Kello tähden pinnalla

29.6.2022 klo 21.35, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kun mainitsin että kosminen mikroaaltotausta muodostui maailmankaikkeuden ollessa 380 000 vuotta vanha, kommenteissa kysyttiin miten tämä ajankohta tiedetään niin tarkasti, kun maailmankaikkeuden nykyinen ikä tunnetaan paljon huonommin.

Maailmankaikkeudessa ei ole yhtä kelloa, jonka viisarien asennosta voisi suoraan katsoa paljonko aikaa on kulunut. Jos tiedetään miten jotkut kappaleet –vaikkapa tähdet tai galaksit– kehittyvät, niin sellaisen iän voi arvioida ulkonäön perusteella. Jos pystyy lisäksi päättelemään, kuinka kauan maailmankaikkeuden alusta kesti siihen, että kappale muodostui, saa selville kuinka vanha maailmankaikkeus oli silloin kun siitä meille nyt saapuva valo lähti matkaan.

Usein iän määrittäminen on kuitenkin epäsuorempaa, eikä varhaisina aikoina ennen tähtien ja muun rakenteen muodostumista ole mitään kappaleita nähtäväksi. Niinpä yksi keskeinen tapa ajan mittaamiseen on maailmankaikkeuden lämpötilan ja iän suhde. Koska aine jäähtyy avaruuden laajetessa, kahden tapahtuman lämpötilan vertailu kertoo paljonko maailmankaikkeus on niiden välillä laajentunut.

Esimerkiksi kosmisen mikroaaltotaustan lämpötila on nykyään 2.7 K. Kosminen mikroaaltotausta syntyi kun aine oli jäähtynyt niin paljon, että atomit muodostuvat, minkä tiedetään tapahtuvan 3000 kelvinin lämpötilassa. Tästä voidaan päätellä, että avaruus on venynyt 1 100-kertaiseksi mikroaaltotaustan matkaan lähdöstä tähän päivään.

Jos tiedetään, millaista ainetta maailmankaikkeudessa on, niin yleinen suhteellisuusteoria ennustaa miten maailmankaikkeus laajenee. Tällöin siitä paljonko avaruus on venynyt voidaan lukea maailmankaikkeuden ikä.

Myöhäisinä aikoina tulee vastaan se ongelma, että tällainen iänmääritys on vain yhtä varma kuin tietomme siitä, miten avaruus laajenee. Harmillisesti suurin mysteeri kosmologiassa on se, mikä aiheuttaa muutaman viimeisen miljardin vuoden aikana tapahtuneen kiihtyvän laajenemisen, ja miten laajenemisnopeus on tismalleen muuttunut.

Varhaisina aikoina ainesisältö kuitenkin tunnetaan, joten lämpötilan ja iän yhteys on selvä. Koska hiukkasfysiikan pohjalta tiedetään tarkasti, mitä kussakin lämpötilassa tapahtuu, voidaan maailmankaikkeuden vaiheet ajoittaa tarkasti.

Esimerkiksi neutriinot vuorovaikuttavat muiden hiukkasten kanssa sitä heikommin, mitä vähemmän niillä on energiaa, eli mitä alhaisempi niiden lämpötila on – lämpötilahan mittaa hiukkasten liike-energiaa. Kun hiukkaspuuron lämpötila laskee alle kymmenen miljardin asteen, neutriinojen vuorovaikutuksista tulee niin heikkoja, että ne kytkeytyvät irti maailmankaikkeuden muusta aineesta ja matkaavat vapaasti. Teoriasta voimme laskea, että tämä lämpötila vastaa yhden sekunnin ikää.

Ensimmäisten noin kahden ja kolmenkymmenen minuutin välillä kevyiden alkuaineiden –vedyn, heliumin ja litiumin– ytimet syntyvät protoneista ja neutroneista. Protonien, neutronien ja ydinten käytöksen määräävä ydinfysiikka riippuu herkästi lämpötilasta ja maailmankaikkeuden laajenemisesta.

Jos maailmankaikkeudessa ei olisi neutriinoita, avaruus laajenisi verkkaisemmin, jolloin lämpötila laskisi hitaammin ja helium-4:ää syntyisi vähemmän. Toisaalta jos olisi olemassa tuntemattomia neutriinojen kaltaisia hyvin heikosti vuorovaikuttavia hiukkasia, laajenemisnopeus olisi isompi, ja syntyisi enemmän helium-4:ää. Samoin jos olisi tuntemattomia protonien ja neutronien kanssa vuorovaikuttavia hiukkasia, ne voisivat sotkeutua ydinten muodostumiseen. Ensimmäiset minuutit ovat hiukkasfysiikan laboratorio.

