Väsyneen valon teoriat ovat hypoteeseja, joiden mukaan Hubblen lain mukainen, kaukaisten galaksien valon punasiirtymän ja galaksien etäisyyden välinen yhteys aiheutuu jostakin muusta kuin galaksien etääntymisestä[1] ja siihen liittyvästä Dopplerin ilmiöstä. Tällaisia malleja on ehdotettu vaihtoehdoksi maailmankaikkeuden metriseen laajenemiseen perustuville kosmologisille teorioille kuten alkuräjähdysteorialle ja pysyvän tilan teorialle.
Tällaisen teorian esitti ensimmäisenä vuonna 1929 Fritz Zwicky, joka oletti, että fotonit menettävät vähitellen energiaansa törmätessään säännöllisesti muihin hiukkasiin, jolloin tämä energian menetys on sitä suurempi, mitä kauempaa fotoni on kulkeutunut. Tämän vuoksi galaksien valo olisi Maahan saapuessaan menettänyt sitä suuremman osan energiastaan, mitä kauempana galaksi sijaitsee, ja koska Planckin lain mukaan valon taajuus on suoraan verrannollinen fotonin energiaan, olisi valon taajuuskin samalla pienentynyt eli se olisi muuttunut väriltään sitä punaisemmaksi, mitä kauempaa valo on tullut.
Zwicky itsekin piti teoriansa heikkona kohtana sitä, että mikä tahansa valon siroaminen saisi kaukaiset kohteet näkymään epäselvemmin kuin todellisuudessa on laita. Myöhemmin on lisäksi osoitettu, että galaksien pintakirkkaus kehittyy ajan kuluessa, ja myös kosmologisten lähteiden aikadilaatiota ja kosmisen taustasäteilyn spektriä on tutkittu. Tällöin on havaittu ilmiöitä, joita ei esiintyisi, jos kosmologinen punasiirtymä johtuisi valon sirontailmiöistä, olivatpa nämä minkä laatuisia tahansa.[2][3][4] Vaikka uusia muunnelmia väsyneen valon teorioista edelleen silloin tällöin esitetään, havainnot eivät tue niitä[5] ja nykyisin useimmat valtavirran astrofyysikot eivät pidä niitä edes vakavan huomion arvoisina.[6]
Teorian historia ja vastaanotto
Ajatus väsyneestä valosta esitettiin sen jälkeen, kun Edwin Hubble oli havainnut, että kaukaisten galaksien valon punasiirtymä oli suoraan verrannollinen niiden etäisyyteen, sikäli kuin etäisyys oli pääteltävissä. Punasiirtymä merkitsee sitä, että kohteen lähettämän valon spektri on siirtynyt kohti pienempiä energioita ja sen mukaisesti pienempiä taajuuksia, minkä yleensä selitetään johtuvan Dopplerin ilmiöstä. Kierteissumujen tutkijat kuten Vesto Slipher havaitsivat, että sijaitsivatpa tällaiset sumut millä puolella taivasta tahansa, näiden kohteiden, joiden nykyisin tiedetään olevan vieraita galakseja, oli lähes aina punasiirtynyttä, ei sinisiirtynyttä. Koska tämä päti kaikissa suunnissa, tämän ei voitu tulkita johtuvan normaalista liikkeestä taustan suhteen, missä tapauksessa olettaisi puna- ja sinisiirtymää esiintyvän suuressa aineistossa yhtä paljon. Sen sijaan kaikki kaukaiset galaksit etääntyvät Linnunradan galaksista. Hubble havaitsi lisäksi, että tämän punasiirtymän suuruus korreloi vahvasti galaksien etäisyyden kanssa.
