Kosmologian dipoliaanomalia haastaa universumin mallin

Jo vuosia kosmologia on nojautunut lohdulliseen ajatukseen: riittävän etäältä katsottuna maailmankaikkeus näyttää enimmäkseen samanlaiselta kaikkialla. Siisti. Symmetrinen. Ennustettava. Uusi tutkimus haastaa nyt tätä kuvaa väittäen, että kosmos saattaa olla huomattavasti epätasaisempi suurimmilla mittakaavoilla, eikä kyse ole vain vähäpätöisestä tilastollisesta poikkeamasta.

Kiistan keskipisteessä on niin kutsuttu kosminen dipoliaanomalia, ongelma joka puree suoraan standardikosmologian peruskiviin. Tutuksi tulleen Lambda-CDM-viitekehyksen mukaan universumin pitäisi olla homogeeninen ja isotrooppinen valtavissa mittakaavoissa. Yksinkertaisesti sanottuna aineen pitäisi olla jakautunut suunnilleen tasaisesti eikä maailmankaikkeuden pitäisi suosia yhtä suunnan ilmansuunnista toisten yli. Lambda tarkoittaa pimeää energiaa, yhä arvoituksellista tekijää jota käytetään selittämään avaruuden kiihtyvää laajenemista, kun taas CDM viittaa kylmään pimeään aineeseen, näkymättömään massaan jonka ajatellaan muovauttavan galakseja ja kosmista rakennetta.

Koko tämä viitekehys lepää kosmologisen periaatteen varassa. Ja juuri se näyttää nyt horjuvan enemmän kuin monet fysiikat toivoisivat.

Lähtökohtana on kosminen taustasäteily, Alkuräjähdyksen muinainen jälkisäteily. Tämä säteily, joka vapautui kun universumi oli noin 380 000 vuotta ikäinen, on pitkään toiminut yhtenä varhaisimpien vaiheiden puhtaimmista otoksista. Se on poikkeuksellisen tasainen, mutta ei täysin. Pieniä lämpötilan vaihteluita on kaikkialla, ja yksi tunnetuimmista on dipolianisotropia: taivaan toinen puoli näyttää hieman lämpimämmältä, toinen hieman viileämmältä.

Perinteisesti tätä kuviota on selitetty liike-efektinä. Aurinkokunta liikkuu suhteessa universumin lepotilakehykseen, joten taivas näyttää hieman kuumemmalta liikesuuntaan ja hieman viileämmältä takanamme, aivan kuin kosminen Dopplerin siirtymä. Jos tämä tulkinta pitää paikkansa, sama suuntainen epätasapaino pitäisi näkyä myös hyvin kaukaisen aineen jakaumassa, mukaan lukien kvasaareissa ja radiogalakseissa.

Tätä ajatusta on esitetty 1980-luvulta lähtien, jolloin kosmologit George Ellis ja John Baldwin ehdottivat myöhemmin Ellis–Baldwin-testiksi tullutta menetelmää. Odotus kuului yksinkertaisesti: aineessa näkyvän dipolin pitäisi olla linjassa kosmisessa taustasäteilyssä näkyvän dipolin kanssa sekä suunnan että voimakkuuden suhteen. Uuden analyysin mukaan todellisuus ei kuitenkaan tee yhteistyötä. Suunta vastaa, mutta voimakkuus ei. Aineen dipoli näyttää selvästi suuremmalta kuin standardimalli ennustaa.

Tässä vaiheessa tilanne muuttuu epämukavaksi. Tutkijat tarkastelivat yli 1,4 miljoonaa kvasaaria ja noin 500 000 radio­lähdettä, ja he raportoivat yli viiden sigman poikkeaman. Fysiikassa se on kultainen standardi tuloksen ottamiselle vakavasti. Se tarkoittaa, että signaalin ilmaantumisen todennäköisyys satunnaisena on häviävän pieni, noin 1:3 500 000. Sama luottamustaso käytettiin kuuluisassa Higgsin hiukkasen vahvistuksessa.

Professori Subir Sarkar ei kaunistellut: asiaa ei voi enää lakaista maton alle ja jopa FLRW-metrin validiteetti on nyt paineen alla. Se on vakava väite. FLRW-metri, joka on nimetty Friedmannin, Lemaîtren, Robertsonin ja Walkerin mukaan, on matemaattinen selkäranka, jota käytetään laajenevan universumin kuvaamiseen yleisessä suhteellisuusteoriassa. Se olettaa suurimittakaavaista yhtenäisyyttä ja isotropiaa. Jos kosmos osoittautuu aidosti vinoutuneeksi, tämä selkäranka ei ehkä kestä yhtä hyvin kuin fysiikat ovat olettaneet.

Enempää kuin pimeän energian murhe

Tällä on merkitystä, koska seuraukset eivät rajoitu pelkästään geometrian kysymyksiin. Ne ulottuvat suoraan yhteen tieteen suurimmista arvoituksista: pimeään energiaan. Standardikuvassa pimeä energia muodostaa noin 70 prosenttia universumin kokonaisenergiabudjetista ja on pääsyy siihen, että kosminen laajeneminen näyttää kiihtyvän. Ongelmana on selvä: kukaan ei ole suoraan tunnistanut, mitä pimeä energia todellisuudessa on.

Jos universumi ei olekaan isotrooppinen, jotkin havainnot joita nykyisin tulkitaan pimeän energian tukena saattavat vaatia uuden arvioinnin. Se, mikä näyttää kiihtyvältä laajenemiselta siistikätisessä, symmetrisessä universumissa, saattaa osittain heijastella vääriä oletuksia universumin todellisesta rakenteesta. Se ei automaattisesti kumoa pimeää energiaa ideana, mutta heikentää tunnetta siitä, että tapaus olisi selvä.

Tohtori Sebastian von Hausegger ilmaisi asian suoraan: jos kaukaiset lähteet eivät ole isotrooppisia samassa kehystilassa, jossa kosminen taustasäteily on isotrooppinen, niin kosmologinen periaate itsessään on rikottu. Ja jos tuo periaate pettää, kosmologit saattavat joutua palaamaan lähtökohtiin.

Ollakseen outoa, kosminen dipoliaanomalia ei ole herättänyt yhtä laajaa julkista huomiota kuin Hubble’n jännite, kuuluisa ristiriita eri mittausten välillä kosmisen laajenemisen nopeudesta. Joissain suhteissa tämä kysymys voi kuitenkin olla jopa perustavampi. Hubble’n jännite kyseenalaistaa sen, kuinka nopeasti universumi laajenee. Dipoliaanomalia kyseenalaistaa sen, ovatko standardin universumikartat rakennettu oikeiden oletusten varaan alun perin.

Useat tulevat observatoriot voisivat auttaa ratkaisemaan kiistan. ESA:n Euclid-missiota on jo käynnissä kartoittamassa miljardeja galakseja pimeän energian ja kosmisen rakenteen tutkimiseksi. NASAn SPHEREx kartoittaa koko taivasta infrapunan aallonpituuksilla etsiessään vihjeitä galaksien muodostumisesta ja suurien mittakaavojen rakenteen synnystä. Vera C. Rubinin observatorio muuttaa taivaan kartoittamista toistuvilla skannauksilla eteläisellä taivaalla, kun taas Square Kilometre Array tarjoaa ennennäkemättömän radionäkymän universumista suurimmilla mittakaavoilla. Koneoppiminen voi myös auttaa tutkijoita testaamaan uusia malleja vuorten tuoretta havaintoaineistoa vastaan.

Tällä hetkellä viesti on yksinkertainen ja järkytettävä. Yksi kosmologian vanhimmista toimivista oletuksista saattaa olla väärä. Jos tulevat havainnot vahvistavat, että universumi on aitojen epäsymmetrinen, tutkijoiden on ehkä tarkasteltava uudelleen paitsi standardimallia myös pimeän energian roolia ja matematiikkaa, jolla kosmosta kuvaillaan.