Mitä tapahtuu, kun alkuräjähdyksen työntövoima loppuu?

Nimitystä "alkuräjähdys" ei pidä ottaa liian kirjaimellisesti.  Emme tiedä oliko alussa singulariteettia, vai missä tilassa maailmankaikkeus oli "aluksi".  Joka tapauksessa alussa tapahtui jotain - emme tiedä mitä - minkä jälkeen maailmankaikkeus oli tilassa, jossa se laajeni nopeasti. Tämä laajeneminen alkoi sitten painovoiman vaikutuksesta hidastua.

Maailmankaikkeuden laajeneminen ei tarkoita, että maailmankaikkeus valtaisi alaa jostain maailmankaikkeuden ulkopuolelta, koska mitään ulkopuolta tai reunaa, olevaisen rajaa tai alkuräjähdyksen aaltoa, ei ole. Maailmankaikkeus muuttuu vain koko ajan isommaksi kaikkialla (ainakin jos tarkastellaan tilannetta galaksijoukkoja suuremmassa mittakaavassa).  Aikaisemmin ajateltiin, että tuo laajeneminen jatkuvasti hidastuisi.

Miten lopulta kävisi, riippuisi laajenemisen nopeuden ja maailmankaikkeuden massatiheyden suhteesta.  Jos tiheys ylittää kriittisen tiheyden, laajeneminen lopulta pysähtyisi, minkä jälkeen maailmankaikkeus alkaisi kutistua, päättyen lopulta "loppurysäykseen".  Jos tiheys taas alittaa kriittisen tiheyden, laajeneminen jatkuisi ikuisesti, kuitenkin koko ajan hidastuen.

Havaintojen mukaan maailmankaikkeuden tiheys on hyvin lähellä tuota kriittistä arvoa.  Viimeisen kymmenen vuoden aikana tehdyt havainnot ovat kuitenkin osoittaneet, että laajeneminen ei enää hidastukaan, vaan päinvastoin kiihtyy.  Emme tiedä mistä tämä johtuu.  Yleisen suhteellisuusteorian mukaan painovoima ei kaikissa olosuhteissa ole vetovoima, vaan tietynlaisille energialajeille toimiikin työntövoimana.  Näin ollen on esitetty, että maailmankaikkeudessa olisi runsaasti tällaista niin sanottua "pimeää energiaa", minkä takia painovoima nykyään kiihdyttäisi laajenemista.  Tässä tapauksessa laajeneminen ilmeisesti jatkuisi ikuisesti, aina vain kiihtyen.

Hannu Kurki-Suonio
Dosentti
Helsingin yliopiston fysikaalisten tieteiden laitos

Lähde: Tähdet ja avaruus -lehti 6/2008

Oliko alkuräjähdys ainutkertainen vai voiko se toistua?

Tämä on periaatteessa hyvä kysymys, johon kuitenkin sisältyy suuri väärinymmärryksen vaara. Siksi selvyyden vuoksi on syytä todeta, että alkuräjähdys ei ole tietyömailta tuttu pamahdus, joka tapahtuu jossakin yksittäisessä paikassa. Yksinkertaisimman kosmologisen mallin mukaan alkuräjähdys tapahtui kaikkialla avaruudessa samanaikaisesti (myös äärettömässä avaruudessa).

Voi myös sanoa, että avaruus ja aika syntyivät alkuräjähdyksessä, vaikka tämäkin johtaa helposti virheelliseen ajatteluun (esimerkiksi kysymykseen "mitä oli ennen alkuräjähdystä?"). Niinpä täsmällisesti ottaen alkuräjähdys on ainutkertainen piste aika-avaruudessa.

Mutta toisaalta maailmankaikkeudessa voi periaatteessa esiintyä alueita, joissa laajeneminen purskahtaa niin nopeaksi, että avaruuden kudelman kylkeen ikään kuin silmukoituu hiivasienen lailla pullistuma, jota voisi nimittää uudeksi universumiksi. Tällaisia mahdollisuuksia on pohdiskeltu muun muassa inflaatiomallien puitteissa, ja jossakin ei-matemaattisessa mielessä tätä voisi kutsua erilliseksi alkuräjähdykseksi.

Silmukoinnin ei tarvitse tapahtua näkyvän maailmankaikkeuden rajojen ulkopuolella vaan se käy kyllä vaikka Kannelmäen Essolla. Näihin uusiin avaruuksiin ei meillä kuitenkaan olisi pääsyä, joten mahdollisuus on hyvin spekulatiivinen.

