Muokataan osiota sivusta John Hartnettin kosmologinen malli

== Pimeä aine ja energia nykyjusteerauksina ==

=== Merkuriuksen perihelikiertymä ===

1800-luvun loppupuolella tähtitieteilijät huomasivat, että Merkuriuksen kiertorata kiertyy<ref>Planeetat, kuten myös asteroidit ja komeetat, kiertävät Aurinkoa ellipsinmuotoisilla radoilla, joiden toisessa polttopisteessa Aurinko on. Näin ollen kaikki planeetat käyvät välillä lähempänä Aurinkoa, välillä kauempana siitä. Siksi niiden kiertoradoilla on Aurinkoa ympäröivässä avaruudessa tietty suunta – radan Aurinkoa läheisin kohta eli ''periheli'' on muiden planeettojen periheleihin verrattuna tietyssä suunnassa Aurinkoon nähden. Tarkat havainnot osoittivat kuitenkin tutkijoiden yllätykseksi, että Merkurius onkin tässä suhteessa poikkeuksellinen, sillä sen periheli ei pysy aina samassa kulmassa Maan ja muiden planeettojen periheleihin verrattuna vaan muuttaa – vain hieman mutta aivan säännönmukaisesti – asentoaan planeetan joka kierroksella Auringon ympäri.</ref>, mikä tarkoitti, että jokin tuntematon tekijä vaikuttaa sen käyttäytymiseen. Kiertoradan muutokseksi mitattiin 43 kulmasekuntia vuosisadassa, kun muiden planeettojen aiheuttamat virheet<ref>Koska kaikkien taivaankappaleiden kulloinenkin sijainti vaikuttaa kaikkien muiden liikeratoihin, Merkuriuksenkin kulloisenkin perihelin tarkkaan sijaintiin vaikuttaa muitakin tekijöitä kuin vain sen oman radan systemaattinen kiertyminen.</ref> oli korjattu. Tuolloin yksinomaisessa käytössä olleen Newtonin fysiikan pohjalta oli hyvin vaikea selittää tätä. Ongelman ratkaisemiseksi jouduttiinkin olettamaan avaruudessa olevan näkymätöntä mutta painovoimallaan sisäplaneettojen kiertorataa liikuttavaa ''pimeää ainetta''. Tämä selitys tuo mieleen ennen Kopernikusta käytetyt ptolemaiolaiset episyklit<ref>Lähinnä filosofisista syistä oli vanhalta ajalta asti edellytetty Auringon, Kuun ja planeettojen kiertävän Maata ''tasaista vauhtia, ympyränmuotoisia liikeratoja pitkin'', mutta kun havainnot osoittivat, ettei tämä käsitys voinut sellaisenaan pitää paikkaansa, laadittiin monimutkaisempia ympyräliikemalleja, joiden ideana oli, että kukin planeetta noudattaisi sille tyypillistä, maata ympyrärataa pitkin vakiokulmanopeudella kiertävää pistettä ympyräradalla vakiokulmanopeudella kiertävää pistettä vastaavaa rataa; näitä "ympyröitä ympyröissä" voitiin liikemalleihin tarpeen mukaan "kerros kerrokselta" lisätä, kunnes tulos vastasi kohtuuhyvin havaintoja.</ref>, joiden tarkoituksena oli pimeän aineen tavoin pitää pääteoria pystyssä.<ref>Hartnett, s. 34</ref>

Pimeän aineen kuvaukset vaihtelivat, sillä joidenkin mukaan kyse oli asteroidivyöhykkeen<ref>Marsin ja Jupiterin kiertoratojen välissä Aurinkoa kiertää monta, paljon planeettoja pienempää, asteroidiksi nimettyä taivaankappaletta, joiden painovoiman tarkkaa yhteisvaikutusta ei pystytty laskemaan.</ref> vaikutuksesta, toisten mukaan taas kyseessä oli Merkuriuksen ja Auringon<ref>Astronomian termeinä "maa", "kuu" ja "aurinko" ovat erisnimiä: Maa, Kuu ja Aurinko.</ref> välissä oleva planeetta, joka on aina Auringon toisella puolella Maasta katsoen. Tässä kohdin on kuitenkin huomattava, että Aurinkoa lähempänä olevien planeettojen kiertoaika on huomattavasti lyhyempi kuin Maalla, joten tällainen planeetta ei olisi pystynyt Maasta katsoen kaiken aikaa "piilottelemaan" Auringon takana.<ref>Hartnett, s. 34–35</ref>

