kosmologia

Ongelmana on pimeä aine, joka muodostaa neljänneksen koko maailmankaikkeudesta. Pimeää energiaa on noin 70 prosenttia, tavallista näkyvää ainetta vain muutama prosentti.

"Yleisesti ottaen luonnon perusteoria selittää tietyt ilmiöt, mutta se ei välttämättä anna oikeaa pimeän aineen määrää", selittää Hooman Davoudiasl, jonka johtama Brookhavenin laboratorion tutkijaryhmä on kehittänyt uuden version inflaatioteoriasta. 

"Jos tuloksena on liian vähäinen määrä pimeää ainetta, voi esittää toista lähdettä, mutta on ongelmallista, jos sitä on liikaa."

Jotkut teoriat selittävät hyvin useita fysiikan omituisuuksia, mutta ne eivät voi olla ihan kohdallaan, koska niiden ennustama pimeän aineen määrä on suurempi kuin sen tiedetään todellisuudessa olevan.

Uusi teoria ratkaisisi ongelman. Standardimallin mukaan inflaatio eli maailmankaikkeuden eksponentiaalinen laajeneminen alkoi ainoastaan 10^-35 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen. Hetken kestäneen humauksen jäljiltä maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi nykyiselleen. Sekuntien tai korkeintaan minuuttien ikäisessä kosmoksessa alkoi muodostua keveimpiä alkuaineita.

Davoudiaslin ryhmän kehittämän teorian mukaan inflaation päättymisen ja alkuaineiden synnyn välillä saattoi olla muitakin inflatorisia ajanjaksoja. 

"Ne eivät olisi olleet yhtä merkittäviä tai voimakkaita kuin ensimmäinen, mutta ne voisivat selittää pimeän aineen määrän", arvelee Davoudiasl.

Kun hyvin pienikokoisen maailmankaikkeuden lämpötila oli miljardeja asteita, pimeän aineen hiukkasia törmäili toisiinsa ja tuhoutui annihilaatiossa. Kun laajeneminen jatkui ja lämpötila laski, törmäysten määrä väheni ja pimeän aineen määrä asettui lopulliselle tasolle.

Ongelmana on se, että alkuvaiheen annihilaatio ei tuhonnut riittävästi pimeää ainetta. Ratkaisu olisi toinen inflaation aikakausi – tai ehkä silmänräpäyksellistä hetkeä ei oikein voi kutsua "aikakaudeksi" – joka kasvatti maailmankaikkeuden tilavuutta ja pienensi pimeän aineen tiheyttä niin paljon, että se vastaa havaittua.

Teorian testaaminen on kuitenkin hyvin vaikeaa. Suurimmilla hiukkaskiihdyttimillä on kenties mahdollista päästä energioihin, joissa tulee esiin toisen inflaation edellyttämiä ilmiöitä.

Tutkimuksesta kerrottiin Brookhaven National Laboratoryn uutissivuilla ja se julkaistaan Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuva: BNL

Tähtien räjähdyksiä eli supernovia on jo pitkään käytetty kaukaisten galaksien etäisyyksien määrittämiseen. Tyypin Ia supernovat, joissa valkoinen kääpiö räjähtää hajalle kerättyään kaasua seuralaistähdestään, ovat kirkkaimmillaan lähes identtisiä.

Kun supernovan todellinen kirkkaus tiedetään ja sitä verrataan havaittuun kirkkauteen, voidaan laskea, kuinka kaukana on supernova sekä galaksi, johon se kuuluu.

Supernovien avulla on mahdollista tutkia koko maailmankaikkeuden mittakaavaa. 1990-luvun lopulla tehty löytö pimeän energian olemassaolosta perustui nimenomaan tyypin Ia supernovien avulla määritettyihin galaksien etäisyyksiin ja liikkeisiin. Niiden perusteella maailmankaikkeuden laajenemisen huomattiin vastoin aiempia käsityksiä kiihtyvän.