Kari Enqvist
Professori
Helsingin yliopiston fysiikan laitos

Lähde: Tähdet ja avaruus -lehti 6/2009

 

Voiko avaruus kaartua?

Einsteinin yleisessä suhteellisuusteoriassa neliulotteinen avaruus-aika todella kaareutuu. Se ei ole asia, jonka voi mielessään helposti kuvitella. Sen vuoksi käytetään tavallisesti esimerkkejä kaksiulotteisen pinnan, kuten pallopinnan tai suppilomaisen pinnan kaareutumisesta. Jälkimmäisellä kuvataan usein avaruutta mustan aukon ympäristössä.

Äärimmäinen tapaus avaruus-ajan kaareutumisesta on musta aukko, joka ei olekaan oikeastaan muuta kuin avaruuden kaarevuutta eikä siis taivaankappale tavanomaisessa mielessä.

Mauri Valtonen
Professori
Turun yliopiston Tuorlan observatorio

Lähde: Tähdet ja avaruus -lehti 1/2009

Mihin maailmankaikkeus laajenee?

Tässä sitä arkiajattelu nyrjähtääkin helposti, eli väkisin ryhtyy ajattelemaan kolmiulotteista palloa, joka laajenee ”jonnekin” samalla tavalla kuin ilmapallo puhallettaessa täyttää yhä suuremman osan huoneesta. Mutta ajatellaanpas vähän tarkemmin!

Piirretään paperille ympyrä, ja väritetään se iloisen punaiseksi. Siinä meillä on kaksiulotteinen ”pallo”. Kuinka suuren osan kolmiulotteisesta huoneesta se täyttää?

Aivan oikein, ei yhtään, jos oletetaan että paperi on äärettömän ohut. Piirretään nyt ympyrä kaksi kertaa suuremmaksi? Se ei edelleenkään vie yhtään enempää tilaa, eli se ei ole laajentunut kolmanteen ulottuvuuteen vaan pysynyt kiltisti siellä omassa kahdessaan. Itse asiassa ympyrä ei tarvitse kolmatta ulottuvuutta yhtään mihinkään.

Samoin on laita maailmankaikkeuden, meidän neliulotteisen ”pallomme”, kanssa. Se ei laajene mihinkään viidenteen ulottuvuuteen, vaan sille riittävät jo olemassa olevat neljä ulottuvuutta. Viides, tai kuudes ja yhdestoistakin ulottuvuus voivat kyllä olla olemassa, mutta oma maailmankaikkeutemme ei niitä tarvitse.

Vertaus ei ole aivan täydellinen, koska paperille piirretyn ympyrän ulkopuolellakin on jotain – lisää paperia, lisää kaksiulotteisuutta – mutta maailmankaikkeuden ”ulkopuolella” ei ole lisää neliulotteista maailmankaikkeutta, johon se laajenisi.

Entäpä rinnakkaiset maailmankaikkeudet? Ympyrästä toiseen voi vetää viivan, siihenkään ei tarvita kolmatta ulottuvuutta. Kosmoksesta toiseen voi (kenties) vetää madonreiän, siihenkään ei tarvita viidettä ulottuvuutta.

Asiat voivat tietysti olla toisinkin, ja kosmoksemme on neliulotteinen kupla kellumassa muiden kuplien kanssa viisiulotteisessa avaruudessa, samoin kuin paperille piirtämämme kaksiulotteiset ympyrät ovat huoneen kolmiulotteisessa avaruudessa. Mutta välttämätöntä se ei ole.

Esko Valtaoja
Professori
Turun yliopiston Tuorlan observatorio

Lähde: Tähdet ja avaruus -lehti no 8/2008


Kuinka suuri maailmankaikkeus on?

Juuri siksi, että pystymme havaitsemaan vain horisontin sisäpuolella olevan osan maailmankaikkeudesta, emme tiedä kuinka kauas se ulottuu horisontin ulkopuolella.

On hyvinkin mahdollista, että maailmankaikkeus on äärettömän suuri.  Jotain voitaisiin päätellä horisontin sisäpuolella olevan avaruuden (keskimääräisestä) kaarevuudesta, jos se olisi luonteeltaan niin sanotusti positiivista eli analogista pallonpinnan kaarevuuden kanssa.

Eli olettamalla, että kaarevuus jatkuisi horisontin ulkopuolella samanlaisena, voitaisiin maailmankaikkeuden koko päätellä samoin kuin maapallon koko voidaan päätellä sen pinnan kaarevuudesta.