Erilaisten ydinten määrä muuttuu ensimmäisten minuuttien hiukkaskeitossa kun ne syntyvät, törmäilevät ja hajoavat. Kun ydinreaktiot lämpötilan laskiessa sammuvat, ydinten määrät pysähtyvät kuin kellojen viisarit. Jos nyt mitatut ydinten pitoisuudet kaikki vastaavat ennusteita, voimme todeta, että käsityksemme tapahtumien ajoituksesta pitää paikkansa. Jos pitoisuudet näyttävät eri lukemaa, on syytä miettiä uudelleen, mitä on oikein tapahtunut.

Tällä hetkellä on mahdollista mitata kevyen neljän ytimen (deuterium, helium-3, helium-4 ja litium-7) pitoisuudet. Vedyn ja heliumin määrän voi selvittää tiiraamalla kaasupilviä, joissa on vain vähän raskaampia alkuaineita. Raskaammat ytimet syntyvät tähdissä: niiden puute on merkki siitä, että kaasua ei ole juuri prosessoitu, joten ydinten pitoisuudet ovat jokseenkin samat kuin mitä ne olivat ensimmäisen puolen tunnin jälkeen. Litiumin määrä mitataan vanhojen tähtien pinnoilta.

Muut luvut sopivat ennusteisiin, mutta litium-7:ää on vain kolmannes odotetusta määrästä. Syynä voi olla uudet hiukkaset tai muu toistaiseksi tuntematon fysiikka. Arkisemmin tämä voi johtua siitä, että litiumia tuhoutuu tähdissä odotettua tehokkaammin. Toissaviikon konferenssissa Physics of the Early Universe esittämässään katsauksessa kevyiden alkuaineiden syntyyn Oleg Ruchayskiy korosti sitä mahdollisuutta, että ydinfysiikan mittaukset siitä, miten ytimet vuorovaikuttavat ovat olleet epätarkkoja, ja voi olla että ongelma poistuu kun ne kaikki päivitetään.

Olipa ratkaisu mikä tahansa, johtopäätöksemme varhaisten aikojen tapahtumista ja niiden ajoituksesta ovat samaan aikaan epäsuoria ja täsmällisiä: luemme tähtien pinnan koostumuksesta, mitä ensimmäisten minuuttien aikana tapahtui sekuntien tarkkuudella.

35 kommenttia “Kello tähden pinnalla”

  1. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Kiitos! Tämä oli hyvin selventävä esitys ydinmagneettista resonanssia ikänsä tehneelle!

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kiitos, mukava kuulla!

  2. Miguel sanoo:

    Tämä on varmaan kysytty moneen kertaan, mutta 380 000 vuotta kuulostaa nykykorvaan käsittämättömän pitkältä ajalta. Oliko 380 000 vuotta ajan alusta sama, kuin minkä me nykyään käsitämme 380 000 vuodeksi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kyllä.

  3. Kas sanoo:

    Miten pimeän aineen oletetaan vaikuttaneen maailmankaikkeuden alkuvaiheen kehitykseen? Oletettavasti ainakin painovoiman kautta, mutta onko mitään muuta ilmiöitä maailmankaikkeuden alkuajoista, joiden selittäminen edellyttää pimeää ainetta?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Pimeästä aineesta ei tällä hetkellä ole mitään muita todisteita kuin sen gravitaatio.

      1. Kas sanoo:

        Tämä tekee pimeästä aineesta erityisen mielenkiintoisen. Ainoa mitä siitä tiedetään on, että se on olemassa (tai ainakin sen aiheuttama gravitaatio), se ei ole tasaisesti jakautunut ja sillä on varsin rajattu nopeus (selkeästi alle valonnopeuden). Ja, että pimeää ainetta ei varsinaisesti edes tarvita alkuräjähdyksen ja sen jälkeisten aikojen selittämiseen.

        Mikäli pimeän aineen osalta ei yksinkertaisesti löydetä mitään selitystä, niin odotan mielenkiinnolla voiko selitys olla niin yksinkertainen, että pimeä aine vaikuttaa vain pelkän painovoiman kautta Oletettavasti tällainenkin teoria on jo valmiina.

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Pimeää ainetta tarvitaan monien havaintojen selittämiseen, alkaen 380 000 vuoden iästä nykypäiviin.

