Maailmankaikkeus

Alkuräjähdys

Alkuräjähdys tapahtui noin 13,8 miljardia vuotta sitten. Aikajana ensimmäisestä sekunnista ensimmäisiin tähtiin, kolme todistetta ja universumin kohtalo.

Alkuräjähdys on teoria siitä, että maailmankaikkeus laajeni noin 13,8 miljardia vuotta sitten yhdestä erittäin kuumasta ja tiheästä pisteestä nykyiseksi kosmokseksi. Teoriaa tukevat kolme havaintoa: galaksien etääntyminen, kosminen mikroaaltotausta ja kevyiden alkuaineiden määrät. Mitä oli ennen alkuräjähdystä, ei tiedetä.

Mikä alkuräjähdys on?

Alkuräjähdysteoria kuvaa NASAn mukaan tilanteen, jossa kaikki alkoi yhdestä pisteestä, joka laajeni nopeasti ja kehittyi hitaasti nykyiseksi maailmankaikkeudeksi. Alkuvaiheessa maailmankaikkeus oli äärimmäisen kuuma ja tiheä, ja piste “syöksyi ulospäin joka suuntaan”. Sana “räjähdys” on harhaanjohtava: kyse ei ole räjähdyksestä avaruudessa, vaan avaruuden itsensä laajenemisesta.

NASAn yleiskuvauksen mukaan maailmankaikkeuden varhaisin tunnettu vaihe on kosminen inflaatio, joka kesti vain sekunnin murto-osan. Tutkijat eivät tiedä, mitä sitä ennen oli tai mikä sen käynnisti. Siksi kysymykseen “mitä oli ennen alkuräjähdystä” ei ole tieteellistä vastausta.

Milloin alkuräjähdys tapahtui?

Alkuräjähdys tapahtui noin 13,8 miljardia vuotta sitten. NASAn mukaan maailmankaikkeuden ikä on noin 13,8 miljardia vuotta, ja ESAn Planck-avaruusteleskoopin tulokset antoivat saman arvon. Planck kartoitti kosmista mikroaaltotaustaa, ja siitä johdettu arvio on tarkempi kuin aiemmat, mutta se on silti arvio, ei suora mittaus.

Vertailun vuoksi: NASAn mukaan useimmat galaksit ovat 10–13,6 miljardin vuoden ikäisiä, eli ne ovat lähes yhtä vanhoja kuin maailmankaikkeus itse. Galaksien rakenteesta kerrotaan sivulla galaksit.

Miten avaruus on syntynyt: aikajana

NASAn kuvaama aikajana kulkee ensimmäisestä sekunnista ensimmäisiin galakseihin. Seuraavassa taulukossa ovat tärkeimmät vaiheet.

Aika alkuräjähdyksestä	Mitä tapahtui
Sekunnin murto-osa	kosminen inflaatio, varhaisin tunnettu vaihe
1 sekunti	lämpötila noin 10 miljardia celsiusastetta, kuuma keitto valoa ja hiukkasia
Noin 5 minuuttia	ydinreaktiot muodostivat suurimman osan nykyisestä heliumista
Noin 380 000 vuotta	atomit muodostuivat ja valo pääsi kulkemaan vapaasti
Seuraavat noin 200 miljoonaa vuotta	pimeä aika, jolloin tähtiä ei vielä ollut
Muutama sata miljoonaa vuotta	ensimmäiset tähdet ja galaksit
Noin miljardi vuotta	uudelleenionisoituminen teki maailmankaikkeudesta läpinäkyvän näkyvälle valolle

Ensimmäiset tähdet olivat NASAn mukaan 30–300 kertaa Auringon massaisia ja ryhmittyivät ensimmäisiksi galakseiksi. Tähtien elämästä ja kuolemasta kerrotaan sivulla tähdet. Kaukaisimmat tähän mennessä havaitut galaksit ovat jo hyvin lähellä tätä aikaa; niitä käsitellään sivulla galaksit.

Mitä Planck-satelliitti kertoi alkuajoista?

ESAn Planck-satelliitti kartoitti kosmista mikroaaltotaustaa ennennäkemättömän tarkasti. Vuoden 2013 tulosten mukaan maailmankaikkeuden ikä on 13,82 miljardia vuotta ja tavallista ainetta on 4,9 prosenttia sekä pimeää ainetta 26,8 prosenttia maailmankaikkeuden sisällöstä. Taustasäteily vapautui, kun maailmankaikkeus oli noin 380 000 vuoden ikäinen ja sen lämpötila noin 2 700 celsiusastetta. Laajenemisen takia se vastaa nykyisin 2,7 asteen lämpötilaa absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Planckin polarisaatiotiedot siirsivät myös ensimmäisten tähtien syntyä. ESAn mukaan ensimmäiset tähdet syntyivät noin 550 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, yli sata miljoonaa vuotta aiemmin arvioitua myöhemmin, ja uudelleenionisoituminen päättyi noin 900 miljoonan vuoden kohdalla. Hubble on kuitenkin löytänyt galakseja, jotka ovat voineet muodostua jo 300–400 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Siksi varhaiset tähdet ja galaksit voivat riittää selittämään uudelleenionisoitumisen.

