Planck paljastaa lähes täydellisen maailmankaikkeuden

Kartta perustuu Planckin ensimmäisen 15,5 kuukauden havaintoihin.  Se on ensimmäinen Planck-projektin julkaisema koko taivaan kartta universumimme vanhimmasta valosta, joka syntyi kun maailmankaikkeus oli vain 380 000 vuoden ikäinen. Tällöin avaruuden täytti kuuma protonien, elektronien ja fotonien puuro, jonka lämpötila oli 2700 celsiusastetta. Kun protonit ja elektronit yhdistyivät vetyatomeiksi, valo pääsi kulkemaan vapaasti. Avaruuden laajentuessa tuo valo on muuttunut mikroaaltosäteilyksi, jonka lämpötila on vain 2.7 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Tässä kosmisessa taustasäteilyssä on hyvin pieniä lämpötilanvaihteluita, jotka aiheutuvat alkuavaruuden pienistä tiheysvaihteluista, maailmankaikkeuden myöhemmän rakenteen, tähtien ja galaksien, siemenistä.

Kosmologian standardimallin mukaan nämä tiheysvaihtelut syntyivät alkuräjähdyksen alkuvaiheessa satunnaisina värähtelyinä ja laajenivat tähtitieteelliseen mittaan inflaatioksi kutsutussa lyhytaikaisessa, mutta rajussa kiihtyvän laajenemisen vaiheessa.

Planck suunniteltiin kartoittamaan nämä lämpötilavaihtelut aikaisempaa selvästi tarkemmin. Tutkimalla näiden rakenteen siementen voimakkuutta ja jakaumaa eri etäisyysskaaloilla, voimme määrittää universumin koostumuksen ja kehityksen sen alkuhetkistä nykypäivään.

Uusi kosminen resepti

Suurimmaksi osaksi Planckin taustasäteilykartan ominaisuudet vahvistavat erinomaisella tarkkuudella kosmologian standardimallin ja täsmentävät käsitystämme maailmankaikkeuden koostumuksesta:

Tavallista ainetta, josta tähdet ja galaksit muodostuvat, on 4.9 prosenttia maailmankaikkeuden aine- ja energiatiheydestä. Pimeää ainetta, jonka toistaiseksi pystymme havaitsemaan vain sen painovoiman vaikutuksesta, on 26.8 prosenttia, lähes viidennes enemmän kuin aiemmin arvioitiin. Vastaavasti pimeää energiaa, mystistä tuntematonta voimakenttää, jonka uskotaan olevan vastuussa universumin laajenemisen nykyisestä kiihtymisestä, on aiempaa arvioitua vähemmän.

Maailmankaikkeuden nykyinen laajenemisnopeus, jota kuvaa niin sanottu Hubblen vakio, on aikaisemmin arvioitua jonkin verran pienempi. Maailmankaikkeuden ikä on aiemmin arvioitua hieman suurempi, 13,82 miljardia vuotta.

Kosmisen inflaation ymmärryksen metsästys

Kosmologian standardimallin viidestä parametrista tavallisen aineen, pimeän aineen ja pimeän energian määrä muodostavat kolme parametria. Laajenemisnopeus määräytyy niiden kokonaismäärästä ja avaruuden geometriasta, joka standardimallissa oletetaan keskimäärin laakeaksi siten, että paikallista avaruuden kaarevuutta on erisuuntiin keskimäärin yhtä paljon.  Näin ollen kaarevuutta ei havaita suuressa mittakaavassa.

Kaksi muuta tarvittavaa lukua ovat alkuperäisten tiheysvaihteluiden voimakkuus sekä indeksi, joka kuvaa sitä, miten tiheysvaihteluiden voimakkuus riippuu etäisyysskaalasta. 

Näiden tiheysvaihteluiden uskotaan syntyneen alkuräjähdyksen inflaatiovaiheessa.  Inflaatio tarvitaan universumin eräiden ominaisuuksien ymmärtämiseksi ja erityisesti rakenteen siementen synnyn selittämiseksi. Toistaiseksi inflaatio ei ole mikään yksi täsmällinen teoria, vaan laaja perhe irrallisia teorioita, jotka eivät vielä selkeästi liity fysiikan muihin teorioihin, mutta joilla on se yhteinen ominaisuus, että niissä avaruus laajenee kiihtyvästi.