Vaikka tyypin Ia supernovat ovat melkein aina melkein yhtä kirkkaita, niissä on pieniä eroja. Niihin vaikuttavat tekijät näyttävät liittyvän usein paitsi räjähtäviin tähtiin itseensä myös ympäristöön, jossa supernovat sattuvat olemaan.

Kansainvälistä tutkijaryhmää johtaneen Patrick Kellyn mukaan he löysivät tyypin Ia supernovien populaation, joka soveltuu erinomaisesti etäisyyksien tarkkaan määrittämiseen. "Niiden kirkkaus on hyvin tarkoin kytköksissä siihen, kuinka nopeasti ne himmenevät."

Tutkijaryhmä käytti hyväkseen GALEX-ultraviolettisatelliitin (Galaxy Evolution Explorer) keräämää havaintoaineistoa ja analysoi liki sadan supernovan lähiympäristön.

Tulosten mukaan vastikään syntyneiden, kuumien tähtien läheisyydessä räjähtäneet supernovat ovat merkittävästi kohtalotovereitaan luotettavampia mittatikkuja määritettäessä kosmisia etäisyyksiä. Tutkijoiden mukaan syynä on todennäköisesti se, että räjähtävät tähdet ovat nuoria valkoisia kääpiöitä eli vasta äskettäin päivänsä päättäneitä tähtiä.

Nyt löytyneen supernovatyypin avulla on mahdollista tehdä yli tuplaten aiempaa tarkempia mittauksia maailmankaikkeuden koosta ja laajenemisesta. Menetelmän arvioidaan toimivan luotettavasti vähintään kuuden miljardin valovuoden etäisyydelle.

GALEX-satelliitti kartoitti taivasta ultraviolettisäteilyn aallonpituuksilla noin kymmenen vuoden ajan. Se oli toiminnassa vuoteen 2012 saakka, mutta havaintoarkistot tarjoavat edelleen runsaasti aineistoa tutkijoiden käyttöön.

Tutkimuksesta kerrottiin JPL:n uutissivuilla ja se julkaistiin 27. maaliskuuta Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Sloan Digital Sky Survey

Tämä on kenties vuosikymmenen suurin tähtitieteellinen uutinen: Etelämantereella sijaitseva radioteleskooppi on havainnut merkkejä ammoisista painovoima-aalloista, jotka syntyivät 13,8 miljardia vuotta sitten maailmankaikkeuden alun käydessä läpi kenties hurjinta syntymänsä spurttia.

Sen aikana nuori, juuri syntynyt maailmankaikkeus laajeni 20²⁶ kertaa (miljoona miljoona miljoonaa miljardia) suuremmaksi nopeudella, joka todennäköisesti oli valon nopeutta suurempi.

Kyseessä on kaikessa outoudessaan merkittävä löytö ensinnäkin siksi, että tämä on ensimmäinen kerta, kun maailmankaikkeuden alun aikaisista, Einsteinin suhteellisuusteorian ennustamista painovoima-aalloista on saatu suoria todisteita. Toiseksi se vahvistaa kuvaamme maailmankaikkeuden synnystä ja tuo siitä huippukiinnostavaa lisätietoa. Näistä voisi hyvinkin saada kustakin erikseen Nobelin palkinnon.

Havainnon tehneessä ryhmässä oli tutkijoita Kalifornian teknillisestä yliopistosta Caltechistä, NASAn Jet Propulsion Laboratorystä sekä Stanfordin, Harwardin ja Minnesotan yliopistoista. Ryhmää johtaa tunnettu kosmologi John Kovac Harvard-Smithsonianin astrofysiikkakeskuksesta.

Ryhmällä oli kiire saada uutisensa ulos pikaisesti, koska kilpailevien ryhmien samankaltaiset tulokset ovat nähtävästi juuri tulossa; niinpä tänään ollut tiedotustilaisuus (mistä videotallenne on täällä) pidettiin epätavallisesti ennen kuin tuloksista kertova artikkeli on julkaistu.

