Universumi saattaa olla valtava silmukka

Kaikki mitä luulemme tietävämme maailmankaikkeuden muodosta saattaa olla väärin. Sen sijaan, että maailmankaikkeutemme olisi litteä kuin lakana, se saattaa uuden tutkimuksen mukaan olla kaareva kuin massiivinen, täyteen puhallettu ilmapallo.

Tämä on tänään (4.11.) Nature Astronomy -lehdessä julkaistun uuden artikkelin lopputulos, jossa tarkastellaan tietoja kosmisesta mikroaaltotaustasta (CMB, Cosmic Microwave Background), eli alkuräjähdyksen himmeästä kaiusta. Kaikki eivät kuitenkaan ole vakuuttuneita; uudet havainnot, jotka perustuvat vuonna 2018 julkaistuihin tietoihin, ovat ristiriidassa sekä vuosia vallinneen tavanomaisen viisauden että toisen hiljattain tehdyn tutkimuksen kanssa, joka perustuu samaan CMB-tietoaineistoon.

Suhteessa: From Big Bang to Present: Snapshots of Our Universe Through Time

Jos maailmankaikkeus on kaareva, se kaartuu uuden artikkelin mukaan pehmeästi. Tuo hidas taipuminen ei ole tärkeää elämämme, aurinkokuntamme tai edes galaksimme liikkumisen kannalta. Mutta jos matkustaa kaiken tämän tuolle puolelle, galaktisen naapurustomme ulkopuolelle, kauas syvään pimeyteen, niin lopulta – liikkumalla suoraviivaisesti – tekee silmukan ympäri ja päätyy takaisin sinne, mistä aloitti. Kosmologit kutsuvat tätä ajatusta ”suljetuksi maailmankaikkeudeksi”. Se on ollut olemassa jo jonkin aikaa, mutta se ei sovi yhteen maailmankaikkeuden toimintaa koskevien nykyisten teorioiden kanssa. Siksi se on suurelta osin hylätty ”litteän maailmankaikkeuden” hyväksi, joka ulottuu rajattomasti joka suuntaan eikä kierrä itseään. Nyt CMB:n kaikkien aikojen parhaasta mittauksesta saaduissa tiedoissa esiintyvä poikkeama tarjoaa tekijöiden mukaan vankan (mutta ei täysin vakuuttavan) todisteen siitä, että maailmankaikkeus on sittenkin suljettu: Manchesterin yliopiston kosmologi Eleonora Di Valentino, Rooman Sapienza-yliopiston kosmologi Alessandro Melchiorri ja Johns Hopkinsin yliopiston kosmologi Joseph Silk.

Ero suljetun ja avoimen maailmankaikkeuden välillä on vähän kuin ero venytetyn litteän lakanan ja puhalletun ilmapallon välillä, Melchiorri kertoi Live Science -sivustolle. Kummassakin tapauksessa kokonaisuus laajenee. Kun lakana laajenee, jokainen piste siirtyy poispäin jokaisesta toisesta pisteestä suorassa linjassa. Kun ilmapallo puhalletaan täyteen, jokainen piste sen pinnalla siirtyy kauemmas jokaisesta toisesta pisteestä, mutta ilmapallon kaarevuus tekee tuon liikkeen geometriasta monimutkaisemman.

”Tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että jos sinulla on kaksi fotonia ja ne kulkevat rinnakkain suljetussa maailmankaikkeudessa, ne kohtaavat toisensa”

, Melchiorri sanoi.

Avoimessa, litteässä maailmankaikkeudessa fotonit kulkisivat häiriöttä rinnakkaisia ratojaan ilman, että ne koskaan vuorovaikuttaisivat keskenään.

Konventionaalinen malli maailmankaikkeuden inflaatiosta viittaa Melchiorrin mukaan siihen, että maailmankaikkeuden pitäisi olla litteä. Kelaa avaruuden laajenemista aina alkuun asti, ensimmäisiin 0,00000000000000000000000000001 sekuntiin alkuräjähdyksen jälkeen, tämän mallin mukaan, ja näet hetken uskomatonta, eksponentiaalista laajenemista, kun avaruus kasvoi ulos siitä äärettömän pienestä pisteestä, josta se alkoi. Ja tuon supernopean laajenemisen fysiikka viittaa litteään maailmankaikkeuteen. Tämä on ensimmäinen syy, miksi useimmat asiantuntijat uskovat maailmankaikkeuden olevan litteä, hän sanoi. Jos maailmankaikkeus ei ole litteä, täytyy ”hienosäätää” tuon alkumekanismin fysiikkaa, jotta kaikki sopisi yhteen – ja tehdä prosessin aikana lukemattomia muita laskelmia uudelleen, Melchiorri sanoi.

Mutta se saattaa lopulta olla tarpeellista, kirjoittavat kirjoittajat uudessa tutkimuksessaan.

Se johtuu siitä, että CMB:ssä on anomalia. CMB on vanhin asia, jonka näemme maailmankaikkeudessa, ja se koostuu ympäröivästä mikroaaltovalosta, joka läpäisee koko avaruuden, kun tähdet ja galaksit ja muut häiriöt suljetaan pois. Se on yksi tärkeimmistä tietolähteistä maailmankaikkeuden historiasta ja käyttäytymisestä, koska se on niin vanhaa ja levinnyt niin laajalle avaruuteen. Ja viimeisimpien tietojen mukaan käy ilmi, että CMB:ssä on huomattavasti odotettua enemmän ”gravitaatiolinssejä” – mikä tarkoittaa, että painovoima näyttää taivuttavan CMB:n mikroaaltoja enemmän kuin olemassa oleva fysiikka pystyy selittämään.