Kaikkein yksinkertaisimmat inflaatioteoriat tuottavat tiheysvaihtelut, joiden kuvaamiseen tarvitaan vain edellä mainitut kaksi lukua. Toiset, hyvinkin lupaavina pidetyt inflaatioteoriat tuottavat monimutkaisempia tiheysvaihteluita, jolloin esimerkiksi kaikki aine- ja energiakomponentit eivät vaihtelisi samalla tavalla (niin sanottu isokurvatuurimallit) tai alitiheyksien ja ylitiheyksien jakauma olisikin epäsymmetrinen (niin sanottu ei-gaussisuus). Osa inflaatioteorioista tuottaa myös gravitaatioaalloiksi kutsuttuja avaruuden värähtelyjä, jotka voivat näkyä kosmisessa taustasäteilyssä.

Ammattikosmologit odottivat Planckin tuloksista malttamattomimmin tietoa juuri näistä isokurvatuuri-, ei-gaussisuus-, ja gravitaatioaaltoparametreista, mutta näitä ilmiöitä ei vieläkään havaittu; ylärajat luvuille ovat vain entistä tiukemmat, mikä sekin on tärkeä tieto inflaatioteoreetikoille. 

Suuren mittakaavan anomaliat

Vaikka Planckin havainnot suurimmaksi osaksi sopivat yhteen kosmologian standardimallin kanssa, eli universumi on entistä suuremmalla tarkkuudella yksinkertainen ja vain viidellä luvulla kuvattava, taustasäteilykartan tarkastelu kaikista suurimmilla etäisyysskaaloilla antaa tuloksia, jotka eivät ole yhtäpitäviä tämän standardimallin ennusteiden kanssa. Nämä suuret skaalat vastaavat yli kuutta astetta taivaalla.

Standardimallin mukaan lämpötilavaihteluiden pitäisi olla samanlaisia kaikkialla, mutta Planckin mukaan ne ovat toisella puolella taivasta voimakkaampia kuin toisella.  Taivaalla on suuri ”liian kylmä” alue, mutta muuten suurimpien skaalojen lämpötilavaihtelut ovat noin 10 prosenttia liian heikkoja suhteessa pienempiin skaaloihin.

Osa näistä oudoista piirteistä havaittiin jo NASAn WMAP-satelliitin tuloksista, mutta niin kauan kuin ne oli havaittu vain yhdellä laitteella, niiden aitoutta voitiin epäillä.  Nyt kosmologien on yritettävä löytää niille selitys, joka liittyy maailmankaikkeuden ominaisuuksiin kaikista suurimmilla etäisyysskaaloilla. Tämän tekee vaikeaksi se, että samalla ei saa pilata kosmologian standardimallin ennustuksia pienemmille skaaloille, jotka Planck on nyt todentanut entistä tarkemmin.

Planck-kosmologia Helsingin yliopistossa

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen kosmologian tutkimusryhmä osallistuu Planck-projektiin dosentti Hannu Kurki-Suonion johdolla. 

Erityisen merkittävä osuus ryhmällä on Planck-satelliitin karttojen laatimisessa.  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. 

Planck-projekti jatkuu

Planck laukaistiin avaruuteen vuonna 2009. Sen on tarkoitus jatkaa havaintoja tämän vuoden elokuuhun asti, jolloin koossa on neljän vuoden havaintoaineisto. Seuraavan kerran Planckin kosmologiatuloksia on tarkoitus julkaista vuonna 2014. Tällöin odotetaan tuloksia myös taustasäteilyn polarisaatiosta, jossa inflaation tuottamat gravitaatioaallot näkyisivät erityisen hyvin.

Lisätietoja:

Hannu Kurki-Suonio, (09) 191 50752, 040 543 7877, hannu.kurki-suonio@helsinki.fi

Elina Keihänen, (09) 191 50764, 040 563, 6991, elina.keihanen@helsinki.fi

Jussi Väliviita, (09) 191 50525, 040 576 1235, jussi.valiviita@helsinki.fi

Helsingin yliopiston Planck-sivu: http://www.helsinki.fi/~tfo_cosm/tfo_planck.html

Euroopan avaruusjärjestön Planck-sivu: http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Planck

Ystävällisin terveisin

Minna Meriläinen-Tenhu, tiedottaja, 050 415 0316