Epäsuorasti tietoa inflaatiosta

Inflaatioksi kutsutaan hetkeä, joka tapahtui ensimmäisen sekunnin miljardisosan miljardisosan miljardisosan miljardisosan tuhannesosan aikana. Sitä voi pitää ikään kuin alkuräjähdyksen varsinaisena alun räjähdyksenä.

Sitä ei kuitenkaan voi havaita suoraan, sillä oikeastaan mitään maailmankaikkeuden synnystä on mahdotonta havaita suoraan, koska kaikilla tavoilla sitä tutkittaessa törmätään noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen olleeseen aikaan. Sitä aikaisempaa ei voi nähdä, koska sitä ennen kaikkeus oli täynnä erittäin kuumaa plasmaa, sähköisesti varattuja hiukkasia, jotka sinkoilivat edes takaisin avaruudessa. Silloin ei ollut vielä tähtiä, vaan kaikki oli kuumaa vety-ytimistä muodostunutta hiukkaspuuroa.

Laajentuessaan maailmankaikkeus viileni ja kun tiheys, paine ja lämpötila olivat laskeneet tarpeeksi noin 380 000 vuoden kuluttua alkupamauksesta, alkoi jo siellä olleen kuuman, ionisoituneen vedyn lisäksi plasmaan alkoi muodostua neutraalia vetyä ja heliumia. Koska inflaation aikana maailmankaikkeus laajeni erittäin nopeasti, syntyi siihen pieniä paikallisia ainetihentymiä, klönttejä, jotka muodostivat ituja nykyiselle maailmankaikkeudelle, missä on ainetta hyvin epätasisesti jakaantuneena esimerkiksi galakseina ja niiden joukkoina.

Nyt joka puolelta taivasta havaittavissa oleva niin sanottu mikroaaltotaustasäteily on ikään kuin kaiku tuosta hetkestä. Se oli aikanaan hyvin suurienergistä sähkömagneettista säteilyä, mutta maailmankaikkeuden laajetessa sen aallonpituus venyi ja nyt tämä säteily on havaittavissa mikroaaltojen aallonpituusalueella.

Taustasäteilyä on tutkittu eri menetelmin jo pitkään, ja muun muassa viime vuonna toimintansa lopettanut Planck-teleskooppi havaitsi sen pieniä poikkeamia hyvin tarkasti. Sen lähettämistä tiedoista pystyttiin muodostamaan kuva maailmankaikkeudesta aikaan, jolloin plasmasta alkoi tiivistyä atomiytimiä. Se on maailmankaikkeuden kaikkein aikaisin kartta.

Planck havaitsi myös tuon säteilyn polarisaatiota, mutta sen vahvuus oli ennemminkin säteilyn voimakkuuden mittaaminen. Sen sijaan nyt julkistetun mullistavan löydön tehnyt, Etelämantereella sijaitseva BICEP2 -teleskooppi (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2) havaitsee ennen kaikkea erittäin tarkasti taivaan taustasäteilyssä olevaa polarisaatiota.

Ja tämän löydön salaisuus on polarisaatiossa.

TEDx-tapahtuma laajeni 4. joulukuuta Suomessa ensimmäistä kertaa pääkaupungin ulkopuolelle, Turkuun ja tarkemmin sen Logomo-tapahtumakeskukseen. Kyseessä oli normaaliin TEDx-tapaan vapaaehtoisvoimin järjestetty tapahtuma, joka pohjautuu alkuperäisen TED-konferenssin ideaan: koota yhteen vetävästi esiintyviä eri alojen asiantuntijoita, joilla on kiinnostavaa sanottavaa teknologian, viihteen ja designin aluilta (TED tulee sanoista technology, entertainment ja design).