  4. Joksa sanoo:

    Koska maailmankaikkeuden ikä on kaikkialla sama niin se vaikuttaisi muodostavan eri havainnoijille heidän liike- tai gravitaatiotiloistaan riippumattoman universaalin aikareferenssin. Mahdolliset aikojen kuluessa tahtuneet kellon käynnin muutoksethan ei vaikuta tältä osin asiaan vaikka iän tarkka mittaaminen käyttämissämme aikayksiköissä jääkin epätarkaksi.

    ST ei sisällä yleistä aikareferenssiä vaan käyttää pelkästään suhteellisia havainnoijien liike- tai gravitaatiotiloista riippuvia aikoja. Ilmiö ei tietenkään ollut tunnettukaan teorian syntyaikana.

    Mutta, olisikohan näin ollen syytä käsittää aika dualistiseksi ilmiöksi, kuten muutamat muutkin asiat kosmologiassa?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Aika kulkee lähes samalla tavalla lähes kaikkialla (ei mustien aukkojen ja neutronitähtien lähellä), koska aineen jakauma on tilastollisesti samanlainen kaikkialla.

      Se, että teorian yhtälöiden ratkaisulla (yleisen suhteellisuusteorian tapauksessa aika-avaruudella) on enemmän symmetriaa kuin yhtälöillä on tavallista. Esimerkiksi Newtonin gravitaatioteoriassa kaikki avaruuden suunnat ja paikat ovat samanarvoisia, mutta Aurinkokunnassa näin ei ole, koska on ainetta, joka ei ole jakautunut tasaisesti.

      Tällä ei ole dualismin kanssa mitään tekemistä.

      1. Martti V sanoo:

        Onko maailmankaikkeuden ikä riippumaton havaitsijasta esim. maanpinnalta katsottuna tai mustan aukon läheisyydessä?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Vaihtelu ajan kulussa on pientä muualla kuin mustien aukkojen lähellä, missä se on suuri.

      2. Joksa sanoo:

        Suuressa mittakaavassa maailmankaikkeus ikääntyy yhtäläisesti kaikkialla vaikka paikallisesti yksittäisten havainnoijien/prosessien kesken näin ei olekaan. Dualismilla tarkoitetaan yleisesti kaksijakoisuutta, tästä syystä termi on tarkoituksenmukainen ajankin osalta.

        Maailmankaikkeus ei ole yhtälöiden tai niiden ratkaisujen tuotosta vaikka toiset kuvaavat sitä paremmin kuin toiset.

        Tämä riittäköön tästä.

  5. Lasse Reunanen sanoo:

    Maailmankaikkeuden alun täsmälliset aikamääritelmät saatu hämmästyttävän tarkoin selvitettyä.
    Kertomasi auttaa hieman asiaan perehtymättömänäkin ymmärtämään sitä.
    Kellojen viisareista sain tänään uuden oivaltavan havainnon:
    Viime viikolla oli kerrostalomme kierrätykseen jätettynä isohko viisarikello (+ 0,5 metriä halkaisija),
    jonka otin ja rikkoutuneen paristokielekkeen väliin laiton väännetyn pienen hakaneulan.
    Kello alkoi toimia. Huomasin, että iso minuuttiviisarin liike näkyi katsoen ja hieman tuntiviisarinkin.
    Mietin, josko maailmankaikkeuden laajentumisen kasvukin jotenkin näkyisi nopeuteen…

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Maailmankaikkeuden laajeneminen ei vaikuta ajan kulkuun Maapallolla mitenkään, jos sitä tarkoitit. Linnunrata ei laajene.

      1. Lasse Reunanen sanoo:

        Kiitos vastauksestasi.
        Kerroit avaruuden venyneen 1 100-kertaiseksi 3000 kelvinin lämpötilasta, nykyiseen 2,7 kelviniin
        (2,7 x 1 100 = 2970). Samalla mitalla olisi 1 venyminen 13 milj. vuotta (13 x 1 100),
        vaikka venymisnopeus onkin muuttuvaa.
        Keskimäärin 65 milj. v. / 5 venymää, 200 milj. v. / 15,38, 250 milj. v. / 12,23 jne.
        Käytit kelloa verraten: ”ydinten määrät pysähtyvät”, ja ”ei ole yhtä kelloa,
        jonka viisarien asennosta voisi suoraan katsoa paljonko aikaa on kulunut.”
        Vertasin kellon viisarin liikkeen havaitsemiseen – pituuden kasvaessa,
        pitkän viisarin pään liike nopeampaa kuin lyhyellä viisarilla.
        Mietin siis, että maailmankaikkeus ns. pitkän viisarin päässä nyt – jonka liikenopeus
        kasvavaa, verrattuna varhaisempaan aikaan (ns. viisari lyhyempi).
        En tosin tiedä olisiko kiihtyvyys muutoksineen ns. viisarivertaukseeni soveltuva.
        Kerroit; ”Linnunrata ei laajene.”
        Kierroksia Aurinko Linnunradassa tekee siis liki samoin etäisyyksin,
        ehkä hieman soikeasti kuten Maakin Aurinkoa kiertäen
        (4.7. paikkeilla oltiin etäisimmillään Auringosta, noin 152 milj. km).
        Tosin: kun galakseja Linnunrataan osunut niin laajentumista lienee ollut,
        ja sitten enemmin kun Andromedan galaksi Linnunradan galaksin kohtaa…

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Aika ei veny, ainoastaan avaruus.