Maailmankaikkeuden kaarevuutta ei kuitenkaan ole onnistuttu havaitsemaan. Sille on saatu vain yläraja, joka antaa edellä mainitussa päättelyssä alarajan maailmankaikkeuden koolle. Tämän alarajan mukaan maailmankaikkeus ulottuu vähintään noin 10 kertaa niin kauas kuin pystymme näkemään ja maailmankaikkeuden havaittava osa on tilavuudeltaan enintään noin 1 prosentti koko maailmankaikkeuden tilavuudesta.

Hannu Kurki-Suonio
Dosentti
Helsingin yliopiston fysiikan laitos

Lähde: Tähdet ja avaruus -lehti 7/2008


Mitä tapahtuu, jos Kuuhun törmäisi parin kilometrin kokoinen asteroidi?

Itse törmäyksen osalta tilanne olisi samanlainen kuin minkä tahansa planeetankokoisen kappaleen ja

asteroidin törmäys: törmäyskohtaan syntyisi karkeasti arvioiden noin 10 kertaa törmäävän kappaleen kokoa suurempi kraatteri.

Maapallolta katsottuna kiinnostavaa olisi toisaalta se, miltä törmäys näyttäisi tapahtumahetkellä ja toisaalta se, mitä törmäyksessä syntyneelle irtomateriaalille tapahtuisi.

Aloitetaan jälkimmäisestä. Tutkimukset osoittavat, että törmäyksessä irronnut materia leviäisi osittain Kuun pinnalle kraatterin ympärille, mutta osa pölystä ja kiviaineksesta (myös itse törmääjästä jäljelle jääneestä) voisi saavuttaa Kuun pakonopeutta (2,4 km/s) suuremman nopeuden ja levitä avaruuteen. (Se kuinka suuri osa todellisuudessa pakenee, riippuu pitkälti törmäävän asteroidin nopeudesta ja törmäyskulmasta.)

Simulaatioiden mukaan tästä pakenevasta aineksesta suurin osa päätyy Aurinkoa kiertäville radoille, ja hiukkasten kohtaloksi koituu törmätä lähinnä Maahan ja Venukseen seuraavien kymmenien tai satojen tuhansien vuosien aikana.

Osa pakenevasta aineksesta saattaa kuitenkin saada juuri sopivan pakonopeuden, jolloin ne voivat ajautua törmäämään suoraan Maahan. Tällöin jo muutamien kuukausien ja vuosien kuluessa voisimme päästä ihailemaan tähdenlentoina ilmakehässä palavia pölyhiukkasia sekä lähteä etsimään mahdollisesti Maan pinnalle asti selvinneitä meteoriitteja.

Törmäykset ovatkin itse asiassa todennäköinen syntyhistoria lukuisille Maasta käsin havaitsemillemme meteoreille. Kun siis katselet seuraavan kerran satunnaisia eli sporadisia tähdenlentoja, olet luultavasti katselemassa todisteita tuhansia tai miljoonia vuosia sitten jossain päin Aurinkokuntaa tapahtuneesta taivaankappaleiden törmäyksestä!

Tarkkaa kuvausta siitä, miltä itse törmäys voisi näyttää, jos sitä päästäisiin havaitsemaan suorana lähetyksenä, onkin vaikeampi antaa. Jotain osviittaa voidaan kuitenkin saada Nasan Deep Impact -luotaimen havainnoista komeetta Tempel 1:stä vuonna 2005. Ohilentoluotain havaitsi tällöin kirkkaan välähdyksen ja sitä seuranneen pölypilven muodostumisen, kun erillinen iskeytyjä törmäytettiin komeetan pintaan. Voidaan olettaa, että vastaavanlainen ilmiö voitaisiin havaita asteroidin osuessa Kuuhun.

 

Jenni Virtanen

Erikoistutkija

Geodeettinen laitos

Lähde: Tähdet ja avaruus -lehti no 7/2008

Pätevätkö samat fysiikan lait kaikissa universumeissa?

Rinnakkaisuniversumeiden olosuhteet ja luonnonlait voivat poiketa toisistaan, mutta kaikki universumit voivat olla myös toistensa kaltaisia.

Rinnakkaisuniversumeita saattaa syntyä esimerkiksi avaruuden tyhjiön mikrotason ilmiöistä, joita nimitetään kvanttiheilahteluiksi. Vauvauniversumeita pullahtelisi jatkuvasti meidänkin maailmankaikkeudestamme. Eläisimme kasvavassa universumirypäässä.

Ajatus toimii esimerkiksi rakenteilla olevien säieteorioiden puitteissa. Säieteoriat, jotka pyrkivät yhdistämään kaikki tuntemamme voimat, edellyttävät useita ulottuvuuksia. Omassa universumissamme kaikki muut paitsi neljä täällä havaittua olisivat käpertyneet.

