Alkuräjähdys

Wikipedia

Alkuräjähdysteorian mukaan maailmankaikkeus syntyi hyvin tiheästä ja kuumasta pisteestä. Sen jälkeen avaruus on jatkuvasti laajentunut.

Alkuräjähdys on kosmologinen teoria maailmankaikkeuden synnystä, ja se perustuu havaittuihin faktoihin. Sen mukaan kaikkeus syntyi äkillisesti noin 13,7 miljardia vuotta sitten äärettömän tiheästä ja kuumasta pisteestä. Alkuräjähdystä seurasi suunnaton kaikkeuden laajentuminen, joka hidastui vain ensimmäisen 7 miljardin vuoden ajan ja joka jatkuu yhä edelleen. Samalla syntyivät paitsi aine, paikka, aika ja energia, myös luonnonlait eli perusvuorovaikutukset, jotka ovat ohjanneet olevaisen käyttäytymistä siitä lähtien. Vuorovaikutukset olisivat voineet muovautua myös toisenlaisiksi, jolloin myös kaikkeutemme näyttäisi toisenlaiselta. Eli siis tämä nykyinen kaikkeutemme ei ole välttämättä ainoa toimiva kaikkeus, vaan myös muunkinlaisilla vuorovaikutuksilla saattaisi pystyä kehittymään elämää.

Kaikkeuden alussa syntyneet perusvuorovaikutukset — gravitaatio, heikko vuorovaikutus, varautuneiden hiukkasten välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus ja ytimien vuorovaikutukset — ohjaavat aineen ja energian käyttäytymistä kaikkeudessa. Tähdet, tähtijärjestelmät ja koko kaikkeus kehittyvät näiden luonnonlakien määräämällä tavalla.

[muokkaa] Historiaa

WMAP-satelliitin havainnoista koostettu kuva kaikkeuden mikroaaltotaustasta. Siniset laikut ovat "kylmiä" alueita ja punaiset "lämpimiä".

Nykyisin hyväksytylle inflaatioteorialle ovat monet arvostetut tutkijat raivanneet tietä, ja teoriaa tukevat ensisijaisesti inflaation jättämä äänispektri ja mikroaaltotaustasäteily.

Albert Einstein pohjusti suhteellisuusteoriaan vuosikymmenien ajan ja viimeisteli sen 1915. Se ratkaisi monia ongelmia ja sovitti havainnot teorioiden kanssa yhteen. Suhteellisuusteoriassa oli kuitenkin yksi ongelma: jos sen yhtälöitä sovellettiin koko kaikkeuteen, osoittautui, ettei se voi olla pysyvä ja vakaa järjestelmä, vaan sen täytyy joko laajentua tai romahtaa kasaan. Einstein kuitenkin piti kaikkeutta vakaana, ja se pakotti hänet lisäämään poistovoiman eli kosmologisen vakion, jonka ansiosta teoria vaikutti toimivalta.

Belgialainen Georges Lemaitre ehdotti 1927 ensimmäisenä maailmankaikkeuden syntyneen alkuräjähdyksestä. Teoriaa tukivat Edwin Hubblen 1929 tekemät havainnot galaksien toisistaan loitontumisesta.

Koska kaikilla kappaleilla ja aineilla on tunnusomainen lämpöspektri, olisi erittäin kuuman alkuräjähdyksen pitänyt jättää sellainen jälkeensä. Mikroaaltotaustasäteilyn havaitsi vasta vuonna 1965 vahingossa AT&T Bell -laboratorion tutkijat. Heidän antenniaan häiritsi tuntematon häly, jonka tutkimisesta ja paikantamisesta myönnettiin 1979 Nobelin fysiikanpalkinto. Ukrainalainen George Gamow oli kuitenkin jo ennustanut taustasäteilyn olemassaolon 1940-luvulla.

Ensimmäisen kerran inflaatioteorian toi julkisuuteen MIT:n fyysikko Alan Guth tutkiessaan Higgsin kenttää (1960-luvulla esitetty Higgsin kenttä antaa hiukkasille massan). Yllättävien tulosten mukaan Higgsin kenttä osoittautui voimakkaasti luotaan työntäväksi alkuräjähdystä seuranneessa tilassa. Guthin laskelmat muokkasivat perinteisen alkuräjähdysmallin uuteen uskoon. Uusi inflaatioteoria ratkaisi kerralla joukon vanhoja kaikkeuden tutkimuksia haitanneita ongelmia. Guthin tutkimuksia aluksi epäiltiin ja vanhoja teorioita pidettiin luotettavampina, kunnes Guth todisti laskelmiensa pystyvän samanlaisiin tarkkuuksiin.

