Yksinkertaisimmat fysikaaliset mallit maakeskisestä maailmankaikkeudesta ovat epätodennäköisiä, eikä tästä ongelmasta päästä eroon. Tällainen maailmankaikkeus ei sovi havaintoihin yhtä hyvin kuin kosmologian standardimalli. Maakeskistä maailmankaikkeutta monimutkaisemmat ja hienovaraisemmat standardimallin yleistykset, joissa kosminen aine pyörii riittävästi, voivat selittää standardimallissa ilmeneviä ongelmia, ilmenee Turun yliopistossa tarkastettavasta väitöstutkimuksesta.

Keskiajalla kirkon ohjatessa ihmisten maailmankatsomusta oli vallalla maakeskinen maailmankuva. Kirkon vallan heikkenemisen jälkeen filosofit ja fyysikot alkoivat kehitellä vaihtoehtoisia maailmankuvia. Yksi näistä oli maailmankaikkeus, jossa ei ole erityisasemassa olevia alueita: maa, aurinko tai mikään muukaan objekti ei sijaitse erityisessä paikassa universumia, vaan kaikki alueet ovat tasavertaisia. Ajatusta ”kaikki näyttää samalta kaikkialla” kutsutaan kosmologiseksi periaatteeksi.

Kosmologinen periaate oli satoja vuosia oleellisessa osassa filosofien ja fyysikoiden teorioissa maailmankaikkeudesta. Vasta 1960-luvulla saatiin ensimmäinen vahva todiste periaatteen puolesta, kun kosminen taustasäteily havaittiin ensimmäistä kertaa. Kosminen taustasäteily kertoo 300 000–400 000 vuotta vanhan maailmankaikkeuden ominaisuuksista. Havainnon mukaan universumi oli samanlainen kaikissa suunnissa, aivan kuten kosmologinen periaate vaatii. Näitä havaintoja on tarkennettu uusilla ja tarkemmilla mittalaitteilla, ja muitakin havaintoja on tehty: kaikki kuitenkin tuntuivat sopivan maailmankuvaan, jossa kosmologinen periaate pätee.

Yllätyksellinen havainto tehtiin kuitenkin 2000-luvun taitteessa: supernovahavainnot viittasivat uuden, tuntemattoman energiamuodon olemassaoloon. Tätä alettiin kutsua pimeäksi energiaksi. Pian huomattiin, että pimeä energia ei olekaan välttämätön, jos luovutaan kosmologisesta periaatteesta. Tämä kuitenkin vaatisi, että Maa olisi ainakin suurin piirtein universumin keskipisteessä. Hieman 2000-luvun vaihteen jälkeen huomattiin myös uusilla, entistä tarkemmilla laitteilla, että taustasäteilyssäkin näkyi piirteitä, jotka näyttäisivät rikkovan kosmologista periaatetta.

Fysiikan näkökulmasta Maa voi sijaita suurin piirtein universumin keskipisteessä, se on vain erittäin epätodennäköistä. Tämä saikin fyysikot vertaamaan mallia myös muihin havaintoihin kuin supernoviin.

– Alkuun maakeskinen malli vaikuttikin lupaavalta, mutta 2010-luvun alussa alkoi löytyä havaintosuureita, jotka maakeskinen malli selitti huomattavasti huonommin kuin standardimalli. Tutkimuksissani syvensin ymmärrystämme siitä, miksi näin tapahtuu sekä löin uuden naulan näiden yksinkertaisimpien maakeskisten mallien arkkuun: osoitin, etteivät ne sovi uuteen Lyman-α-metsästä saatuun baryoniakustiseen dataan. Tutkin myös Maan sijaintiin liittyvää epätodennäköisyyttä ja havaitsin, ettei sitä pysty lieventämään ainakaan yksinkertaisimmilla maakeskisillä malleilla, Turun yliopistossa väittelevä Peter Sundell kertoo.

Taustasäteilyssä näkyviä kosmologista periaatetta loukkaavia piirteitä ei ole vielä millään mallilla pystytty selittämään. Maakeskistä mallia monimutkaisemmat kosmologista periaatetta rikkovat mallit omaavat kuitenkin sopivia ominaisuuksia tähän. Avainasemassa saattaa olla kosminen aine – toisin sanoen kaikki aine, jota maailmankaikkeudesta löytyy.

– Tämän ongelman tiimoilta tarkastelin mallia, jossa kosminen aine on ominaisuuksiltaan rikkaampaa kuin mitä aiemmin on oletettu. Osoittautui, että tällöin kosmisen aineen pyöriminen voikin olla luultua vinhampaa. Tämä voi olla selityksenä taustasäteilyssä havaituille kosmologista periaatetta rikkoville piirteille.

Kosmiset havainnot viittaavat kosmologisen periaatteen rikkoutumiseen.

Maailmankaikkeus ei anna kuitenkaan mitään ilmaiseksi, sillä yksinkertaisimmat tällaiset mallit eivät sovi havaintoihin standardimallia paremmin.

– Asian selvittämiseksi tarvitaan lisää teoreettista tutkimusta ja tarkempia havaintoja – tai sitten havaintoja on tulkittu väärin ja kyse onkin jostain aivan muusta, Sundell sanoo.

FM Peter Sundell esittää väitöskirjansa Beyond the cosmological principle julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa keskiviikkona 14. syyskuuta.

Vastaväittäjänä on professori Kari Enqvist Helsingin yliopistosta ja kustoksena professori Kalle-Antti Suominen Turun yliopistosta. Tilaisuus on englanninkielinen.

FM Peter Sundell on syntynyt vuonna 1983 ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2002 Laurin lukiossa Salossa. Korkeakoulututkintonsa Sundell suoritti 2010 Turun yliopistossa. Väitöksen alana on teoreettinen fysiikka.