdystä (mitä ikinä se sitten olisikaan), olisi tieto siitä pyyhkiytynyt pois nopean laajenemisen seurauksena. Nyt fyysikot Vahe Gurzadyan ja Roger Penrose kuitenkin ehdottavat, että mikroaaltotaustasäteily sisältää rakenteita, jotka kielisivät tapahtumista ennen alkuräjähdystä. Heidän mukaansa taustasäteily sisältää ympyrämäisiä väreitä (kts. kuva yllä), joiden keskimääräinen lämpötila on hitusen alempi niitä ympäröiviä alueita. Tässä vaiheessa on kuitenkin hyvä muistaa kuinka varsinaiseen mikroaaltotaustasäteilykarttaan päästään käsiksi. Maailmankaikkeudessa on toki muitakin komponentteja, jotka säteilevät mikroaaltoalueella, esimerkiksi tähtienvälinen pöly, galaksit ja galaksijoukot. Kaikki nämä kohteet sijaitsevat taustasäteilyn ja meidän välissä, joten niiden tuottama signaali täytyy ensin poistaa, jotta allaolevaan taustasäteilyyn päästään käsiksi. Tämä ei todellakaan ole yksinkertainen ongelma, etenkään kun etualan kohteiden fysiikka ei kokonaisuudessaan ole tutkijoille selvää. Tietokonealgoritmit, joiden pohjalta lopullinen mikroaaltotaustasäteilykartta saadaan ulos, voivat luoda karttaan keinotekoisia signaaleja. Esimerkiksi, nk. suuri tyhjiö tai kylmä kohta taustasäteilyssä, jonka povattiin olevan merkki rinnakkaisulottuvuuksista, osoittautui tietyn analyysimenetelmän aiheuttamaksi harhaksi. Niinpä erityisesti suuriin tai säännöllisiin poikkeamiin mikroaaltotaustasäteilykartassa, nk. anomalioihin, kannattaa suhtautua tietyllä varauksella. Mutta palaten takaisin varsinaiseen tutkimukseen, Gurzadyan ja Penrose ajattelevat väreiden olevan merkki syklisestä universumista, teoriasta, jossa yhden alkuräjähdyksen sijaan onkin useampia alkuräjähdyksiä, joiden välissä universumi laajenee ja supistuu kosmisen makkarapötkön tavoin. Fyysikkoparin mukaan edellisten universumien supermassiivisten mustien aukkojen törmäysten aiheuttamat gravitaatioaallot muuttuisivat energiaksi seuraavan universumin räjähtäessä eloon. Ylimääräinen energiapotku vaikuttaisi pimeän aineen jakaumaan uudessa universumissa synnyttäen säännöllisiä ja ympyrämäisiä kuvioita siihen, jotka näyttäytyisivät uuden universumin fyysikoille ja tähtitieteilijöille kutakuinkin yllä olevan kuvan muodossa. On sanomattakin selvää, että taustasäteilyn väreet voidaan tulkita monella muullakin tapaa, mutta hulluilla teorioilla on oma jalansijansa tieteen tekemisessä (mieleen tulee Fritz Zwicky ja neutronitähdet, pimeä aine sekä gravitaatiolinssit), jos ei muuten niin ainakin ne aiheuttavat keskustelua.

Tieteellinen artikkeli (pre-print)

LHC:n mini-alkuräjähdykset ja maailmankaikkeuden nestemäinen olotila

Credit: CERN/ALICE

 

Marraskuussa LHC-hiukkaskiihdytin lopetti toistaiseksi fyysikoilta kadoksissa olevan Higgsin hiukkasen etsimiseen tarkoitetut kokeet protoneilla, ja siirtyi törmäyttämään lyijy-ioneja. Lyijy-ydin on huomattavasti raskaapi kuin protoni, joten sillä on myös huomattavasti enemmän energiaa kiitäessään hiukkaskiihdyttimessä. Lähes valonnopeudella liikkuvien lyijy-ionien törmäys tuottaa fantastisen määrän hiukkasia ja energiaa törmäystuotteina. Sekunnin murto-osan ajan lämpötila törmäyksen jälkeen on noin 10 miljoonaa miljardia astetta, saman verran kuin maailmankaikkeudella noin 0.000001 sekunnin ikäisenä. Niinpä LHC:n lyijytörmäytyksiä voidaankin hyvällä syyllä sanoa mini-alkuräjähdyksiksi. Käyttäen LHC:n ALICE-ilmaisinta tutkijat ovat päässeet kurkistamaan miltä maailmankaikkeus on näyttänyt heti alkuräjähdyksen jälkeen. Siihen aikaan universumi oli niin kuuma, että nykyisin atomien sisään kahlitut kvarkit poukkoilivat vapaina nk. kvarkki-gluoniplasmassa. Sama aineen tila on myös havaittavissa LHC:n lyijytörmäyksissä, ja tutkijat havaitsivat, että lyijytörmäyksissä syntynyt kvarkki-gluoniplasma käyttäytyi kuin matalan viskositeetin omaava neste. Samanlaisiin tuloksiin oltiin päädytty myös aikaisemmissa kokeissa RHIC-kiihdyttimellä, mutta tutkijoille oli yllätys, että kvarkki-gluoniplasma käyttäytyi nestemäisesti myös LHC:n huomattavasti korkeammilla energioilla. LHC jatkaa vielä lyijy-ionien törmäytyksiä, joten luultavasti paljon uusia tuloksia tullaan näkemään kun alkuräjähdyksen historiaa kuoritaan kerros kerrokselta mikrosekunti kerrallaan.