Slipherin ja Hubblen havaintojen perusteella Georges Lemaître päätteli vuonna 1927, että tämä korrelaatio sopi yhteen Einsteinin gravitaatioteorian ei-staattisten ratkaisujen kanssa, joita nimitetään Friedmann-Lemaîtren ratkaisuiksi. Lemaîtren artikkeli sai kuitenkin osakseen ansaitsemaansa huomiota vasta sen jälkeen, kun Hubble julkaisi sen vuonna 1929. Tämän ratkaisun mukainen punasiirtymän ja etäisyyden välinen yleinen yhteys voitiin selittää sillä miten laajeneva maailmankaikkeus vaikuttaa fotoniin, joka liikkuu aika-avaruudessa valonluontoisella radalla, jonka eri kohtien välinen intervalli on nolla. Tässä muotoilussa esiintyy edelleen Dopplerin ilmiön kaltainen ilmiö, joskin suhteellisia nopeuksia on käsiteltävä huolellisemmin, sillä laajenevassa metriikassa etäisyydet voidaan määritellä eri tavoin.
Samaan aikaan ilmiölle esitettiin muitakin selityksiä, jotka eivät olleet sopusoinnussa yleisen suhteellisuusteorian kanssa. Edward Milne esitti mallin, jonka mukaan suuri räjähdys selittäisi punasiirtymät. Hänen mallinsa oli kyllä sovitettavissa yhteen erityisen, mutta ei yleisen suhteellisuusteorian kanssa. Toiset esittivät, että jotkin systemaattiset ilmiöt selittäisivät punasiirtymän ja etäisyyden välisen korrelaation. Tällaisten teorioiden joukkoon kuuluu myös Fritz Zwickyn vuonna 1929 ehdottama ”väsyneen valon” mekanismi.[7][8] Zwicky esitti, että kulkiessaan suunnattomia välimatkoja staattisessa maailmankaikkeudessa fotonit menettäisivät hitaasti energiaa vuorovaikuttaessaan aineen tai toisten fotonien kanssa taikka jollakin ennestään tuntemattomalla fysikaalisella mekanismilla. Koska energian vähennys johtaa valon aallonpituuden kasvuun, tämä ilmiö saisi valon spektriviivoissa aikaan punasiirtymän, joka kasvaisi verrannollisena valonlähteen etäisyyteen. Muutamaa vuotta myöhemmin Richard Tolman antoi tälle oletetulle ilmiölle nimen ”väsynyt valo” (engl. tired light).[9]
On kuitenkin huomattava, että muutamien lähimpien galaksien kuten Andromedan galaksin valo on päinvastoin sinisiirtynyttä, mikä osoittaa sen lähestyvän Linnunrataa. Tämän vuoksi väsyneen valon teorioissakin on ollut oletettava, että valo ”väsyy” merkittävästi vasta etäisyyksillä, jotka ovat selvästi suurempia kuin Andromedan galaksin etäisyys, ja että vasta niin kaukaisilla kohteilla niiden mahdollisesta lähestymisestä aiheutuva sinisiirtymä ei enää riitä kumoamaan valon väsymisestä aiheutuvaa punasiirtymää.
Väsyneen valon mekanismit kuuluivat niiden vaihtoehtojen joukkoon, joita esitettiin alkuräjähdysteorialle ja pysyvän tilan teorialle, jotka molemmat perustuvat yleisen suhteellisuusteorian mukaiseen maailmankaikkeuden laajenemiseen. Jo 1900-luvun puolivälissä useimmat kosmologit kannattivat jompaakumpaa näistä paradigmoista, mutta oli muutamia tiedemiehiä, jotka kehittivät väsyneeseen valoon perustuvia vaihtoehtoja, varsinkin niiden joukossa, jotka kehittivät vaihtoehtoja yleiselle suhteellisuusteorialle.[10][11] Kun havaitseva kosmologia 1900-luvun loppupuolella kehittyi ja saatiin enemmän ja tarkempaa tietoa, alkuräjähdysteoria sai vähitellen kaikista vaihtoehtoisista kosmologisista teorioista eniten kannatusta, ja lopulta saavutettiin tieteellinen konsensus, jonka mukaan se on hyväksytty eräillä parametrien arvoilla, jotka tarkemmin määrittävät maailmankaikkeuden tilan ja kehityksen. Nykyään väsyneen valon kosmologioita pidetään yleensä jo täysin vanhentuneina, mutta vielä 1980-luvulla monissa kosmologiaa käsittelevissä kirjoituksissa niitä pidettiin ainakin pohdinnan arvoisina, vaikkakin valtavirran astrofyysikot pitivät niitä jo silloin epäuskottavina ad hoc -selityksinä. [12] Myöskään Einstein ei ollut pitänyt väsyneen valon teorioita uskottavina.[1]
Vuoden 1990 jälkeen ja vielä 2000-luvulla on tehty havaintoja, jotka osoittavat, etteivät ”väsyneen valon” hypoteesit ole kelvollisia selityksiä kosmologisille punasiirtymille. [3] Esimerkiksi staattisessa maailmankaikkeudessa, jossa esiintyisi valon väsymistä, tähtien ja galaksien pintakirkkaus olisi vakio. Toisin sanoen, mitä kauempana kohde on, sitä vähemmän valoa siitä saamme, mutta kohteen näennäinen pinta-ala pienensi samassa suhteessa, joten kohteesta saapuvan valon määrä jaettuna sen näennäisellä pinta-alalla olisi vakio. Laajenevassa maailmankaikkeudessa sen sijaan tämä suhde eli kohteen pintakirkkaus pienenee etäisyyden kasvaessa. Kun havaittu kohde etääntyy, siitä aikayksikköä kohti saapuneiden fotonien määrä pienenee suhteellisesti enemmän kuin tapahtuisi ilman laajenemista, koska jokaisen fotonin on kuljettava pidempi matka kuin edellisten, ja lisäksi sen energia on hieman edellisiä pienempi, koska suurilla etäisyyksillä esiintyy suurempi punasiirtymä. Toisaalta laajenevassa maailmankaikkeudessa kohde näyttää olevan suurempi kuin se todella on, koska se oli lähempänä silloin, kun fotonit aloittivat taipalensa. Nämä ilmiöt yhdessä aiheuttavat, että kaukaisten kohteiden pintakirkkaus on laajenevassa avaruudessa pienempi kuin se olisi staattisessa avaruudessa. Tämä ilmiö tunnetaan Tolmanin pintakirkkaustestinä, ja se tukee käsitystä laajenevasta maailmankaikkeudesta eikä ole yhdistettävissä staattisiin väsyneen valon malleihin.[13][14][15]
Punasiirtymä on suoraan havaittavissa, ja kosmologit käyttävät sitä suorana mittana sille, kuinka kauan kaukaisimmista kohteista lähtenyt valo on ollut matkalla. Usein kohteiden etäisyys ilmaistaankin punasiirtymänä eikä vuosina tai valovuosina. Tällaisella asteikolla alkuräjähdys vastaa ääretöntä punasiirtymää.[13] Vaihtoehtoisissa gravitaatioteorioissa, joiden mukaan maailmankaikkeus ei laajene, on esitettävä vaihtoehtoinen selitys punasiirtymän ja etäisyyden väliselle yhteydelle, joka yleisen suhteellisuusteorian mukaisesta metriikan laajenemisesta seuraa suoraan. Sellaisia teorioita sanotaan toisinaan ”väsyneen valon kosmologioiksi”, vaikkeivät kaikki tällaisten esittäjät välttämättä ole tietoisia historiallisista edeltäjistään.[16]
Eräitä vääriksi osoitettuja malleja
On havaittu useita ilmiöitä, joiden selittäminen väsyneen valon avulla on perustavalla tavalla ongelmallista:
- punasiirtymä on yhtä suuri kaikilla aallonpituusalueilla
- sumenemista ei esiinny kaukaisimmillakaan kohteilla
- supernovista on havaittu yksityiskohtainen Hubblen relaatio (katso maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen)
- kosmologisilla etäisyyksillä esiintyviin ilmiöihin liittyy tietyn suuruinen aikadilaatio.
Vuosien kuluessa on esitetty useita väsyneen valon mekanismeja. Samassa artikkelissa, jossa Fritz Zwicky esitti tällaisia malleja, hän itse katsoi jotkin mahdollisuudet poissuljetuiksi. Yksinkertaisimmassa muodossaan väsyneen valon teoria olettaa, että fotonin edetessä sen energia pienenee eksponentiaalisesti suhteessa kuljettuun matkaan:
missä on fotonin energia sen kuljettua matkan valonlähteestä, sen energia sen lähtiessä ja vakio, joka kuvaa avaruuden tai väliaineen vastusta. Jotta tämä vastaisi Hubblen lakia, vakion on oltava useita gigaparsekeja. Esimerkiksi Zwicky pohti, voisiko Comptonin ilmiö selittää punasiirtymän:
»... kaukaisista nebuloista tuleva valo siirtyisi kohti punaista näiden vapaiden elektronien aikaansaaman Comptonin ilmiön vaikutuksesta] [...] Mutta kaikkiin suuntiin sirova valo tekisi tähtienvälisen avaruuden sietämättömän läpinäkymättömäksi, minkä vuoksi edellä esitetty selitys ei kelpaa. [...] on selvää, että jokainen Comptonin ilmiöön tai muuhun sirontaprosessiin taikka Ramanin ilmiöön perustuva selitys on toivottomissa vaikeuksissa yrittäessään selittää kuvien hyvän tarkkuuden.[7]»
Tätä kosmologisilla etäisyyksillä olevien kohteiden ”sumeutta”, joka olisi odotettavissa, ei ole havaittu, joskin tämän osoittamiseen varmuudella tarvittaisiin paljon suurempia kaukoputkia kuin on käytettävissä. Vaihtoehtona Zwicky esitti eräänlaisen Sachs-Wolfen ilmiöön perustuvan selityksen:
»Voisi olettaa spektriviivojen siirtyvän sen vuoksi, että staattinen gravitaatiopotentiaali on eri suuri eri etäisyyksillä galaksin keskuksesta. Tämä ilmiö ei tietysti mitenkään riippuisi havaitun galaksin etäisyydestä omastamme eikä sen vuoksi voi tarjota mitään selitystä tässä artikkelissa käsitellylle ilmiölle.[7]»
Zwickyn omat ehdotukset esitettiin huolellisesti niin, että myöhemmät havainnot saattaisivat falsifoida ne:
»... gravitationaalinen analogia Comptonin ilmiölle [...] On helppo nähdä, että edellä esitetty punasiirtymä leventäisi näitä absorptioviivoja epäsymmetrisesti punaista kohti. Jos nämä viivat voidaan valokuvata tarpeeksi korkealla dispersiolla, tämä viivan gravitaatiokeskuksen siirtymä antaa punasiirtymän riippumatta sen järjestelmän nopeudesta, josta valo on peräisin.[7]»
Tällaista absorptioviivojen levenemistä ei ole havaittu suuren punasiirtymän omaavilla kohteillakaan, joten tämä nimenomainen hypoteesi on osoitettu vääräksi.[17]
Samassa artikkelissa Zwicky huomautti myös, että väsyneen valon mallin mukaan etäisyyden ja punasiirtymän välisen yhteyden pitäisi esiintyä oman galaksissamme tähtienkin valossa, joskin tämä punasiirtymä saattaisi olla niin vähäinen, että se olisi vaikea mitata. Oman galaksimme valonlähteistä hän kirjoittikin: ”Olisi erityisen toivottavaa, että punasiirtymä voitaisiin määrittää kohteiden omasta nopeudesta riippumatta.”[7] Tämän vuoksi tähtitieteilijät ovat kärsivällisesti kartoittaneet galaksin kolmiulotteisen nopeus-sijainti-faasiavaruuden ja havainneet galaktisten kohteiden puna- ja sinisiirtymien olevan spiraaligalaksin tilastollisen jakauman mukainen, jotta sisäisen punasiirtymän vaikutus ei häiritsisi tuloksia.[18]