Ongelma korjaantui kuitenkin Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian myötä – Einstein pystyi laskemaan Merkuriuksen radan vuosisataismuutokseksi juuri 43 kulmasekuntia. Pimeä aine -selitys osoittautui näin tarpeettomaksi – itse asiassa olikin tarvittu uusi ja oikeampi fysiikka. Newtonin fysiikka huomattiin näet puutteelliseksi olosuhteissa, joissa avaruus ja aika kaareutuvat huomattavasti, kuten juuri Auringon läheisyydessä.<ref>Avaruuden huomattava kaareutuminen Auringon lähellä johtuu Auringon suuresta massasta. Samoin käy kaikkien suurimassaisten taivaankappaleiden läheisyydessä.</ref> Hartnett argumentoi, että vastaavanlainen ongelma vaivaa universumin sekulaaria kuvausta sen kaikilla tasoilla.<ref>Hartnett, s. 35–37</ref>

=== Taivaankappaleiden massanmääritys ===

Newtonin ajoista lähtien tähtitieteilijät ovat mitanneet Auringon ja planeettojen massaa kaavalla:

<math>m =\frac{v^2 \cdot R}{G}</math>

Kaavassa <math>v</math> on mitattavan kappaleen vauhti, <math>R</math> kappaleen ja kiertoliikkeen keskuksen keskipisteiden välimatka ja <math>G</math> Newtonin [[wp:gravitaatiovakio|gravitaatiovakio]].

Kaavaa voidaan käyttää myös aurinkokuntamme ulkopuolisiin kohteisiin, jotka kiertävät jonkin keskuksen ympäri. Massa voidaan määrittää myös loistavan aineen määrästä, mutta nämä kaksi menetelmää tuottavat keskenään ristiriitaisia tuloksia. Yllä mainitulla kaavalla saadaan aina suurempia tuloksia kuin mitä havaitaan, mikä tarkoittaa, että on ainetta, jota ei havaita. Tätä eroa kuvataan yleensä '''''M/L''''' -suhteella. Kun '''''M/L''''' = 1, pimeää ainetta ei tarvita.<ref>Hartnett, s. 37–38</ref>

Eri menetelmin tutkittaessa on kuitenkin huomattu, että '''''M/L''''' -suhde on kaukana yhdestä ja että se kasvaa sitä mukaa, kun asteikkoa suurennetaan. Samainen ongelma vaivaa myös koko universumin tasolla, ja jotta havainnot voitaisiin sovittaa Freidman-Lemaître-malliin, ''pimeä aine'' on otettu uudelleen käyttöön. Pimeän aineen väitetäänkin käsittävän 22% maailmankaikkeuden aineesta ja energiasta.<ref>Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aine ja energia ovat viime kädessä yksi ja sama suure ja muunnettavissa toisikseen Einsteinin tunnetun kaavan <math>E = mc^2</math> mukaisesti.</ref> Malli vaatii myös toisen osatekijän, jota kutsutaan ''pimeäksi energiaksi''. Sitä oletetaan olevan 74% maailmankaikkeuden kaikesta aineesta ja energiasta. Hartnett argumentoi, ettei tätä ole havaittu, mutta pimeää ainetta ja energiaa pitäisi olla kaikkialla ympärillämme – näkyvää ainetta olisi vain 4% aineen ja energian kokonaismäärästä.<ref>Hartnett, s. 38–41</ref>

=== ''Cosmological Special Relativity'' <!--(Kosmologinen erityssuhteellisuusteoria)--> ===

Einsteinin erityisessä suhteellisuusteoriassa (''Theory of Special Relativity'') valon nopeus tyhjiössä määriteltiin vakioksi <math>c</math>. Avaruus ja aika taas kietoutuivat yhteen ''avaruusajaksi'', joka kaareutuu havainnoijan nopeudesta riippuen. Myöhemmin Einstein lisäsi tähän ulottuvuuteen gravitaation, jolloin syntyi yleisen suhteellisuusteorian (''Theory of General Relativity'') ajatus kaarevasta avaruusajasta. Tämä laajennus johti Merkuriuksen kiertoradan muutosten ymmärtämiseen.<ref>Hartnett, s. 41–42</ref>

==== Carmelin teoria ====

1990-luvun alussa '''Moshe Carmeli''' laajensi tätä käsitystä maailmankaikkeudesta. Carmeli huomasi, että tähtitieteilijät mittaavat todellisuudessa vain kahta tekijää: etäisyyttä ja nopeutta. Näitä toki mitataan muiden tekijöiden, kuten kirkkauden ja punasiirtymän, avulla. Maailmankaikkeuden laajimmissa skaaloissa tähtitieteilijät voivat vain ottaa kuvia ja mitata niistä punasiirtymän ja sitten etäisyyden. Tämän pohjalta Carmeli laati uuden teorian – ''Cosmological Special Relativity'' – ja myöhemmin yleisen teorian, johon kuului myös aine.<ref>Hartnett, s. 42–43</ref>

Vuonna 1996 Carmeli ennusti teoriansa pohjalta noin kaksi vuotta ennen havaintoja, että universumin laajenemisen on oltava kiihtyvää. Carmelin uusi ''avaruusnopeus''-käsite laajentaa Einsteinin suhteellisuusteoriaa laajenevan avaruuden laajenemisnopeudella. Carmelin teoria sisältää Einsteinin koko teorian, jonka on todettu pätevän aurinkokunnassa, mutta laajentaa sen kaikille universumin skaaloille.<ref>Hartnett, s. 43</ref>

Hartnett argumentoi saaneensa tämän teorian pohjalta kuvatuksi aineen tiheyden riippuvuuden punasiirtymästä ja näin poistaneensa pimeän aineen tarpeen universumin selitystekijöiden joukosta. Oikeaa fysiikkaa käyttäen se, mitä on väitetty pimeäksi energiaksi, onkin kuvaus tyhjiön itsensä ominaisuuksista – tyhjiö ei näet ole ”ei mitään”, ja vasta tämä uusi fysiikka kuvaa oikein sen ominaisuudet. Hartnettin mukaan tämän uuden fysiikan perusteella normaaliksi ainetiheydeksi vaaditaan vain n. 4% kriittisestä tiheydestä, mikä on sama kuin mitä on havaittu aineen määräksi loistavan aineen määrän perusteella. '''Hartnett-Carmeli''' -malli ei näin ollen vaadi lainkaan pimeää ainetta toisin kuin Friedmann-Lemaître -mallit.<ref>Hartnett, s. 43–44</ref>

==== Galaksien pimeän aineen ongelma ====

Jotain gravitaatiokeskusta<ref>"paikallisen painovoimakentän keskipistettä"</ref> kiertävän kappaleen nopeutta gravitaatiokeskusetäisyyden funktiona kuvaavia kaavioita kutsutaan ''rotaatiokäyriksi''. Hartnett kirjoittaa, että [[wp:Galaksin rotaatiokäyrä|spiraaligalaksitähtien rotaatiokäyrät]]<ref>jotka siis kuvaavat spiraaligalakseihin kuuluvien tähtien kehänopeutta galaksinsa gravitaatiokeskuksen ympäri tästä lasketun etäisyyden funktiona</ref> ovat jo monien vuosikymmenten ajan tuottaneet päänvaivaa tähtitieteilijöille:

Newtonin fysiikan mukaan jotain paikallista gravitaatiokeskusta kiertävä kappale liikkuu sitä hitaammin, mitä kauempana se tästä keskuksesta on – esimerkiksi Venus kiertää Aurinkoa huomattavasti nopeammin kuin Uranus. Gravitaatiokeskuksesta loitompana sijaitsevien spiraaligalaksitähtien kiertonopeus ei kuitenkaan tipukaan tällä tavoin vaan yleensä ensin nousee tiettyyn rajaan asti ja sitten pysyy ennallaan. Nämä havainnot ovat poikkeuksellisia, sillä olisi oletettavaa, että ratanopeudet jopa laskisivat nollaan, kun etäisyys keskukseen kasvaa riittävän suureksi.<ref>Hartnett, s. 43–44</ref>

Kirkkaimmilla galakseilla kiertokäyrä laskee hienoisesti suurimman arvonsa saatuaan, ääripäiden välissä olevilla galakseilla se pysyy lähes vakiona ja himmeimmillä galakseilla se kasvaa tasaisesti läpi kiekon. Tyypillisesti tämän ilmiön selitykseksi on tarjottu pimeästä aineesta koostuvaa haloa, joka ympäröi galaksia. Hartnett argumentoikin, että pimeää ainetta käytetään selityksenä aina, kun käytössä oleva fysiikka ei pysty selittämään havaittua dynamiikkaa. Kuitenkaan galaksin ytimeen ei pimeää ainetta juurikaan tarvita, vaan se on suurimmaksi osaksi keskittynyt keskuksen ulkopuolella olevaan haloon. Tämä selitysmalli edellyttääkin jokaisessa maailmankaikkeuden spiraaligalaksissa olevan pimeää ainetta juuri oikea määrä juuri oikeassa paikassa. Hartnettin mukaan jotkut ''Big Bang'' -teoriaan uskovat astrofyysikotkin pitävät tätä mallia keinotekoisena ja ovat etsineet havainnoille parempaa selitystä.<ref>Hartnett, s. 45–47</ref>

Tämän ongelman ratkaistakseen Carmeli laati viidennen ulottuvuuden laajennuksen Einsteinin suhteellisuusteoriaan, jossa Hubblen laajeneminen tuottaa hiukkasille lisää liikettä ja näin galaksien dynamiikan. Carmeli onnistui myös johtamaan hyvin tunnetun galaksien etäisyyden mittaamiseen käytetyn [[wp:Tullyn–Fisherin relaatio|Tullyn–Fisherin relaation]]. Hän esittikin suhteen olevan galaksin massan ja nopeuden, eikä kirkkauden ja nopeuden välillä.<ref>Hartnett, s. 47</ref>

Carmelin teoria kyseenalaisti pimeän aineen olemassaolon, mutta Carmeli lopetti kaasujen ja tähtien liikettä koskevat laskelmansa lyhyeen. Hartnett laajensi Carmelin laskelmia ja argumentoi näin selittäneensä galaksien tyypilliset rotaatiokäyrät ilman pimeää energiaa. Hartnett argumentoi, että carmelilaista kosmologiaa käyttäen on mahdollista selittää havainnot ilman oletusta pimeästä energiasta kaikissa universumin mittaluokissa.<ref>Hartnett, s. 48, Appendix 3</ref>

Hartnett kirjoittaa, että epäsäännöllisten rotaatiokäyrien tutkimukset ovat toistaiseksi osoittaneet, että voimien ollessa hyvin heikkoja spiraaligalaksien ulointen alueiden kaasujen ja tähtien lisänopeus johtuu kaasumolekyylien kytkeytymisestä laajenevaan avaruuteen itseensä<ref> engl. gas molecules coupling to the expansion of the fabric of space itself</ref>. On havaittu, että näissä järjestelmissä painovoima ei ole kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön vaan kääntäen verrannollinen etäisyyteen itseensä. Tilanne on samantyyppinen [[wp:Modifioitu newtonilainen dynamiikka|modifioidun newtonilaisen dynamiikan]] kanssa, mutta tässä tapauksessa taustalla on täsmällinen suhteellisuusteoria. Tästä seuraa, että tähdet näyttävät kulkevan nopeammin ulkokierroksilla kuin mitä muuten odotettaisiin.<ref>Hartnett, s. 48–49</ref>

Todennäköisesti suurin haaste uudelle fysiikalle on selittää suurien galaksijoukkojen välissä niitä erossa pitävän kuuman kaasun dynamiikka. Tähtitieteilijät ovat laskeneet, että kuuman röntgensäteilevän kaasun massa on huomattavasti suurempi kuin itse galaksien. Perinteisesti tämä on selitetty pimeällä energialla. Hartnett kuitenkin argumentoi, että galaksijoukkojen välisen kaasun lämpeneminen johtuu kaasuionien ja molekyylien liikkeestä laajenevassa universumissa. Tässäkin tapauksessa voimat ovat hyvin heikkoja, mikä tarkoittaa, että kaasujen käyttäytyminen ei seuraa Newtonin, vaan Carmelin lakeja. Tässä tapauksessa kaasuhiukkasten satunnainen liike lisää huomattavasti lämpenemistä ja näin termodynamiikka voidaan selittää ilman pimeää energiaa.<ref>Hartnett, s. 49–51</ref>