Muutama kymmenen vuotta sitten tähtitieteilijät havaitsivat maailmankaikkeuden lämpötilaa mitatessaan jotain outoa. He havaitsivat, että 20 kuun levyinen taivaankappale oli epätavallisen kylmä.
Tähtitieteilijät mittasivat koko maailmankaikkeutta kylpevää mikroaaltosäteilyä, joka on hehkuva jäänne alkuräjähdyksestä. Tämän kosmisen mikroaaltotaustan eli CMB:n katsominen on kuin vilkaisisi maailmankaikkeuden alkutaipaleelle, aikaan, jolloin se oli alle 400 000 vuotta vanha.
Päähypoteesiksi on nyt nousemassa kosminen supertyhjiö
CMB peittää taivaan, ja se näyttää melko samanlaiselta kaikkialla, kytevän heikosti kylmänä 2,725 kelvinin lämpötilassa – vain pari astetta absoluuttista nollanollanollapistettä korkeammassa lämpötilassa. Vastikään laukaistun WMAP-satelliitin avulla tähtitieteilijät olivat kuitenkin lähteneet tutkimaan niinkin pieniä lämpötilavaihteluita kuin yksi osa 100 000:sta. Nämä satunnaiset vaihtelut syntyivät kvanttivaahdosta, joka oli maailmankaikkeus puoli minuuttia alkuräjähdyksen jälkeen, ja ne auttavat tutkijoita ymmärtämään, mistä kosmos koostuu ja miten se on syntynyt.
Ja noiden vaihteluiden keskellä erottui kylmä piste. Vuosien varrella tähtitieteilijät ovat keksineet kaikenlaisia ideoita sen selittämiseksi instrumenttivirheestä rinnakkaisuniversumeihin. Mutta nyt he ovat keskittyneet erääseen pääepäiltyyn: valtavaan tyhjyyden luolastoon, jota kutsutaan kosmiseksi supertyhjiöksi ja joka on niin suuri, että se saattaa olla maailmankaikkeuden suurin rakenne.
Teorian mukaan tällainen valtava tyhjiö, jossa ei ole yhtään tähteä tai galaksia, voi jättää CMB:hen jäätävän jäljen. Vastaus mysteeriin saattaa siis olla yksinkertaisesti paljon ei mitään. Silti arvoituksia on vielä jäljellä, eikä tapaus ole läheskään loppuun käsitelty.
Kylmän pisteen tekeminen
Kylmä piste ei ole ainoa outo asia CMB:ssä. Tutkijat ovat löytäneet useita muitakin vastaavia poikkeamia – esimerkiksi puolen taivaan signaalit näyttävät hieman voimakkaammilta kuin toinen puoli. Kosmologian standarditeoria, joka on muutoin ollut profeetallinen CMB:n yksityiskohtien ennustamisessa, ei pysty täysin selittämään näitä kummallisuuksia, joista kylmä piste on yksi merkittävimmistä.
Todella suuri voisi toimia eräänlaisena vääristävänä linssinä
Yksinkertaisin selitys poikkeavuuksille on, että ne ovat flukkeja, sattuman artefakteja CMB:n satunnaisten lämpötilavaihteluiden joukossa. Kun heität kolikkoa sata kertaa, on aina mahdollisuus saada 20, 30 tai jopa 50 kruunaa peräkkäin. Tutkijoiden haasteena on selvittää, johtuvatko nämä poikkeamat tuurista vai kolikon painotuksesta. Mitä tulee kylmään pisteeseen, tiedot osoittavat, että todennäköisyys, että se on sattumaa, on yksi 200:sta. Se ei ole mahdotonta, mutta ei myöskään todennäköistä.
Jotkut tutkijat olivat ehdottaneet, että kylmä piste johtuisi instrumenttivirheestä tai tavasta, jolla data analysoitiin. Mutta vuonna 2013 Planck-satelliitin uudet havainnot vahvistivat aiemmat havainnot kylmästä pisteestä. Ja se vaati selitystä.