Tiedot, joihin tutkimusryhmä tukeutuu, ovat peräisin Planck-kokeen vuonna 2018 julkaisemasta julkaisusta. Kyseessä on Euroopan avaruusjärjestön ESA:n kokeilu, jonka tarkoituksena on kartoittaa CMB:tä yksityiskohtaisemmin kuin koskaan ennen. (Uudet tiedot julkaistaan Astronomy & Astrophysics -lehden tulevassa numerossa, ja ne ovat nyt saatavilla ESA:n verkkosivuilla. Sekä Di Valentino että Melchiorri osallistuivat myös tähän työhön.)

Selittääkseen tuon ylimääräisen linssihavainnon Planck Collaboration on juuri lisännyt ylimääräisen muuttujan, jota tutkijat kutsuvat nimellä ”A_lens”, ryhmän malliin maailmankaikkeuden muodostumisesta: ”Tämä on jotakin, jonka laitat sinne käsin yrittäessäsi selittää sen, mitä näet. Sillä ei ole mitään yhteyttä fysiikkaan”, Melchiorri sanoi, eli Einsteinin suhteellisuusteoriassa ei ole A_lens-parametria. ”Löysimme, että A_lens-parametrin voi selittää positiivisesti kaarevalla maailmankaikkeudella, mikä on paljon fysikaalisempi tulkinta, jonka voi selittää yleisellä suhteellisuusteorialla.”

Melchiorri huomautti, että hänen ryhmänsä tulkinta ei ole ratkaiseva. Ryhmän laskelmien mukaan Planckin tiedot viittaavat suljettuun maailmankaikkeuteen, jonka keskihajonta on 3,5 sigmaa (tilastollinen mitta, joka tarkoittaa noin 99,8 prosentin varmuutta siitä, että tulos ei johdu sattumasta). Tämä on selvästi alle 5 sigman standardin, jota fyysikot yleensä odottavat ennen kuin kutsuvat ideaa vahvistetuksi.

Mutta joidenkin kosmologien mukaan on vielä enemmän syitä olla skeptinen.

Stanfordin yliopistossa työskentelevä kosmologi Andrei Linde kertoi Live Science -lehdelle, että Nature Astronomy -julkaisussa ei otettu huomioon toista tärkeää julkaisua, joka julkaistiin arXiv-tietokannassa 1. lokakuuta. (Kyseistä artikkelia ei ole vielä julkaistu vertaisarvioidussa lehdessä.)

Tässä artikkelissa Cambridgen yliopiston kosmologit George Efstathiou ja Steven Gratton, jotka molemmat työskentelivät myös Planck Collaboration -ryhmässä, tarkastelivat Nature Astronomy -julkaisua suppeampaa aineiston osajoukkoa. Heidän analyysinsä tuki myös kaarevaa maailmankaikkeutta, mutta paljon pienemmällä tilastollisella varmuudella kuin Di Valentino, Melchiorri ja Silk havaitsivat tarkastellessaan laajempaa osaa Planckin aineistosta. Kun Efstathiou ja Graton kuitenkin tarkastelivat aineistoa yhdessä kahden muun olemassa olevan, varhaisesta maailmankaikkeudesta kertovan aineiston kanssa, he havaitsivat, että kaiken kaikkiaan todisteet viittasivat litteään maailmankaikkeuteen.

Efstathioun ja Grattonin paperista kysyttäessä Melchiorri kehui työn huolellista käsittelyä. Hän sanoi kuitenkin, että kaksikon analyysi perustuu liian pieneen osaan Planck-aineistosta. Ja hän huomautti, että heidän tutkimuksensa perustuu muutettuun (ja teoriassa parannettuun) versioon Planck-aineistosta – ei julkiseen aineistoon, jonka yli 600 fyysikkoa oli tarkastanut.

Linde viittasi tuohon uudelleenanalyysiin merkkinä siitä, että Efstathioun ja Grattonin paperi perustui parempiin menetelmiin.

Efstathiou pyysi, ettei häntä siteerattaisi suoraan, mutta huomautti Live Science -lehdelle lähettämässään sähköpostiviestissä, että jos maailmankaikkeus olisi kaareva, se nostaisi esiin useita ongelmia – se olisi ristiriidassa noiden muiden alkuvaiheen maailmankaikkeudesta saatujen datasarjojen kanssa ja pahentaisi huomattavasti maailmankaikkeuden havaitun laajenemisnopeuden ristiriitaisuuksia. Gratton sanoi olevansa samaa mieltä.

Melchiorri oli myös samaa mieltä siitä, että suljetun maailmankaikkeuden malli nostaisi esiin useita ongelmia fysiikan kannalta.

”En halua sanoa, että uskon suljettuun maailmankaikkeuteen”, hän sanoi. ”Olen hieman neutraalimpi. Sanoisin, että odotetaan dataa ja sitä, mitä uusi data kertoo. Uskon, että nyt on ristiriita, että meidän on oltava varovaisia ja yritettävä löytää, mikä tämän ristiriidan aiheuttaa.”

• 11 kiehtovaa faktaa Linnunratagalaksistamme
• Big Bang to Civilization: 10 Amazing Origin Events
• Spaced Out! 101 tähtitieteellistä kuvaa, jotka räjäyttävät tajuntasi

Originally published on Live Science.