          1. Lasse Reunanen sanoo:

            Kiitos, sanoit asian täsmällisesti.
            Itse em. oletuksessani laitoin laskelmaani vahingossa luvun 19,23 tilalle 12,23 (9 oli väärin 2)..

          2. Martti V sanoo:

            Intuitiivisesti tämä käy järkeen.. Kuitenkin YST mukaan aika-avaruus venyy raskaan kappaleen ympärillä, mistä päätelleen aika venyy myös.

  6. Jyri T. sanoo:

    Joskus viime vuosituhannella kaksoisparadoksi ”selitettiin pois” siten, että kiihtyvässä liikkeessä (kuten painovoimankin tapauksessa) kello hidastuu (eivätkä kaksoset siten vanhene eri tahtia).

    Nyt vallitseva selitys on se, että nopealla avaruusraketilla matkustava kaksonen vanhenee hitaammin, vaikka alus kiihdyttäisi matkallaan kuinka paljon.

    Eikö tämä riko Einsteinin ekvivalenssiperiaatetta? Jo rikkoo, onko sillä mitään käytännön merkitystä?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kaksosparadoksista, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/denialismi-luonnontieteiden-edistyksen-oheisvahinko/

      Koska menee vähän kauas merkinnän aiheesta, niin ei tästä enempää.

  7. Joksa sanoo:

    Varhaisten aikojen vaiheisto aineen laajentuessa alkusingulariteetista on selvitetty kiitettävän tarkoin. Päinvastaisen tapahtuman, aineen tiivistyminen singulariteetiksi mustien aukkojen ytimissä olettaisi kulkevan kutakuinkin vastaavissa vaiheissa, vaikka siinä tapahtuman skaala on pienempi niin pienempikin ääretön on kuitenkin ääretön. Singulariteettien tiivistymisvaiheiden selvittämisen osalta kosmogit tuntuvat heittäneen fysiikan ja faktat roskikseen ja tukeutuvan mediaseksikkäisiin fiktioihin.

    Toivoisi hieman enemmän jalat maassa analysointia singulariteettien tiivistymisestä sekä ajan luonteesta voimakkaan gravitaation (sm-)tapahtumahorisontissa. Gerochin on kerrottu laskeneen että tasaisesti tiivistyvän linnunradan ympärille muodostuisi (sm-)tapahtumahorisontti linnunradan jatkaessa olemassaoloaan normaalin tapaan hyvinkin pitkään. Sisällä siis vallitsisi sama normaalisti toimiva aika-avaruus ilman mitään science-fiction lajin ilmiötä. Horisontin sisällä vallitsevan ajan toimiva yhtälö ulkopuoliseen nähden olisi varsin mielenkiintoinen.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Asia on jokseenkin päinvastoin. Nykyiset teoriamme eivät pysty kuvaamaan mitä tapahtuu kun aineen tiheys kasvaa rajatta – ne pätevät vain johonkin rajaan asti. Niinpä aivan maailmankaikkeuden alusta (jos sellainen on) meillä on vain spekulaatioita.

      Mustien aukkojen muodostuminen sen sijaan osataan kuvata, koska siinä muodostuu tapahtumahorisontti, joka peittää alueen, missä tiheys kasvaisi äärettömäksi. Koska tapahtumahorisontin takaa ei tule informaatiota, sen sisäisillä tapahtumilla ei ole mitään vaikutusta ulkopuolisiin tapahtumiin.

      Tämä riittäköön tästä.

  8. Olli sanoo:

    Hei,

    Voisiko aika-avaruuden laajeneminen synnyttää ajan? Tai voisiko laajeneminen olla aika? Voisiko olla että rajallisilla aivoillamme vain havaitsemme/koemme laajenemisen aikana

    Sanotaanhan, että entropialla ja ainakin ajan suunnalla on yhteys. Mitä jos yhteys on vielä syvempi ja laajenemisen entropian kasvu on aika?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      On syytä erottaa kaksi käsitettä: aika ja kokemus ajan kulumisesta. Tarkemmin, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/kaksi-tarinaa-ajasta/

    2. Martti V sanoo:

      Suurin osa fysiikan laeista on aikasymmetrisiä. Poikkeus on termodynamiikan toinen sääntö, joka ennustaa entropian ikuisen kasvun. Ilman avaruuden laajenemista, entropia ei olisi voinut kasvaa ja ajan käsite olisi merkityksetön.