Tulokset eivät ole ongelmattomia. ESAn mukaan Planck havaitsi poikkeamia: suurilla kulmaetäisyyksillä mikroaaltotaustan lämpötilavaihtelut ovat odotettua heikompia, taivaan vastakkaisten puoliskojen keskilämpötilat poikkeavat toisistaan, ja taivaalla on odotettua paljon laajempi kylmä läikkä. Tutkijat pitävät poikkeamia todellisina eikä niille ole vielä selitystä; osa saattaa vaatia uutta fysiikkaa. Tämä on hyvä muistutus siitä, että alkuräjähdysteoria on kehittyvä malli, ei valmis kertomus.

Mitä inflaatio tarkoittaa ja miten pimeä aika päättyi?

Inflaatio tarkoittaa NASAn WMAP-satelliittisivun mukaan äärimmäisen nopean, eksponentiaalisen kasvun jaksoa varhaisessa maailmankaikkeudessa: avaruus laajeni sekunnin mitättömässä murto-osassa yli biljoona biljoonaa kertaa. Inflaation aikaiset pienet vaihtelut kasvoivat myöhemmin galakseiksi. WMAP:n mittaukset sopivat yksinkertaisimpien inflaatiomallien ennusteisiin, mutta mitä inflaation käynnisti, ei tiedetä.

Mikroaaltotaustan vapautumisen jälkeen vetyatomit tekivät maailmankaikkeudesta jälleen läpinäkymättömän lyhyillä aallonpituuksilla. NASAn mukaan maailmankaikkeus pysyi pimeänä seuraavat 200 miljoonaa vuotta: siinä oli vetyä, heliumia ja vähän raskaampia alkuaineita mutta ei tähtiä. Tiheät kaasukokkareet kasvoivat painovoiman vaikutuksesta, kuumenivat ja lopulta ydinfuusio alkoi. Ensimmäiset tähdet olivat 30–300 kertaa Aurinkoa massiivisempia ja miljoonia kertoja kirkkaampia. Niiden ultraviolettisäteily ionisoi vetyä vähitellen, ja kun maailmankaikkeus oli miljardin vuoden ikäinen, tähdet ja galaksit olivat muuttaneet lähes kaiken kaasun, joten valo pääsi kulkemaan vapaasti.

NASAn mukaan WMAP:n mittausten perusteella avaruuden kaarevuus on 0,4 prosentin tarkkuudella litteä ja ikä on 13,77 miljardia vuotta puolen prosentin tarkkuudella. Eri satelliittien tuloksissa on pieniä eroja. Siksi iäksi annetaan usein pyöristetty 13,8 miljardia vuotta.

Mitkä ovat alkuräjähdyksen todisteet?

Alkuräjähdystä tukee kolme erillistä havaintoa. Ne on koottu alle, ja jokaisella on oma perustelunsa.

Maailmankaikkeus laajenee. Alkuräjähdysteoria ennustaa, että galaksit etääntyvät meistä nopeudella, joka riippuu niiden etäisyydestä. NASAn opetussivun mukaan Edwin Hubble havaitsi tämän 1920-luvulla teleskoopeillaan.
Kosminen mikroaaltotausta. Se on vanhinta valoa, jonka voimme havaita: se vapautui, kun atomit muodostuivat noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Arno Penzias ja Robert Wilson löysivät sen NASAn COBE-sivun mukaan vuonna 1964 Bell Laboratoriesin antennilla New Jerseyssä, kun heidän mittauksissaan oli selittämätöntä kohinaa joka suunnasta yhtä voimakkaana. COBE-satelliitti osoitti, että tausta vastaa mustan kappaleen säteilyä lämpötilassa 2,725 kelviniä, 0,03 prosentin tarkkuudella.
Kevyiden alkuaineiden määrä. Alkuräjähdyksessä syntyi heliumia, ja NASAn mukaan helium on maailmankaikkeuden toiseksi yleisin alkuaine, noin neljäsosa kaikesta massasta.

Mikroaaltotaustan pienet lämpötilavaihtelut, noin yksi osa sadastatuhannesta COBE-satelliitin DMR-instrumentin mukaan, ovat siemeniä, joista aine kasautui tähdiksi ja galakseiksi. Näin kosminen tausta yhdistää alkuräjähdyksen nykyiseen maailmankaikkeuteen. Havaintolaitteista, jotka mittaavat sitä, kerrotaan sivulla avaruusteleskoopit.

Milloin universumi tuhoutuu?

Tiede ei tunne ajankohtaa, jolloin universumi tuhoutuisi. NASAn mukaan kosmologit esittävät, että maailmankaikkeus jatkaa laajenemistaan ikuisesti. Laajeneminen myös kiihtyy: vuonna 1998 tähtitieteilijät havaitsivat, että kaukaiset supernovat olivat odotettua himmeämpiä, eli ne olivat kauempana kuin oli ennustettu. Kiihtymisen epäillään johtuvan pimeästä energiasta.

NASAn mukaan maailmankaikkeudesta noin 68 prosenttia on pimeää energiaa, 27 prosenttia pimeää ainetta ja viisi prosenttia tavallista ainetta. ESAn Planckin tulokset ovat lähellä näitä lukuja, noin 68,3 ja 26,8 prosenttia. Koska pimeän energian luonne on tuntematon, sen tulevaa käyttäytymistä ei voida luotettavasti ennustaa. Etäisyyksien mittaamisesta avaruudessa kerrotaan sivulla valovuosi.