Käpertyneiden ulottuvuuksien määrä voisi kuitenkin vaihdella universumista toiseen. Tästä seuraisi universumeita, joiden luonnonlait poikkeaisivat tyystin tosistaan.

Nämä kaavailut ovat toistaiseksi lähinnä matemaattisia seikkailuja. Jotta voisimme todenteolla arvioida, miten eri maailmankaikkeuksien olot vaihtelevat, meidän olisi ymmärrettävä omien luonnonlakiemme "juuret" nykyistä paremmin. 
Olisi tiedettävä esimerkiksi se, miksi oma universumimme on hienoviritetty juuri meille sopivaksi: onko kyse universumin eittämättömästä kohtalosta, vai sattumasta?  Jos kyse ei ole sattumasta, rinnakkaiset maailmat voisivat olla keskenään identtisiä.

Kolumnini rinnakkaisuniversumit eivät kuitenkaan olleet edellä kuvattuja vauvauniversumeita. Ne perustuivat sen sijaan Hugh Everettin kvanttifysiikan tulkintaan, jossa kaikkien tilanteiden vaihtoehtoiset kehityskulut tapahtuvat samaan aikaan, mutta jokaiselle niistä urkenee uusi universumi.

Tällöin kahdella tosistaan eroavalla universumilla olisi yhteinen historia ja niiden luonnonlait olisivat samat.

Lopuksi muistutus siitä, että toistaiseksi koko multiversumi on pelkkä teoreettinen malli.  Mitään merkkejä toisista maailmoista ei ole havaittu.

Leena Tähtinen
Dosentti
Turun yliopiston Tuorlan observatorio

Lähde: Tähdet ja avaruus -lehti 6/2007

Mitkä ovat alkuräjähdysteorian pahimmat ongelmat?

Jos noudatetaan kosmologien suuren enemmistön kantaa, niin voinee sanoa että itse alkuräjähdysteoriassa ei varsinaisesti ole "pahoja ongelmia". Avoimia kysymyksiä ja yksityiskohtien tarkentamista sen sijaan piisaa.

Tuskin kukaan ammattilainen epäilee teorian kuvausta maailmankaikkeuden yleisestä kehityksestä jostain sekunnin miljoonasosan ikäisestä vauvauniversumista nykyaikaan saakka. Tämä johtuu siitä, että meillä on valtava määrä erilaista teoriaa tukevaa havaintoaineistoa, kosmisesta taustasäteilystä ja alkuainerunsauksista aina nykyisen kosmoksen näkyvän ja pimeän aineen jakautumiseen. Ja mikä vielä tärkeämpää, jo miljoonasosasekunnin ikäisessä kosmoksessa pätivät tuntemamme fysiikan lait. Vaikka tiheys ja kuumuus silloin olivatkin suuria arkielämään verrattuina, ne olivat olosuhteita joita voimme tutkia laboratorio-olosuhteissakin esimerkiksi hiukkaskiihdyttimillä, ja joissa ei vielä tarvita uusia ja parempia fysiikan teorioita.

Vaikeudet kasaantuvat mentäessä kohti nollahetkeä. Jossain vaiheessa kaksi suurta fysikaalisen maailman teoriaamme, yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttifysiikka, alkavat antaa vastakkaisia ennusteita nuoren kosmoksen olosuhteille ja käyttäytymiselle, emmekä enää tiedä mihin uskoa. Tarvitsisimme kvanttigravitaatiota, säieteoriaa, tai ties minkä nimistä Kaiken Teoriaa selittämään todella varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumat. Mukaan luettuna sen, mitä tapahtui nollahetkellä, oliko sitä ennen mitään, ja onko oma universumimme vain yksi kupla multiversumissa.

Tuore katsaus kosmologiaan listasi kolme keskeisintä kysymystä: mitä on pimeä aine, mitä pimeä energia, ja tapahtuiko hyvin nuoressa maailmankaikkeudessa suunnaton kosmiseksi inflaatioksi kutsuttu laajeneminen. Näistä pimeän aineen ja pimeän energian ongelmat eivät ehkä vaikuta itse alkuräjähdysteoriaan kovinkaan paljoa. Inflaatio sen sijaan on keskeinen osa nykyistä standardimallia, vaikka se ymmärretään hyvin huonosti. Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliitin toivotaan tuovan vastauksia näihinkin kysymyksiin.

Esko Valtaoja
Professori
Turun yliopiston Tuorlan observatorio

Lähde: Tähdet ja avaruus -lehti 7/2007

Uusin numero