Turun TEDx-tapahtumassa oli 12 esitystä (joista 9 kpl löytyy YouTubesta). Niiden aiheet pyörivät pääasiassa lähellä ihmistä: esityksissä tavoiteltiin maailmaan lisää empatiaa ja kommunikaatiota. Se edistää yritysten toimintaa, lisää yksilöiden hyvinvointia, parantaa jaksamista, poistaa konflikteja. Niin työelämässä kuin kotosallakin. Kannattaa uskaltaa yrittää, uskaltaa munata itsensä, ja uskaltaa yrittää uudelleen. Muuten ei voi onnistua. Ja niin edelleen.

Yksi puheista oli kuitenkin poikkeus.

Maailmankaikkeus ilmiönä

Suomen tunnetuin tieteentekijä, Esko Valtaoja, kattoi puheessaan aikalailla kaiken sen, mitä alkuräjähdyksen ja TEDx-tapahtuman välillä on sattunut ja tapahtunut. Koska aihe on jokseenkin laaja, havainnollistavan Lego(TM)-leikin sallittiin venähtävän lähes neljä minuuttia yliajalle. TED-konseptin mukaan kun puheet saisivat olla vain 18-minuuttisia.

Valtaoja kansantajuisti vaikeasti ymmärrettäviä asioita. Kaikilla skaaloilla.

Kaikki syntyi tyhjästä ilmestyneessä alkuräjähdyksessä. Puf.

Sen jälkeen olimme kaikki hetken yhtä ainoaa, kuumaa, laajentuvaa kvarkkipuuroa. Kvarkithan ovat tämän hetken tiedon mukaan jakamattomia alkeishiukkasia, eli sitä, mistä kaikki aine rakentuu. (Jossain vaiheessa voi toki tulla hetki jolloin löydetään osaset joista kvarkitkin muodostuvat. Näin kävi atomeillekin, joiden kreikasta tuleva nimi tarkoittaa "jakamatonta".)

Laajentuessaan maailmankaikkeus jäähtyi, ja kvarkit alkoivat takertua toisiinsa pareittain tai kolmestaan. Muodostui protoneja, neutroneja, atomeja, ja ajan kuluessa yhä vain monimutkaisempia molekyylejä. Syntyneet kaasun ja pölyn ihentymät luhistuivat lopulta tähdiksi ikioman massansa ajamina.

Miksi näin sitten tapahtui? Yksinkertainen vastaus: koska luonnonlait, koska gravitaatio ja muut perusvoimat. Koska termodynamiikka. Koska maailma nyt vain sattuu olemaan tällainen. Jos se olisi erilainen, me eläisimme toisten lakien alaisuudessa, ja ihmettelisimme tismalleen samaa asiaa niiden kanssa (jos osaisimme). Ne kaikki vain ovat. "Miksi"-ongelmaan jutun lopussa.

Tähtien ympärille jäi ylijäämätavaran kiekkoja. Pölyä ja toisiinsa törmäileviä murkuloita. Planeettojen muodostumista voi verrata oivasti roskan kertymiseen. Sillä sitähän me olemme, ydinjätettä ammoin kuolleista tähdistä.

"Jättäkääpä viikkosiivous tekemättä, sanotaan vaikka 10 miljoonaksi vuodeksi, niin teillä on Maapallon kokoinen villakoira", kiteytti Valtaoja.

Elämästä Valtaoja muistuttaa, että ensiksi syntyi Eeva, meidän kaikkien kantaäiti. Itsensä kopioiva molekyyli.

"Aatamit ilmestyivät maisemiin vasta noin 2 miljardia vuotta myöhemmin. Sillä tavalla meillä yleensäkin urokset saa houkuteltua esiin - huhuilla että 'olisi seksiä tarjolla'."

Loppu on historiaa. Erittäin pitkän ajan kuluessa tapahtuneen luonnonvalinnan ansiosta olemme tässä.

Valtaojan perusviesti on, että maailmankaikkeuden historia tunnetaan pääpiirteissään. Siinä ei oikeastaan tarvita ulkopuolisia vaikuttajia, koska luonnonlait ovat vieneet vääjäämättä tähän suuntaan.

Mutta miksi näin kävi?

Mitä tuota historiaa "ennen" tapahtui? Mitä meidän universumimme "ulkopuolella" on? Se jää arvailujen varaan. Mattia ja Teppoa mukaillen: emme voi nähdä rajan taa.

"Yksi vaihtoehto on, että Jumala napsautti metafyysisiä sormiaan ja teki maailman tällaiseksi, automaattisesti toimivaksi, ettei tarvi joka välissä kääriä hihojaan. Tai sitten olemme vain yksi osa multiversumista."

Tai sitten jotain ihan muuta. Nämä lienevät asioita, joihin tiede ei pysty antamaan vastausta. Sen ei oikeastaan ole tarkoituskaan. Tieteen metodit kun toimivat vain tuntemassamme maailmankaikkeudessa.

Oli perimmäinen syy mikä tahansa, maailma on sekä lainalaisuuksiensa että äärettömän monimuotoisuutensa takia erittäin mielenkiintoinen. Sitä kannattaa tutkia, ja siitä kannattaa iloita. Sen monimutkaisuutta kannattaa ihastella.

Ja samalla kannattaa muistaa ne kanssatallaajat. Ne muut monimutkaiset molekyylit, jotka ihmettelevät sitä samaa maailmaa.

Turun TEDx-tapahtuman esitykset löytyvät YouTubesta:

• Turussa pidetyt puheet (9 kpl)

• Rap-mummo Eilan tarttuva ja kantaaottava laulu
• Candy Changin yhteisöllisyyttä edistävä idea
• Derek Sivers muistuttaa menestyksekkään idean seuraajien olevan ainakin yhtä tärkeitä kuin sen kehittäjä

Juttua on päivitetty myöhemmin käyttöön saadulla Valtaojan kuvalla, ja lisätty linkit YouTubesta löytyviin esityksiin.

1920-luvun lopulla kosmologian mullistanut Edwin Hubble kehitti ennen galaksien etääntymistä koskevien tutkimustulostensa julkaisua niiden rakennetta kuvaavan, ulkomuodostaan nimensä saaneen ”äänirautakaavion”. Hubblen käsityksen mukaan kaavio kuvaa galaksien rakenteen lisäksi niiden kehitystä: pallomaiset galaksit venyvät ensin elliptisiksi ja myöhemmin niille kehittyy spiraalirakenne. Sittemmin ajatus on osoittautunut vääräksi. Yksinkertainen kaavio on tiedon lisääntyessä muutenkin huomattavasti monimutkaistunut – huominen ”päivän kuva” kertoo, miten.

Tätä päivää on odotettu: Planck-satelliitin havainnoista tehty kartta kosmisesta taustasäteilystä julkistettiin. Suomalaiset tutkijat ja teollisuus ovat mukana tässä perimmäisten kysymysten äärille menevässä Euroopan avaruusjärjestön hankkeessa.

Planck-avaruusteleskoopin 15,5 kuukauden aikana tekemiin mittauksiin perustuva kartta nuoresta maailmankaikkeudesta on ikään kuin kuva alkuräjähdyksestä. Täsmälleen ottaen se on kuva kaikkialta tähtitaivaalta tulevasta säteilystä, joka on universumimme vanhinta valoa, joka syntyi kun maailmankaikkeus oli vain 380 000 vuoden ikäinen. Avaruuden täytti silloin tähtien ja galaksien sijaan kuuma protonien, elektronien ja fotonien puuro, jonka lämpötila oli 2700 celsiusastetta. Kun protonit ja elektronit yhdistyivät vetyatomeiksi, valo pääsi kulkemaan vapaasti. Se on muuttunut avaruuden laajentuessa mikroaaltosäteilyksi, jonka lämpötila on nyt vain 2,7 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Koska nyt tämä säteily näyttää tulevan joka puolelta taivasta, kutsutaan sitä myös taivaan taustasäteilyksi tai kolmen kelvinin säteilyksi, koska 2,7 astetta nollan yläpuolella on liki kolme kelviniä.