Tutkimuksissa selvisi, että inflaatio oli muuttanut alkuräjähdyksen avonaisen urkupillin muotoiseksi, jossa oli "yliääniä" ja tietty selkeä "perusääni", joka voitiin havaita mikroaaltotaustassa. Normaalin urkupillin resonanssi voidaan laskea tarkasti, kun tiedetään pillin pituus ja äänen nopeus. Kvanttimekaniikan mukaan inflaatiokentässä (inflaation aiheuttama mekanismi) esiintyy hälyä ja värähtelyä kaikilla taajuuksilla. Alkuräjähdyksen plasmassa hälyäänet kasvoivat ääniaalloiksi. Kuten urkupilleissä resonanssitaajuudet jäävät vain jäljelle, ja alkuräjähdyksen äänimerkit eivät ole vieläkään kadonneet mihinkään, vaan ne voidaan havaita mikroaaltotaustasäteilyssä, jossa ne näkyvät pieninä vaihteluina. Äänispektrin taajuudet olivat riippuvaisia maailmankaikkeuden ulottuvuuksista.

Inflaatioteoria ennustaa jokaisen äänentaajuuden ja -korkeuden hyvin tarkkaan. Aikaisemmat arviot ovat olleet käytännössä mitattavissa 1990-luvulta saakka. WMAP-satelliitin viiden vuoden havainnot kaikkeuden äänispektristä saatiin päätökseen 16. maaliskuuta 2006. Inflaatioteoriaa tukevat havainnot olivat niin sopusoinnussa ennustettujen arvojen kanssa, että kaikki muut teoriat alkuräjähdyksestä on jouduttu siirtämään syrjään.

[muokkaa] Alkuräjähdyksen kulku

Kaikkialla avaruudessa on kosmista mikroaaltotaustasäteilyä, joka on peräisin alkuräjähdyksestä. Mikroaaltotaustasäteily on yksi tärkeimmistä kosmologisista havainnoista, ja sen avulla on saatu vastaus moniin maailmankaikkeuden olemusta käsitteleviin kysymyksiin. Säteilyn ansiosta tunnetaan kaikkeuden ikä ja koostumus, miten ensimmäiset tähdet syntyivät, miksi on olemassa galakseja, ja miksi ajalla on suunta.

Mikroaaltotausta ei kuitenkaan riitä, vaan tarvitsee tuntea säteilymittausten vahvistama inflaatioteoria. Inflaatioteorian mukaan kaikkeus laajeni nopeasti heti alkuräjähdyksen jälkeen. Inflaation aiheuttama "jylinä" sai kaikkeuden vavahtelemaan sadan tuhannen vuoden ajan, ja tuolloiset äänimerkit ovat vieläkin havaittavissa mikroaaltotaustasta, joten on mahdollista tutkia varhaisimpia kaikkeuden tapahtumia. Alkuräjähdyksen "kaiku" siis todistaa inflaatioteorian pitävyyden.

Laajenemisen nopeus alussa oli niin suuri, että sitä voi kuvata atomiytimen laajenemisella miljardisosasekunnissa galaksiksi. Tämä nopeus ylitti valonnopeuden miljardeja kertoja. Laajeneminen voi vaikuttaa olevan ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa, mutta se on mahdollista, kun pelkästään avaruus laajenee. Kyseessä ei ole informaation siirtyminen, joten se ei ole ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa, jonka mukaan mikään informaatio ei voi kulkea valoa nopeammin. Laajeneminen on siis mahdollista, jos tarkastellaan alueita, jotka eivät ole kausaalisessa yhteydessä toisiinsa^[1]. Inflaatio loppui pian, ja seuraavan seitsemän miljardin vuoden ajan kaikkeus laajeni hitaasti. Tämän jälkeen universumi alkoi taas kasvaa nopeammin, ja kasvu on jatkunut aina nykypäiviin saakka. Ensimmäisien 400 miljoonan vuoden aikana syntyivät ensimmäiset tähdet. Kaikkeus ja miljardit galaksit muotoutuivat vähitellen nykyisenlaisiksi.

