Liekö kosmista huumorintajua, että Stephen Hawking oli syntynyt tasan 300 vuotta sen jälkeen kun Galileo Galilei kuoli, ja hän kuoli päivälleen 139 vuotta sen jälkeen kun Albert Einstein syntyi.

Maailmankaikkeus ei ole Hawkingin poismenosta moksiskaan, mutta meidän tietämyksemme maailmankaikkeudesta olisi valtaisasti nykyistä vajavaisempi, ellei Hawking olisi pohtinut sitä kymmeniä vuosia parantumattoman sairauden runtelemaan kehoon kahlitussa mielessään.

Hawkingilla todettiin liikehermoja rappeuttava amyotrofinen lateraaliskleroosi eli ALS-tauti hänen ollessaan 21-vuotias. Elinaikaa hänelle luvattiin korkeintaan kaksi vuotta.

Yli viisikymmentä vuotta jatkuneella laina-ajalla Hawking selvitti useita kosmoksen arvoituksia, mutta keksi myös uusia ominaisuuksia ja omituisuuksia, joita kukaan muu ei ollut tullut ajatelleeksikaan.

"Mustat aukot eivät säteile."

Näin uskottiin, kunnes Hawking meni mullistamaan käsitykset laskemalla, että ne voivat säteillä itsensä olemattomiin virtuaalihiukkasten karanneina osapuolina. Tätä "Hawkingin säteilyä" on vain äärimmäisen vaikea havaita ja siksi Nobel jäi Hawkingilta saamatta. Hyvistäkään teorioista palkintoa ei jaeta.

Kirjaimellisesti tähtitieteellisen suuret luvut, liki-ikuisuudet ja käsittämättömät kvantti-ilmiöt eivät Hawkingia pelottaneet. Välillä tuntui, että hän ilkikurisuuttaan valikoi tutkimusaiheensa sen mukaan, kuinka paljon hänen kollegansa joutuisivat vaivaamaan päätään päästäkseen kärryille, mistä kulloinkin on kyse.

Omien ja läheistensä sanojen mukaan Hawkingilla oli poikkeuksellinen kyky ”nähdä” tarvittavat mielettömän mutkikkaat laskelmat mielessään. Yhtälöiden piirustelu paperille tai liitutaululle oli mahdotonta, edes kirjojen tai lehtien sivujen kääntely ei sairauden edetessä onnistunut.

Kaikki oli tehtävä päässä.

Ongelmana on pimeä aine, joka muodostaa neljänneksen koko maailmankaikkeudesta. Pimeää energiaa on noin 70 prosenttia, tavallista näkyvää ainetta vain muutama prosentti.

"Yleisesti ottaen luonnon perusteoria selittää tietyt ilmiöt, mutta se ei välttämättä anna oikeaa pimeän aineen määrää", selittää Hooman Davoudiasl, jonka johtama Brookhavenin laboratorion tutkijaryhmä on kehittänyt uuden version inflaatioteoriasta. 

"Jos tuloksena on liian vähäinen määrä pimeää ainetta, voi esittää toista lähdettä, mutta on ongelmallista, jos sitä on liikaa."

Jotkut teoriat selittävät hyvin useita fysiikan omituisuuksia, mutta ne eivät voi olla ihan kohdallaan, koska niiden ennustama pimeän aineen määrä on suurempi kuin sen tiedetään todellisuudessa olevan.

Uusi teoria ratkaisisi ongelman. Standardimallin mukaan inflaatio eli maailmankaikkeuden eksponentiaalinen laajeneminen alkoi ainoastaan 10^-35 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen. Hetken kestäneen humauksen jäljiltä maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi nykyiselleen. Sekuntien tai korkeintaan minuuttien ikäisessä kosmoksessa alkoi muodostua keveimpiä alkuaineita.

Davoudiaslin ryhmän kehittämän teorian mukaan inflaation päättymisen ja alkuaineiden synnyn välillä saattoi olla muitakin inflatorisia ajanjaksoja. 

"Ne eivät olisi olleet yhtä merkittäviä tai voimakkaita kuin ensimmäinen, mutta ne voisivat selittää pimeän aineen määrän", arvelee Davoudiasl.

Kun hyvin pienikokoisen maailmankaikkeuden lämpötila oli miljardeja asteita, pimeän aineen hiukkasia törmäili toisiinsa ja tuhoutui annihilaatiossa. Kun laajeneminen jatkui ja lämpötila laski, törmäysten määrä väheni ja pimeän aineen määrä asettui lopulliselle tasolle.