Kiinnostavinta tässä kartassa ovat pienenpienet vaihtelut, lievästi kuumemmat ja kylmemmät kohdat, jotka kertovat varhaisen maailmankaikkeuden rakenteesta. Kosmologian standardimallin mukaan nämä tiheysvaihtelut syntyivät alkuräjähdyksen alkuvaiheessa satunnaisina värähtelyinä ja laajenivat tähtitieteelliseen mittaan inflaatioksi kutsutussa lyhytaikaisessa, mutta rajussa kiihtyvän laajenemisen vaiheessa. Sittemmin nämä pienet eroavaisuudet saivat aikaan suuria maailmankaikkeuden rakenteita, joita voidaan nyt havaita mm. galaksijoukkoina, galakseina ja jopa yksittäisinä tähtinä.

Taivaan taustasäteilyä on kartoitettu aikaisemminkin, mutta tänään julkaistu kuva on huomattavasti aikaisempia mittauksia tarkempi. Julkaistu kartta on lähes täydellisessä sopusoinnussa maailmankaikkeuden rakennetta kuvaavan kosmologian standardimallin kanssa, mutta tutkijoiden harmiksi siinä on muutamia kummallisuuksia.

1820-luvulla saksalainen tähtitieteilijä Heinrich Olbers esitti itsestään selvältä kuulostavan kysymyksen, joka sittemmin tuli tunnetuksi Olbersin paradoksina: miksi yötaivas on pimeä? Äkkiseltään asia tuntuu harvinaisen yksiselitteiseltä. Jos aurinko on taivaanrannan takana, on tietenkin pimeää. Niin helposti öinen pimeys ei kuitenkaan selity.
1800-luvun alkupuolella ja vielä pitkään sen jälkeenkin maailmankaikkeutta pidettiin ikuisena ja äärettömänä.

Maailmankaikkeus ei ole syntynyt tiettynä ajanhetkenä vaan on ollut aina olemassa, ja se ulottuu kaikissa suunnissa äärettömän kauas. Vaikka sellainen maailmankaikkeus olisi periaatteessa yksinkertainen – ei alkua eikä loppua sen kummemmin ajassa kuin avaruudessakaan – pimeän yötaivaan selittäminen olisi vaikeaa.

Äärettömässä ja ikuisessa maailmankaikkeudessa näkyisi joka suunnassa tähtiä. Ne olisivat samalla tavalla pieniä valopisteitä kuin tuntemallamme yötaivaalla, mutta jos tähtiä olisi äärettömän paljon ja jos niiden valo olisi voinut matkata äärettömän kauan kohti Maata, pieniä valopisteitä olisi taivaalla vieri vieressä. Taivas olisi silloin yhtä kirkas kuin tähden pinta – sekä päivällä että yöllä.

Pimeää tötaivasta yritettiin selittää esimerkiksi tähtienvälisellä pölyllä, joka himmentäisi kaukaisten tähtien valoa. Äärettömän vanhassa maailmankaikkeudessa valoa imevä pölykin olisi ehtinyt kuumentua ja alkaa säteillä jo kauan sitten, joten siitä ei ollut selitykseksi. Todellinen syy selvisi vasta, kun maailmankaikkeus osoittautui äärellisen ikäiseksi. Se on syntynyt noin 13,7 miljardia vuotta sitten, joten tähtiä ei voi olla äärettömän kaukana eikä tähtien valo ole voinut matkata Maahan äärettömän kauan. Me näemme vain osan maailmankaikkeudesta ja sen tähdistä.

Maailmankaikkeuden syntyä, kehitystä ja tulevaisuutta tulevaisuutta tutkivat kosmologit käyttävät nykyisin tutkimusvälineinään sähkömagneettisen säteilyn kaikilla aallonpituuksilla toimivia kaukoputkia ja teleskooppeja sekä avaruudessa kiertäviä satelliitteja. Kuitenkin jo pelkkä silmäys öiselle taivaalle kertoo keskeisiä asioita maailmankaikkeudesta: se ei ole ikuinen eikä ääretön.