Nykyisin WMAP-satellitiin mittausten jälkeen voidaan laskea kaikkeuden iäksi 13,7 (±2%) miljardia vuotta entisen 12-18 miljardin vuoden sijaan. Mikroaaltotaustasta on päätelty kaikkeuden sisältävän 22 prosenttia pimeää ainetta, 74 prosenttia pimeää energiaa ja vain 4 prosenttia atomeista koostuvaa ainetta.

[muokkaa] Alkuräjähdyksen todisteita

Arvostelijoiden päinvastaisista väitteistä huolimatta teorian tärkeimmät ennustukset pitävät paikkansa. Näitä ennustuksia ovat muun muassa:

• Tasainen, kaikista suunnista tuleva noin 3 kelvinin taustasäteily
  • 1948 George Gamow ennusti 1948 15 kelvinin säteilyn
  • 1963 Dicke ja Peebles laskivat tarkemmin uudelleen ja ennustivat 3 kelvinin säteilyn
  • 1965 Penzias ja Wilson löysivät 3 kelvinin säteilyn tietämättä sen kosmista merkitystä luullen ensin kohdanneensa tuntemattoman paikallisen häiriön
• Alkuaineiden suhteet maailmankaikkeudessa
• vedyn, deuteriumin, helium-3:n, helium-4:n ja litiumin osuudet. Erityisesti heliumin suuri massaosuus 25 prosenttia maailmankaikkeudesta.
• Galaksien loittoneminen toisistaan
  • 1917 staattiseen avaruuteen uskonut Albert Einstein ei teoriallaan saanut maailmanmalliaan vakaaksi vaan joutui lisäämään kosmologisen vakion.
  • 1917 William de Sitter huomasi, että edes kosmologinen vakio ei pelasta staattista maailmankaikkeutta, vaan avaruus joutuu liikkeeseen jo pienestä häiriöstä
  • 1922 venäläinen A. Friedmann totesi, että vaikka kosmologista vakiota ei olisikaan, laajeneva avaruus on yksi Einsteinin yhtälön ratkaisuista
  • 1927 Georges Lemaitre teki ensimmäisenä 'big bang' -mallin, jossa kaikki lähtee yhdestä pisteestä
  • 1929 Edwin Hubble löysi spektriviivoista galaksien suuret punasiirtymät ja päätteli galaksien etääntyvän toisistaan
  • Erityisesti Sandagen ja Perelmuterin 1980-luvulla julkistamat havainnot vahvistavat, että kaukaisten galaksien pintakirkkaus (punasiirtymällä z) on kääntäen verrannollinen (1+z):n neljänteen potenssiin aivan kuten laajenevan avaruuden ennusteen mukaan pitääkin. Se sulkee pois staattisen avaruuden mahdollisuuden erittäin suurella todennäköisyydellä.
• Aikataulujen yhteensopivuus
• Riippumattomien, esimerkiksi pallomaisten tähtijoukkojen, iänmääritysten yhteensopivuus (virherajojen sisällä) maailmankaikkeuden iän kanssa.
• WMAPin havaitsema infrapunataustasäteily, joka kertoo galaksien syntyyn liittyvistä varhaisista lämpötilanvaihteluista.
• Spitzer-avaruusteleskooppi havaitsi vuonna 2005 lähi-infrapunassa säteilyä, joka on todennäköisesti peräisin ensimmäisistä, niin kutsutun Populaatio III:n, tähdistä.

[muokkaa] Tulevaisuus

Maailmankaikkeuden tulevaisuudesta on esitetty tieteellisiä malleja, joiden mukaan sen kohtalo riippuu sen massasta. Mikäli massa on tarpeeksi suuri, pysäyttää se lopulta kaikkeuden laajenemisen ja jossain vaiheessa kaikki aine palaa takaisin lähtöpisteeseen. Jos kriittinen massa on liian pieni, teorian mukaan laajeneminen ei pysähdy koskaan ja lopulta kaikkeus kokee lämpökuoleman, kun lämpötila laskee absoluuttiseen nollapisteeseen.

[muokkaa] Mitä oli ennen alkuräjähdystä?

Monesti on sanottu että alkuräjähdys ja ennen ovat huonoja sanoja, koska niihin sisältyy ajatus, että jotain räjähti, ja ajatus hetkestä ennen alkuräjähdystä voi olla yhtä mieletön kuin paikasta, joka sijaitsee pohjoisnavalta pohjoiseen. Yleisesti on ehdotettu että asiaa pitäisi ennemminkin ajatella spontaanina laajenemisena. Tiedämme, että nykyinen kaikkeus oli pakkautunut äärimmäisen tiheäksi, ja se on laajentunut viimeiset noin 13,7 miljardia vuotta. Kaikki muu ajasta ennen alkuräjähdystä on teoreettista spekulaatiota nykytietämyksellä, mutta joitakin matemaattisia teorioita on esitetty, ja alkuräjähdys voi olla täysin järkiperäisen tutkimuksen kohteena.

Jotkut nykykosmologit kuitenkin arvelevat, että inflaatioteorialla on suurempi merkitys kaikkeudessa kuin tähän asti on uskottu. Universumi on voinut syntyä vielä tuntemattomasta syystä edellisestä universumista, ja se voi olla osa ääretöntä multiversumia. Toisaalta aika ei mahdollisesti ole mitenkään mielekäs käsite kaikkeutemme ulkopuolelle, joten tämä kaikkeus on ollut aina olemassa.

Euroopan avaruusjärjestö lähettää vuonna 2008 Planck-satelliitin avaruuteen mittaamaan mikroaaltotaustaa tarkemmin ja täsmentämään kosmologista kuvaa inflaatiosta, joten multiversumiteorian ynnä muiden teorioiden todennäköisyyksiä voidaan tarkemmin arvioida. Lisäksi CERN aikoo lähivuosina tutkia pimeää energiaa ja mahdollisia toistaiseksi tuntemattomia ulottuvuuksia törmäyskokeilla.

[muokkaa] Ainetta tyhjästä

Kvanttiteorian epätarkkuusperiaatteen mukaan materiaa voi tulla tyhjästä. Myös kaikkeuden kokonaisenergia on edelleenkin nolla, joten energian häviättömyyslakia ei rikota, ja se on syntynyt itsestään toistaiseksi tuntemattoman kvantti-ilmiön johdosta. Kvanttifysikaalinen tyhjiö ei ole "tyhjä", vaan siinä on tyhjiöenergiaa. Maailmankaikkeuden aine on lainannut energiansa gravitaatiokentältä, jossa se lepää, ja niin vastakkaista energiaa meni gravitaatiokenttään. Itse asiassa tunnetaan joitakin ilmiöitä, joissa ainetta muodostuu tyhjästä ja häviää itsekseen, ja joihin muun muassa perustuu mustien aukkojen säteily. Inflaatio näyttäisi olevan se prosessi, joka kasvatti massaenergian kuplasta havaitsemamme maailmankaikkeuden.

[muokkaa] Katso myös

• Hubblen laki

[muokkaa] Lähteet

1. ↑ http://curious.astro.cornell.edu/question.php?number=387

• Tieteen Kuvalehti 8/2006 s.24-29

[muokkaa] Kirjallisuutta

• Enqvist, Kari (2003): Kosmoksen hahmo. Helsinki: WSOY. ISBN 951-0-27916-1

• Greene, Brian (2005): Kosmoksen rakenne: Avaruus, aika ja todellisuus. (Alkuteos: The Fabric of Cosmos: Space, Time and the Texture of Reality, 2004.) Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Helsinki: Terra Cognita. ISBN 952-5202-83-6.

• Krauss, Lawrence M. (2002): Atomi: Matka maailmankaikkeuden alusta elämän syntyyn ja siitä edelleen. (Alkuteos: Atom: An Odyssey from the Big Bang to Life on Earth...and Beyond, 2001.) Suomentanut Juha Pietiläinen. Helsinki: Terra Cognita. ISBN 952-5202-51-8.

• Singh, Simon (2007): Big Bang: Maailmankaikkeuden synty. (Alkuteos: Big Bang: The Origin Of The Universe, 2005.) Suomentanut Veli-Pekka Ketola. Helsinki: Tammi. ISBN 951-31-3360-5.

• Valtonen, Mauri (1992): Kvasaareja ja mustia aukkoja. Ursan julkaisuja 45. Helsinki: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa. ISBN 951-9269-63-0.

[muokkaa] Aiheesta muualla

• Alkuräjähdysteorian perusteet
• Kari Enqvistin esitelmä alkuräjähdyksestä
• Esitelmä alkuräjähdyksestä
• NASAn lehdistötiedote kosmisesta inflaatiosta (englanniksi)
• Proof of Big Bang (englanniksi)
• Interaktiivinen aikajana (englanniksi)
• http://www.historyoftheuniverse.com (englanniksi)
• http://cfa-www.harvard.edu/seuforum/bigbanglanding.htm (englanniksi)