Kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee? Sen luulisi olevan suhteellisen suoraviivainen kysymys, vaikka ei tietenkään helppo kysymys. Tähtitieteilijät saavat kuitenkin kysymykseen kahdenlaisia vastauksia.

Jommankumman täytyy olla väärin.

Fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2011 voittanut John Hopking Universityn professori Adam Riess sanoo BBC:lle, että tähtitieteilijöiden laskelmien erot maailmankaikkeuden laajenemisvauhdista ovat ”aika vakavia”.

Ei niin pahaa, ettei jotain hyvääkin: ristiriitaiset laskelmat saattavat johtaa suuren keksintöön fysiikassa, hän arvioi.

Mistä oikein on kysymys?

Pitkään tähtitieteilijöiden keskuudessa eli oletus, että maailmankaikkeus laajenee tasaisesti. Sittemmin tähtitieteilijät ovat kuitenkin havainneet, että maailmankaikkeuden laajeneminen ei etenekään tasaisesti, vaan se kiihtyy. Jokin voima ajaa maailmankaikkeutta yhä kiihtyvällä vauhdilla suuremmaksi – tätä arvoituksellista voimaa on kutsuttu ”pimeäksi energiaksi”.

Riess oli yksi kolmesta fyysikosta, jotka saivat vuonna 2011 Nobelin palkinnon maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymistä koskevasta tutkimuksestaan.

Laajenemista kuvataan niin sanotulla Hubblen vakiolla.

Nimi on lähtöisin tähtitieteilijä Edwin Hubblesta, joka 1920-luvulla huomasi, että kaukaiset kohteet loittonevat meistä sitä nopeammin mitä kauempana ne ovat. Tätä pakonopeuden ja etäisyyden välistä riippuvuutta kuvaa Hubblen vakio H. Jos kohteen etäisyys meistä on r, sen pakonopeus on Hubblen vakio kertaa etäisyys.

Hubblen vakion on arvioitu pitkään liikkuvan välillä 50-70 km/s/Mpc. Tämä tarkoittaa, että etäisyyden kasvaessa miljoonalla parsekilla (yksi parsek on 3,26 valovuotta) pakonopeus kasvaa 50-70 km/s.

Riess sanoo, että hänen tutkimuksissaan Hubblen vakioksi on täsmentymässä 73,24, ja tähän laskelmaan liittyvä epävarmuus on muuttumassa pienemmäksi. Toisin sanoen hän on entistä varmempi siitä, että hänen tuloksensa on täsmällinen.

Laskelmissaan Riess on käyttänyt niin sanottujen kosmisten etäisyystikapuiden lähestymistapaa, joka nojautuu ”standardikynttilöihin”, tietyllä kirkkaudella valaiseviin taivaankappaleisiin, joiden avulla etäisyyksiä voidaan laskea.

Toinen lähestymistapa kuitenkin hyödyntää muun muassa kosmista taustasäteilyä ja sen mittaamista, ja sillä tavalla laskettessa Hubblen vakioksi on saatu aiemmin 66,9.

Riessin laskelmat siis tarkoittaisivat, että maailmankaikkeus laajenee 9 prosenttia nopeammin kuin on aiemmin luultu.

Laskelmiin liittyy yhä epävarmuuksia, Riess myöntää. Mutta jos ne pitävät paikkansa, fysiikan standardimalliin pitäisi käytännössä tehdä lisäyksiä, jotta laskelmat täsmäisivät.

Neutriinoja tunnetaan nykyisin kolme erilaista. Elektronin-, myonin-, ja taun neutriinoihin vaikuttavat sekä heikko vuorovaikutus että gravitaatio. Eroa laskelmissa voisi Riessin mukaan selittää se, jos standardimalliin lisätään uusi neljäs hiukkanen nimeltään steriili neutriino.

Tällaisen steriilin neutriinon olemassaoloa ei ole todistettu. Se on vain hypoteettinen neutriino, joka ei vaikuta hiukkasfysiikan standardimallin kuvaamilla perusvuorovaikutuksilla, vaan ainoastaan gravitaatiolla.

Toinen selitys on, että pimeä energia käyttäytyy nyt eri tavalla ja vaikuttaa näkyvään maailmankaikkeuteen eri tavalla kuin maailmankaikkeuden alkuvaikoina.

Riess sanoo, että on mahdollista, että maailmankaikkeuden alkuaikoina pimeä energia on voinut reagoida näkyvän maailmankaikkeuden kanssa, vastoin kuin nyt.

Vuonna 2016 julkaistussa Riessin tutkimuksessa ilmeni, että maailmankaikkeus laajenee 5-9 prosenttia luultua nopeammin. Nyt laskelma on siis tarkentunut haarukan yläpäähän.