      1. Syksy Räsänen sanoo:

        Entropian kasvu ei tiettävästi edellytä maailmankaikkeuden laajenemista. Ja myös yleisen suhteellisuusteorian lait, jotka kuvaavat maailmankaikkeuden laajenemista, ovat aikasymmetrisiä.

      2. Lentotaidoton sanoo:

        Jollei-kysymykset tuntuvat vähän hulluilta (”ilman laajenemista”, kun lukuisat aihetodisteet puhuvat muuta). Tuo tuntuu sikälinskin oudolta, että eihän avaruuden laajeneminen näy kuin vasta galaksiryppäiden välisenä etäisyyden kasvuna. Siis ”ajan käsite olisi merkityksetön” täällä maapallolla/aurinkokunnassa/omassa galaksissamme? Emmehän me ”tunne” laajenemista. Me tunnemme vain entropian kasvun (= meille tutun ajan kulumisen ”suunnan”). Aivan varmasti entropia (termodynamiikan toisen pääsäännön mukaan) jyllää täällä paikallisesti, ja kunnolla. Ja kuten Räsänen selvästi huomauttaa, yleinen suhtis on myös aikasymmetrinen. Fysiikan suuri kysymys onkin: miksi/miten kosmoksen entropia oli erittäin alhainen (ei välttämättä nolla) ns BB:ssä. Hankaluus tässä on tietää aivan varhaisesta kosmoksesta koska inflaatio putsasi mennessään koko kosmoksen sitä edeltäneen historian (jos sitä ylipäätään edes oli). Inflaatioteorioitahan on liuta (ja joissa voidaan jossain määrin yhdistää suhtista ja kvanttifysiikkaa). Fysiikkamme joltisenkin varmempi tulkinta alkaa kuitenkin vasta inflaation loppuvaiheissa ns HBB:ssä.

        Palataan siis asiaan muutaman googolin (100^100) vuoden jälkeen. Sitten voimme (varovasti) ehkä lausua jotain entropian ”ikuisuudesta”.

  9. Martti V sanoo:

    Kosmoksen ikää olisi vaikea määrittää ilman sen laajenemista. Toki pimeä energia voi heiketä ja kosmos rysähtää kasaan. Kulkeeko aika silloin taaksepäin ja entropia laskee?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Ei. Maailmankaikkeudessa joissain alueissa laajeneminen kääntyy romahdukseksi (joka sitten rauhoittuu niin, että alue ei laajene eikä romahda). Näin käy kun muodostuu galaksiryppäitä tai galakseja. Aika kulkee niissä eteenpäin kuten muuallakin.

      1. Martti V sanoo:

        Big Crunch skenaariossa aika jatkaa eteenpäin, mutta entropia alkaa vähentymään?

        1. Syksy Räsänen sanoo:

          Ei ala.

          1. Martti V sanoo:

            Kiitos vastauksesta . Joissain syklisissä malleissa on l hidas ekpyrotic contracting jossa entropia laskee inflaation lukemiin

        2. Lentotaidoton sanoo:

          Jo vuosikymmeniä sitten osoittivat fyysikot matematiikan laskelmilla (Standarditeorian termodynamiikan lait), että myös mahdollisessa ”takaisinkelautumisessa” entropia ei toki ala vähentymään, vaan lisääntyy normaalisti. Tämä muodostaakin yhden pulmakohdista syklisissä malleissa, koska nykyisen entropiamme tulisi tietysti olla ikuisessa kierrossa ääretön, mitä se mitä ilmeisimmin ei ole. Myös syklien iän pituuden tulisi kasvaa äärettömyteen. Toki on teorioita joissa tämä ääretön entropia kierretään (esim säieteoriat, joissa entropiaa ”piilotetaan” toisiin ulottuvuuksiin samoin kuin osa gravitaatiosta vuotaa pois = älyttömän heikko gravitaatio).

          Siis ennemmin kuin syklinen olisi multiversumiajatus järkevämpi (vaikka esim inflaation aikana tapahtunut kausaaliyhteyden ”pätkiminen”).

          1. Martti V sanoo:

            Entropian pyyhkiytymisestä syklisessä mallissa https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2022/06/011

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *