Esitelmä Maailmankaikkeus nyt

Kirkkonummen Komeetta järjesti huhtikuussa yleisöesitelmän, jossa fil. maist. Vesa Muhonen Helsingin yliopistosta kertoi aiheesta Maailmankaikkeus nyt. Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta rahoitti esitelmän. Esitelmää kuunteli noin 60 henkeä.

Viimeisen vajaan vuosikymmenen aikana saatujen mittaustulosten ansiosta tietomme maailmankaikkeuden rakenteesta on tarkentunut huomattavasti. Eikä tämä kehitys ole ollut aivan täysin yllätyksetöntä. Eräs teoreettisen fysiikan suurista kysymyksistä on niin kutsutun "pimeän energian" alkuperän selvittäminen. Pimeä energia näyttäisi täyttävän maailmankaikkeutemme. Esitelmässä tarkoitus on selvittää minkälainen maailmankaikkeus on, mistä se koostuu ja miksi me tiedämme kaiken tämän periaatteessa varsin yksinkertaisten mittaustulosten ansiosta.

Vesa Muhonen on teoreettisen fysiikan tutkija Helsingin yliopistossa ja hän tutkii kosmologiaa, tarkemmin sanottuna kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn fysiikkaa.

Klikkaa kuvaa!
Fil. maist. Vesa Muhonen esitelmöi Kirkkonummella. Esitelmää kuunteli noin 60 henkeä. Kuva Seppo Linnaluoto.

Kosmologia

Kosmologia tutkii maailmankaikkeutta kokonaisuutena. Se ei ole kiinnostunut esim. siitä, minkälaisia galaksit ja tähdet ovat. Kosmologia oli pitkään lähes yksinomaan filosofiaa, ongelmana oli havaintojen puute. Se on tullut todelliseksi osaksi fysiikkaa vasta 1900-luvulla ja todella vasta 1990-luvulla. Nykytietämyksemme kosmologiasta perustuu havaintoihin eikä arvailuihin.

Olbersin paradoksi

Miksi yöllä on pimeää? Pintakirkkaus ei riipu etäisyydestä. Esimerkiksi valokuvaa ottaessamme kelpaa sama valotus läheisille ja kaukaisille kohteille. Äärettömässä ja ikuisessa maailmankaikkeudessa meidän pitäisi nähdä tähti riippumatta siitä, mihin suuntaan katsomme. Tässä tapauksessa yötaivas olisi yhtä kirkas kuin tähden pinta.

Tämä on nk. Olbersin paradoksi. Sitä tarkasteli jo Kepler vuonna 1610. Nimensä paradoksi sai saksalaisesta tähtitieteen harrastajasta Heinrich Olbersista (1758-1840).

Kirjailija Edgar Allan Poe ehdotti ongelmalle oikeaa ratkaisua. Maailmankaikkeus ja tähdet eivät ole ikuisia, vaan niillä on äärellinen ikä, nimittäin 14 miljardia vuotta. Sen vuoksi voimme nähdä korkeintaan 14 miljardin valovuoden päähän, ja tässä äärellisessä tilavuudessa ei ole riittävästi tähtiä, jotta niitä riittäisi joka suuntaan.

Millainen se on?

Maailmankaikkeuden koko tai muoto ei ole ollut ollenkaan selvä asia. Vasta Edwin Hubblen 1920-luvulla tekemien havaintojen perusteella selvisi, että Linnunrata ei ole koko maailmankaikkeus, vaan ainoastaan yksi galaksi lukemattomien kaltaistensa joukossa.

Vuonna 1929 Hubble havaitsi, että galaksit loittonevat meistä sitä nopeammin, mitä kauempana ne ovat. Nopeus on suoraan verrannollinen etäisyyteen. Eli kaksi kertaa kauempana oleva galaksi etääntyy meistä kaksi kertaa nopeammin. Galaksit ovat siis olleet aiemmin lähempänä toisiaan.

Klikkaa kuvaa!
Nasa julkaisi viime vuonna syvimmän koskaan otetun kuvan. Kuvan sivu on kymmenesosa Kuun halkaisijasta, se sisältää 10.000 galaksia ja sitä valotettiin 11 vuorokautta. Kuva Nasa.

Alkuräjähdys

Alkuräjähdyksellä tarkoitamme, että maailmankaikkeus oli joskus menneisyydessä hyvin tiheä, kuuma ja se laajeni nopeasti.

Alkuräjähdys ei tapahtunut missään, vaan aika ja avaruus saivat siinä alkunsa. Ei ole mitään ulkopuolista tilaa, mihin maailmankaikkeus laajenee, vaan laajeneminen on avaruuden ominaisuus.

Koska valolla on äärellinen nopeus ja maailmankaikkeudella äärellinen ikä, niin emme voi nähdä loputtoman kauas.

Muitakin teorioita on pohdittu. Mitään alkuräjähdystä parempaa ei kuitenkaan ole vielä esitetty.

Kaikuja alkuräjähdyksestä

Kaikki kuumat kappaleet hehkuvat. Miksei myös maailmankaikkeus? Voisiko tuon hehkun havaita? Tätä pohtivat teoreettisesti George Gamow ja Ralph Alpher vuonna 1948. Koska maailmankaikkeus laajenee, niin taustasäteilyn lämpötila laskee ja on nykyään vain noin kolme Kelvin-astetta. Tämän löysivät sattumalta Robert Wilson ja Arno Pentzias vuonna 1965. Tämä on erittäin vahva todiste alkuräjähdyksen puolesta.

Nasan COBE-satelliitti havaitsi 1992 taustasäteilyssä pieniä, asteen sadastuhannesosan vaihteluja. Ne sisältävät suuren määrän tietoa varhaisesta maailmankaikkeudesta. Esan Planck-satelliitti laukaistaan tutkimaan samaa asiaa tarkemmin 2007. Myös Suomi on mukana tässä projektissa.

Klikkaa kuvaa!
Nasan WMAP-luotaimen tulos taustasäteilyn vaihteluista. Sininen merkitsee kylmiä, punainen kuumia alueita. Kuva Nasa.

Kadonnut massa

Taustasäteily kertoo tarkasti, paljonko maailmankaikkeudessa on ainetta eli energiaa. Aineen määrää voi yrittää selvittää muutenkin, esim. laskemalla tähtiä. Erilaisten mittausten perusteella tulokseksi saadaan, että maailmankaikkeudessa on tavallista ainetta vain neljä prosenttia!

Tarkastelemalla tähtien liikettä galakseissa sekä galaksien ja galaksijoukkojen liikettä saamme selville, että maailmankaikkeudessa on ainetta, joka ei näy teleskoopeissa. Tämä pimeä aine kattaa vain 23 prosenttia maailmankaikkeuden sisällöstä!

Toisaalta tietyntyyppiset supernovaräjähdykset tuottavat täsmälleen yhtä paljon energiaa. Tämä johtuu supernovaräjähdyksen mekanismista. Tuleva supernova on kaksoistähti, jossa toinen komponentti on valkoinen kääpiö. Toisesta tähdestä tulee massaa kääpiötähteen, jonka massaraja ylittyy ja tähti romahtaa neutronitähdeksi. Tämä merkitsee supernovaa.

Nyt on huomattu, että kaukaiset supernovat ovat liian himmeitä. Tämä voidaan selittää maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymisenä. Kiihtyvyyden aikaansaamiseksi tarvitsemme nk. "pimeää energiaa". Tämä energia ei koostu mistään hiukkasista ja on vielä täysi teoreettinen mysteeri. Mutta mittausten mukaan se kuitenkin käsittää loput 73 prosenttia maailmakaikkeuden energiasisällöstä.

Yksittäiset erilliset mittaustulokset eivät anna tarkkoja tuloksia. Kuitenkin yhdistämällä tuloksia riippumattomista lähteistä saadaan tarkkoja tuloksia.

Klikkaa kuvaa!

Yhteenveto

Joskus menneisyydessä maailmankaikkeus oli kuuma ja tiheä sekä laajeni nopeasti. Tätä sanotaan alkuräjähdykseksi. Laajeneminen on nimenomaan avaruuden ominaisuus eikä ole mitään ulkopuolista tilaa johon maailmankaikkeus laajenisi. Alkuräjähdysteoriaa tukevat useat havainnot, eikä sillä ole enää kilpailijoita.

Maailmankaikkeuden energiasisällöstä on näkyvää ainetta 4 %, kylmää pimeää ainetta 23 % ja pimeää energiaa 73 %. Lisää tietoa on esim. Kari Enqvistin kirjassa Kosmoksen hahmo, joka löytyy esim. Komeetan kirjastosta. Verkosta löytyy myös lisätietoja esim. osoitteista:
http://www.physics.helsinki.fi/~enqvist/ tai
http://math.ucr.edu/home/baez/

Kirkkonummen Komeetan tämän kevätkauden viimeinen yleisöesitelmä järjestetään yhdessä Kirkkonummen Kansalaisopiston kanssa. Se on tiistaina 10.5. klo 18.30 Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa. Dosentti Leo Takalo kertoo aiheesta Kvasaaritutkimusta Tuorlan observatoriossa. Vapaa pääsy.

Seppo Linnaluoto