Suosituksi hypoteesiksi on nyt nousemassa kosminen superpallo. Kaikki kosmoksen aineet – galaksit ja näkymätön pimeä aine – ulottuvat avaruuden poikki valtavana levyjen, lankojen ja säikeiden verkostona. Niiden välissä on tyhjyyden taskuja, joita kutsutaan tyhjiöiksi ja joita on monen muotoisia ja kokoisia. Todella suuri tyhjiö voisi toimia eräänlaisena vääristävänä linssinä, joka saisi CMB:n näyttämään viileämmältä kuin se todellisuudessa on.
Samalla kun fotoni pörrää tyhjiön sisällä, maailmankaikkeus jatkaa laajenemistaan yhä nopeammin
Syy tähän on tämä: Kun valo kulkee tyhjiön läpi, se menettää energiaa ja sen taajuus laskee siirtyen kohti matalampaa taajuutta, spektrin punaisempaa päätä. Kuten useimmat asiat, valo on altis painovoiman vaikutukselle, joka voi vaikuttaa fotoneihin niiden matkan varrella. Tyhjiön sisällä ei kuitenkaan ole ainetta, joten painovoima ei juurikaan vaikuta valoon. Fotonille lentäminen tyhjiön läpi on kuin kiipeämistä kukkulan yli. Ja kiipeäminen vaatii energiaa.
Mutta fotoni voi saada tuon energian takaisin. Kun se poistuu tyhjiöstä, se huomaa olevansa jälleen aineen ympäröimä, ja painovoiman vaikutus riittää vetämään sitä puoleensa, jolloin se saa takaisin menettämänsä energian.
Voidakseen menettää energiaa fotoni tarvitsee maailmankaikkeuden kiihtyneen laajenemisen. Samalla kun fotoni porskuttaa tyhjiön sisällä, maailmankaikkeus jatkaa laajenemistaan yhä nopeammin ja nopeammin. Kun fotoni poistuu tyhjiöstä, se huomaa, että – tämän kosmisen venymisen ansiosta – kaikki aine on levinnyt. Koska aine on nyt levinnyt laajemmalle, sen gravitaatiovaikutus ei ole yhtä voimakas. Se ei voi vetää fotonia puoleensa samalla voimalla kuin aiemmin, eikä fotoni voi saada takaisin sitä energiaa, joka sillä kerran oli.
Tyhjiö saattaa olla alle kolmen miljardin valovuoden päässä
Fyysikot selvittivät tämän ilmiön jo 1960-luvun lopulla, mutta kukaan ei ollut havainnut sitä. Mutta kylmän pisteen löytymisen jälkeen tähtitieteilijät, kuten Istvan Szapudi Havaijin yliopistosta, alkoivat etsiä todisteita tästä käyttäytymisestä, jota kutsutaan integroiduksi Sachs-Wolfe- eli ISW-ilmiöksi. Vuonna 2008 hän löysi sen.
Hämmästyttävä supertyhjiö
Szapudi ei pystynyt tunnistamaan yksittäisiä tyhjiöitä, jotka jättävät jälkiä CMB:hen – hänellä ei ollut siihen tarvittavaa dataa. Sen sijaan hän ja hänen ryhmänsä etsivät yleistä ISW-ilmiötä tilastollisessa analyysissä 100 tyhjiöstä ja galaksijoukosta, joiden painovoima aiheuttaa lämmittävän vaikutuksen ja jättää kuumia kohtia CMB:hen. Tutkijat löysivät todellisen ISW-vaikutuksen, joka muutti CMB:n lämpötilaa keskimäärin noin 10 kelvinin miljoonasosaa eli 10 mikrokelviniä.
Vertailtuna kylmään pisteeseen, joka on noin 70 mikrokelviniä CMB:n keskimääräistä kylmempi, vaikutus on pieni. Mutta tarkoitus oli osoittaa, että tyhjiöt voivat luoda kylmiä kohtia. Jos tyhjiö olisi tarpeeksi suuri, se voisi mahdollisesti luoda kylmän pisteen. ”Jos tämä kylmä piste on CMB:n suurin poikkeama, se voisi hyvinkin olla merkki valtavasta tyhjiöstä – hyvin harvinaisesta tyhjiöstä maailmankaikkeudessa”, Szapudi sanoo. ”Joten ajattelin, että meidän pitäisi nyt etsiä sitä.”
Tyhjiö on valtava. Sen säde on 220 megaparekkiä
Hänen ensimmäinen yrityksensä vuonna 2010 osoittautui tyhjäksi. Mutta aineisto oli rajallinen, se kattoi vain muutamia pisteitä pisteen sisällä. Kiehtovasti tulokset osoittivat myös, että alle 3 miljardin valovuoden päässä saattaa olla tyhjiö.
Viime vuonna hän ja hänen ryhmänsä yrittivät uudestaan, tällä kertaa paljon suuremmalla aineistolla, joka kattoi yli 200 kertaa suuremman taivaankannen ja kattoi koko kylmän pisteen. Paljon suuremman kattavuuden ansiosta – joka koostui tuhansista galakseista – aiemmat vihjeet yhdistyivät todelliseksi tyhjiöksi. Tiedot olivat yksiselitteisiä. ”Olemme täysin varmoja, että tyhjiö on olemassa”, Szapudi sanoo. ”Lyön siitä vaikka taloni vetoa.”
Ja tyhjiö on valtava. Sen säde on 220 megaparsecia, yli 700 miljoonaa valovuotta, mikä tekee siitä yhden maailmankaikkeuden suurimmista – ellei jopa suurimman – fysikaalisen rakenteen.
Näin suuri tyhjiö on harvinainen, ja niitä on ehkä vain kourallinen, Szapudi sanoo. Se, että näin harvinainen tyhjiö on päällekkäin kylmän pisteen kanssa – joka itsessään on toinen harvinaisuus – vaikuttaa liian epätodennäköiseltä ollakseen pelkkää sattumaa. Hänen mukaansa todennäköisempää on, että tyhjiö aiheuttaa kylmän pisteen. Itse asiassa hän laski, että tämä skenaario on 20 000 kertaa todennäköisempi kuin se, että nämä kaksi kohdetta olisivat vain sattuneet kohdakkain.
Muut eivät ole vielä varmoja. Tähtitieteilijät, kuten Patricio Vielva Cantabrian yliopistosta Espanjasta, joka johti kylmän pisteen löytämistä vuonna 2004, pitävät tyhjiön harvinaisuutta edelleen kyseenalaisena. Jos käy ilmi, että tällaiset tyhjiöt ovat yleisempiä, tämä kohdistus ei olisi niin merkittävä. Ehkä kyseessä on vain sattuma. Siksi tutkijat tarvitsevat lisää tietoja voidakseen arvioida, kuinka harvinaisia nämä supertyhjiöt ovat. ”Juuri nyt tämä on mielestäni yksi tärkeimmistä vahvistettavista asioista”, Vielva sanoo.
Ei tarpeeksi kylmää
Mutta on isompi ongelma.
Supertyhjiö ei saa CMB:tä tarpeeksi kylmäksi. Tämän kokoinen superoidi voi jäähdyttää CMB:tä vain 20 mikrokelviniä. Kylmä piste on kuitenkin keskimäärin 70 mikrokelviniä kylmempi. Joissakin kohdissa lämpötilan pudotus on 140 mikrokelviniä.
Yksi mahdollinen syy ristiriitaan on se, että tyhjiö on todellisuudessa mitattua suurempi. Jos näin olisi, sen ISW-vaikutus olisi voimakkaampi. Kun otetaan huomioon Szapudin mittausten epävarmuudet, tyhjiön säde voisi ulottua jopa 270 megaparekkaan. Vielvan mukaan sekään ei silti ole tarpeeksi suuri selittämään kylmää pistettä.
Yksikön nykyisten kosmologisten teorioiden mukaan maailmankaikkeus ei itse asiassa ehkä edes pysty muodostamaan tarpeeksi suurta tyhjiötä. ”Ongelma on, että sellaista tyhjiötä, jota tarvitaan tähän efektiin, ei ole olemassa”, Vielva sanoo.