Missä ovat pienet mustat aukot?

Mustien aukkojen havaitseminen on nimensä mukaisesti hankalaa. Käytännössä Auringon massaisten mustien aukkojen havaitseminen vaatii aina mustan aukon sijaitsemisen kaksoistähtijärjestelmässä. Tällöin materiaa virtaa kumppanitähdestä mustaan aukkoon säteillen matkallaan kiivaasti röntgensäteilyä ja näin ollen paljastaen tähtitieteilijöille mustan aukon olemassaolon. Mustan aukon massan arvioiminen tarkasti riippuu kaksoistähtijärjestelmän parametreistä, olennaisesti tähden ja mustan aukon kiertoajasta toistensa ympäri, niiden massasuhteesta, kiertoradan kaltevuudesta ja kumppanitähden Doppler-nopeudesta, joiden mittaaminen ei aina ole mahdollista tai hyvin hankalaa. Niinpä tiedämme Linnunradasta noin viitisenkymmentä kaksoistähtijärjestelmää, joissa toinen tähti on todennäköisesti musta aukko. Näistä noin parinkymmenen massa on enemmän tai vähemmän tarkalleen mitattu. Nyt tutkijat ovat valinneet 16 tarkimmin mitattua mustan aukon sisältävää kaksoistähtijärjestelmää, analysoineet todennäköisyysjakaumat mustien aukkojen massoille ja havainneet massojen keskittyvän 6-10 Auringon massan välille. Erityistä tässä ei ole mihin massajakauma keskittyy, vaan mihin se ei keskity. Tutkimuksessa havaittiin selvä mustien aukkojen ”massa-aukko” 2-5 Auringon massan välillä, joten Linnunradassa näyttäisi olevan pienet mustat aukot kadoksissa. Tietenkään 16 mustan aukon otos ei voi olla kovin kattava Linnunradan kokoisen galaksin mustien aukkojen jakaumassa, mutta tutkimus pohtii miksi pieniä mustia aukkoja ei pitäisikään olla tarjolla. Mustien aukkojen elämä alkaa yli kahdeksan Auringon massaisen tähden räjähtäessä supernovana ja tähden ytimen luhistuessa kasaan hyvin nopeasti. Jos ytimen massa ylittää kriittisen massan, eli noin kolme Auringon massaa, pitäisi se nykyteorioiden mukaan johtaa mustan aukon muodostumiseen. Mikäli ytimen massa ei ylitä kriittistä massaa, supernovaräjähdyksen jälkeen jäljelle jää neutronitähti. Toisaalta neutronitähteen johtava supernovaräjähdyksen energia on suurempi kuin mustan aukon tuottava räjähdys, joten tutkijat ehdottavatkin, että pienten mustien aukkojen puuttuminen johtuu supernovaräjähdyksien eroavaisuuksista. Raskaamman tähden aiheuttaman supernovaräjähdyksen energia on kevyempää heikompi, joten se puhaltaa vähemmän materiaa kaksoitähtijärjestelmästä ulos, jolloin enemmän materiaa jää mustan aukon naposteltavaksi lihottaen sen nopeasti yli viiden Auringon massan painoiseksi. Näin ollen keveimmät mahdolliset mustat aukot ovat erittäin harvinaisia tai lyhytikäisiä muodostaen eron keveimmän mustan aukon ja raskaimman neutronitähden välille.

Tieteellinen artikkeli

(kts. myös Tiedeviikko 42+43/10Neutronitähden ja mustan aukon häilyvä massaraja sekä aineen äärimmäinen olomuoto sekä Tiedeviikko 46/10: Nuorin musta aukko)

Viikon video: Liitokäärme


Joulunodotusta

Boston Globe:n Hubble-joulukalenteri

Royal Society:n artikkelisarja Science sees further

Advertisements

Trackbacks & Pingbacks

  1. Tiedeviikko 2010 Top 10 « uniVersI/O pingbacked : 6 years, 5 months ago

Kommentit



Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: