Antti Lankinen kysyy: Onko valon punasiirtymässä kvanttiutumista vai muuttuuko väri vaan vähitellen punaisemmaksi? Mihin kadonnut energia on kadonnut?

TOIMITUS: Vastaavanlainen kysymys on ollut Tietysti.fi:ssä aiemmin, johon Dosentti Pekka Teerikorpi on vastannut perusteellisesti.

Eikö valo menetä energiaansa, kun se taivaltaa halki universumin havaitsijan silmään, painovoiman vastuksen takia? Tällöin punasiirtymä olisi väärin ymmärretty.

(Kysyjä Reijo Teränen)

13.04.2010 

Dosentti Pekka Teerikorpi Tuorlan observatoriosta vastaa:

Havaitsemme avaruuden galaksit valon tai muun sähkömagneettisen säteilyn avulla. Tässä valossa on yleensä spektriviivoja, joita syntyy tähtien ja kaasun vaikutuksesta. Amerikkalainen Vesto Slipher havaitsi 1910-luvulla, että galakseista tulevan valon spektriviivat ovat siirtyneet pidemmille aallonpituuksille eli punaiseen päin – hän keksi kosmologisen punasiirtymän. Edwin Hubble havaitsi puolestaan vuonna 1929, että punasiirtymät ovat sitä suurempia mitä kaukaisemmasta galaksista valo lähtee. Valo muuttuu siis sitä punaisemmaksi, mitä kauempana sen lähde sijaitsee. Nykykosmologiassa tämä niin sanottu Hubblen laki tulkitaan seuraukseksi maailmankaikkeuden yleisestä laajenemisesta. Kun valo etenee laajenevassa avaruudessa, sen aallonpituus venyy samassa tahdissa laajenemisen kanssa.

Tulkintaa tukevat monet muut havainnot. Esimerkiksi Hubblen laista voidaan laskea kuinka kauan sitten aine oli hyvin tiheää, josta se on paisunut nykymittoihin. Näin saatu maailman ikä, noin 14 miljardia vuotta, sopii yhteen vanhimpien tähtien ikiin, noin 13 miljardia vuotta. Monet havainnot siis loksahtavat kohdalleen, kun punasiirtymä tulkitaan maailmankaikkeuden laajenemisen avulla.

Aallonpituuden kasvu merkitsee samalla valon fotonien energian pienenemistä. Jo 1930-luvulta on kysytty, voisiko punasiirtymä aiheutua valon ”väsymisestä”, kun se taivaltaa suunnattomia matkoja avaruudessa. Voisiko valoon vaikuttaa laajenemisen sijaan jokin väliaine tai muu ilmiö, joka syö sen energiaa ja aiheuttaa punasiirtymän? Tämä on hyvä kysymys, vaikka se ei juuri olekaan standardikosmologian huomion kohteena. Ei ole kuitenkaan vielä keksitty sellaista vaihtoehtoista punasiirtymämekanismia, joka selittäisi yhtä aikaa punasiirtymän ja Hubblen lain ja olisi tukevalla teoreettisella pohjalla.

Painovoima eli gravitaatio aiheuttaa auringon tai muun tähden pinnasta poistuvalle valolle punasiirtymää. Tämä tiedetään havaittuna ilmiönä ja ymmärretään teoreettisesti. Kuten kysyjä aivan oikein pohdiskelee, gravitaatio voisi siis olla yksi vaihtoehtoselitys kosmologisen punasiirtymän selittämiseksi. Tätäkin selitystä on tutkittu, mutta se kohtaa suuria vaikeuksia. Ainetta, joka punasiirtymän aiheuttaa, täytyisi olla paljon enemmän kuin mitä havaitaan. Jopa enemmän kuin niin sanottua pimeää materiaa. Sen täytyisi myös olla hyvin erityisellä tavalla järjestäytynyttä, jotta syntyisi havaittu kaunis Hubblen laki – punasiirtymä, joka on suoraan verrannollinen etäisyyteen. Lisäksi jäisi avoimeksi kysymykseksi, miksi tällaisessa ei-laajenevassa maailmassa vanhimpien taivaankappaleiden ikä on sattumoisin lähellä Hubblen lain avulla laskettua maailmankaikkeuden ajoitusta.

Lopuksi voisi sanoa, että kyllä painovoima näyttelee tärkeää roolia myös tavallisessa punasiirtymän tulkinnassa. Nimittäin ymmärrämme maailmankaikkeuden säännöllisen laajenemisen ja Hubblen lain sellaisten mallien avulla, jotka perustuvat Einsteinin painovoimateoriaan eli yleiseen suhteellisuusteoriaan.