Lisää havaintoja tehden tähtitieteilijät voivat saada tarkempia mittauksia supertyhjiön koosta ja ominaisuuksista
Mutta jos ei tyhjiö, niin mikä sitten? Ehkä, sanoo Vielva, kylmä piste johtuu kosmologisesta tekstuurista, maailmankaikkeudessa olevasta viasta, joka on analoginen jäästä löytyvien halkeamien tai pilkkujen kanssa. Kun varhainen maailmankaikkeus kehittyi, se kävi läpi samanlaisen faasimuutoksen kuin mitä tapahtuu veden jäätyessä, muuttuessaan nesteestä kiinteäksi. Jäässä syntyy vikoja, kun vesimolekyylit eivät ole samassa linjassa. Maailmankaikkeudessa voi syntyä tekstuureja. Vuonna 2007 Vielva auttoi osoittamaan, että jos tekstuuri on olemassa, se voisi synnyttää kylmän pisteen ISW-ilmiön avulla.
Tekstuurit ovat kuitenkin spekulatiivisia, eikä kukaan ole nähnyt todisteita niiden olemassaolosta. ”Tekstuurit ovat kiva ajatus, mutta meillä ei ole aavistustakaan siitä, ovatko ne realistisia vai eivät”, sanoo Rien van de Weijgaert, tähtitieteilijä Groningenin yliopistossa Alankomaissa.
Vaikka useimmille tähtitieteilijöille, van de Weijgaertin mukaan, supertyhjiö vaikuttaa edelleen parhaalta selitykseltä. ”Nyt sitä pidetään yhtenä uskottavimmista vaihtoehdoista”, hän sanoo. ”Vaikutuksen suuruus voi herättää kysymyksiä, mutta se ei ole uskomatonta.”
Todellakin tyhjiöhypoteesi on kiehtova, Vielva sanoo. Mutta lämpötilapoikkeama on ensin selvitettävä.
Emme vain tiedä tarinan loppua. En usko, että kukaan tietää
Lisätiedot auttaisivat. Esimerkiksi enemmän havaintoja antaisi tähtitieteilijöille mahdollisuuden saada tarkempia mittauksia superoidin koosta ja ominaisuuksista. Ne saattaisivat myös paljastaa, onko etualalla pienempi tyhjiö, joka voisi auttaa viilentämään CMB:tä. Ehkä kylmä piste on niin jäykkä siksi, että supertyhjiö sattuu myös olemaan CMB:n sellaisen alueen edessä, joka on jo nyt hieman normaalia kylmempi.
Vaikka luvut eivät nyt täsmääkään, ei ole syytä huoleen. ”Tässä vaiheessa, koska epävarmuudet ovat niin suuria, ei pitäisi menettää yöuniaan tämän takia”, sanoo Carlos Frenk, astrofyysikko Durhamin yliopistosta Britanniasta. Hänen aavistuksensa on, että lisätietojen ja -analyysien myötä supertyhjiö osoittautuu oikeaksi vastaukseksi. ”Voi hyvinkin olla, että kaikki loksahtaa kohdalleen”, hän sanoo.
Jos näin on, kylmä piste on ensimmäinen mittaus, jossa kohde – supervoidi – jättää jälkensä CMB:hen ISW-ilmiön avulla. Se on merkittävää osittain siksi, että supervoidi on yksinkertaisesti niin valtava. Supertyhjiö voi olla tärkeä myös toisella tavalla: ”Meillä on yksi tapa tutkia pimeää energiaa, joka on maailmankaikkeuden oudoin asia”, Szapudi sanoo.
ISW-ilmiö toimii vain siksi, että maailmankaikkeus laajenee yhä nopeammin, ja kosmosta erilleen työntävä salaperäinen voima on pimeä energia. Mittaamalla ISW-ilmiötä superoidista tutkijat voivat tutkia pimeän energian vaikutusta – ja ymmärtää paremmin, miten se käyttäytyy ja mitä se on.