Ongelmana on se, että alkuvaiheen annihilaatio ei tuhonnut riittävästi pimeää ainetta. Ratkaisu olisi toinen inflaation aikakausi – tai ehkä silmänräpäyksellistä hetkeä ei oikein voi kutsua "aikakaudeksi" – joka kasvatti maailmankaikkeuden tilavuutta ja pienensi pimeän aineen tiheyttä niin paljon, että se vastaa havaittua.

Teorian testaaminen on kuitenkin hyvin vaikeaa. Suurimmilla hiukkaskiihdyttimillä on kenties mahdollista päästä energioihin, joissa tulee esiin toisen inflaation edellyttämiä ilmiöitä.

Tutkimuksesta kerrottiin Brookhaven National Laboratoryn uutissivuilla ja se julkaistaan Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuva: BNL

Kun Higgsin hiukkanen, joka antaa muille hiukkasille massan, löydettiin CERNissä vuonna 2012, yksi hiukkasfysiikan niin sanotun standardimallin keskeisistä palasista loksahti paikalleen. Samalla heräsi visaisia kysymyksiä, joista yksi liittyy koko kosmokseen: miten maailmankaikkeus voi olla olemassa.

Higgsin hiukkaset syntyivät, kun maailmankaikkeus laajeni inflatorisesti. Teorioiden mukaan sen olisi pitänyt johtaa epävakauteen, josta olisi ollut seurauksena maailmankaikkeuden romahtaminen heti alkumetreillään. Niin ei käynyt, koska olemme täällä pohtimassa siihen syytä.

Lontoon Imperial Collegessa professorina toimiva Arttu Rajantie selvitti työryhmineen viime vuonna, että maailmankaikkeuden pelasti luhistumiselta Higgsin hiukkasen ja gravitaation välinen vuorovaikutus. Nyt työryhmä on saanut määritettyä tuon vuorovaikutuksen voimakkuuden paljon aiempaa tarkemmin.

Vuorovaikutuksen voimakkuus on standardimallin viimeinen tuntematon parametri. CERNin LHC-kiihdyttimellä (Large Hadron Collider) tehtyjen kokeiden perusteella sen arvo on saatu määritettyä hyvin epätarkasti miinus kvadriljoonan ja kvadriljoonan välille (-10¹⁵–10¹⁵).

Tutkimalla välittömästi inflaatiota seurannutta ajanjaksoa, jolloin maailmankaikkeuden laajeneminen hidastui ja tasaantui, työryhmä on onnistunut parantamaan tarkkuutta huimasti: arvo on tuoreen arvion mukaan nollan ja yhden välillä. Jos se olisi suurempi kuin yksi, maailmankaikkeus olisi luhistunut kasaan.

Maailmankaikkeuden varhaisia vaiheita kuvaavia inflaatioteorioita on useita ja monet niistä ovat sopusoinnussa uuden tuloksen kanssa. Jatkotutkimukset ja tulevat havainnot saattavat auttaa tutkijoita ratkaisemaan, mikä teorioista on oikea.

"Olemme määrittäneet Higgsin hiukkasen ja gravitaation väliselle voimakkuudelle paljon aiempaa rajatumman vaihteluvälin", toteaa Rajantie. "Tulevissa hiukkaskokeissa ja kosmologisissa havainto-ohjelmissa tiedämme nyt paremmin, mitä etsiä, jotta saisimme selville tarkan arvon. Kun se yhdistetään muihin tietoihin, voimme kenties ratkaista, mikä inflaatioteoria on se oikea."

Tulevaisuudessa on tarkoitus toteuttaa useitakin kosmologiaan ja hiukkasfysiikkaan liittyviä tutkimushankkeita, joilla vuorovaikutuksen voimakkuuden arvoa pystytään entisestään tarkentamaan. 

Esimerkiksi LHC-kiihdyttimen energia on kaksinkertaistettu sitten Higgsin hiukkasen löytymisen ja vastikään avaruuteen laukaistu LISA Pathfinder -luotain tähtää gravitaatioaaltojen havaitsemiseen – ja ne voivat kertoa osaltaan myös maailmankaikkeuden varhaisvaiheiden olosuhteista.

Tutkimuksesta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja se on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Imperial College London