Zwickyn jälkeen Edwin Hubble ja Richard Tolman vertasivat vuonna 1935 etääntymisestä aiheutuvaa punasiirtymää muista syistä aiheutuvaan ja kirjoittivat:
»... molemmat johtavat kuitenkin siihen käsitykseen, että jos punasiirtymä ei aiheudu etääntymisestä, sen selitys edellyttää todennäköisesti täysin uusia fysikaalisia periaatteita [... ja] samaan johtaa Einsteinin staattisen maailmankaikkeuden mallin käyttö yhdistettynä oletukseen, että nebulan lähettämät fotonit matkalla kohti havaitsijaa menettävät energiaa jonkin tuntemattoman ilmiön vuoksi, joka on lineaarinen matkan suhteen ja johtaa taajuuden pienenemiseen ilman merkittävää etenemissuunnan muutosta.[19]»
Nämä edellytykset tulivat lähes mahdottomiksi täyttää, ja yleiseen suhteellisuusteoriaan perustuvien punasiirtymän ja etäisyyden välisen yhteyden selitysten suuri menestys on yksi keskeisimmistä syistä siihen, miksi maailmankaikkeuden alkuräjähdysmalli on edelleen tutkijoiden parhaana pitämä kosmologinen malli.
Erwin Finlay-Freundlich ehdotti 1950-luvulla, että punasiirtymä aiheutuisi siitä, että havaitut fotonit ovat menettäneet energiaansa kulkiessaan säteilykentän läpi.[20]. Häneen viitaten saman teorian hyväksyi myös Manchesterin yliopiston professori P. F. Browne Nature-lehdessä vuonna 1962 julkaistussa kirjoituksessaan.[21] Kosmologian huomattavimpiin tutkijoihin kuuluva Ralph Asher Alpher kirjoitti Nature-lehteen kolme kuukautta myöhemmin kirjeen vastatakseen tähän olettamukseen, jota hän ankarasti arvosteli, sillä ”mitään yleisesti hyväksyttyä fysikaalista mekanismia ei ole esitetty tähän menetykseen”.[22]
Siihen saakka, kunnes WMAP-avaruusluotain ja nykyaikaiset punasiirtymän kartoitukset aloittivat niin sanotun ”tarkkuuskosmologian aikakauden”, [23] väsyneen valon malleja saatettiin silloin tällöin julkaista valtavirran julkaisuissa. Eräs sellainen julkaistiin Nature-lehdessä helmikuussa 1979, ja siinä oletettiin fotonien hajoavan kaareutuvassa aika-avaruudessa.[24] Viisi kuukautta myöhemmin tätä teoriaa arvosteltiin samassa aikakauskirjassa, sillä se lainkaan sopinut yhteen niiden havaintojen kanssa, joita oli tehty gravitaatiopunasiirtymästä ja siihen liittyvästä Auringon reunatummenemisesta.[25] Vuonna 1986 Astrophysical Journalissa julkaistiin artikkeli, jonka mukaan väsyneen valon teoriat selittäisivät punasiirtymän paremmin kuin kosminen laajeneminen, [26] mutta kymmenen kuukautta myöhemmin samassa aikakauskirjassa osoitettiin, etteivät sellaiset väsyneen valon mallit olleet sopusoinnussa viimeisimpien havaintojen kanssa.[27] Kun kosmologiset mittaukset tulivat yhä tarkemmiksi ja havaintotietojen tilastollinen aineisto parani, väsyneen valon teoriat voitiin lopulta katsoa todistetun niin selvästi vääriksi[2][3][4], että vuonna 2001 Charles Seife saattoi kirjoittaa niiden kuuluvan ”lujasti fysiikan ulkoreunalle jo 30 vuotta sitten”[6]. Spekulatiivisissa julkaisuissa sellaisia kuitenkin esitetään toisinaan edelleen.
Lähteet
Kirjallisuutta
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
