Universumin kehitys

Ajattelin kirjoittaa aiheesta lyhyen koosteen, kun tämän maailmankuvan muutosta olen vuosikymmeniä seurannut, toki lähinnä sivusta. Erilaiset kuvaukset ja määrittelyt saattavat olla epätarkkoja, mutta kerron tässä, miten olen itse sisäistänyt asiat. Saa korjata, mutta mielellään linkeillä tai hyvillä selityksillä perusteltuna. Lukuja olen pyöristellyt ja yksityiskohtia jouhevoittanut.

Kaikki siis alkoi 13,8 miljardia vuotta sitten alkuräjähdyksenä tai sellaisena kutsuttuna tapahtumana. Filosofinen kysymys on tietenkin, että mitä oli ennen sitä. Kuulemma asia on samantapainen kuin jos kysyisi mitä on pohjoisnavan pohjoispuolella. Siis aika ja avaruus kaareutuvat siten, että aikaakaan ei ollut ennen tuota tai tuon neliulotteisen koordinaattipisteen ulkopuolella. Ehkä tuon voi jotenkin kuvitella ymmärtävänsä. Tuo mainittu alkupiste on tietenkin vielä varsin epämääräinen kvanttiepävarmuuksien kautta.

Yleensä ajatellaan, että tapahtui jokin satunnaismuutos ei-missään, josta kaikki alkoi. Sitten tapahtui ilmestyneille energia- tai materiahitusille inflaatio eli paisumisena tunnettu ilmiö. Itse ajattelen, että tuossa tapahtui jonkinlainen ketjureaktio, jossa maailmankaikkeuden laajenemisessa se samalla täyttyi, mutta synnytti myös negatiivista gravitaatioenergiaa, jolloin energian määrä ei kasvanut.

Muistelen sanotun joskus ennen pimeän energian keksimistä, että ei olisi mitään näyttöä siitä, että maailmankaikkeuden kokonaisenergia, sähkövaraus tai pyörimismäärä poikkeaisivat nollasta. En ole varma mitä tuosta nykyään ajatellaan.

Painovoimalle on voimassa sellainen määritelmä, että jos kysyttäisiin äärettömyydessä olevan kappaleen potentiaalienergiaa, niin vastaus olisi nolla. Jos ja kun tuo kappale laskeutuisi maan pinnalle, tai pikemminkin maan keskipisteeseen, niin sille tulisi sama negatiivinen potentiaalienergia kuin mitä Einsteinin kaava E=mc² osoittaa. Tilinpito siis näin ajateltuna täsmäisi.

Juuri tuolla laskennalla voi ajatella, että maailmankaikkeuden energiamäärä ei lisääntynyt inflaation myötä.

Inflaatio tapahtui myös huomattavasti valoa nopeammin. Tämä on kuulemma mahdollista, koska kyseessä ei ollut 'kappaleiden' liike, vaan avaruuden laajeneminen. Tällöin kappaleet tai energiahituset pysyivät (suunnilleen) paikoillaan omissa koordinaateissaan, mutta koordinaatit viuhuivat erilleen muista.

Inflaatiosta uskotaan, että kun maailmankaikkeus laajeni, niin se sitoi samalla tyhjiön energiaa ja kun alkuperäinen hitunen oli hiipunut riittävästi, niin tapahtui rakennemuutos, jossa inflaatio loppui ja patoutunut tyhjiön energia purkautui kuumaksi pätsiksi.

Jollakin tavalla inflaatio siis loppui ja muuttui tavallisemmalta vaikuttavaksi liikkeeksi, jossa avaruus silti jatkoi kasvamistaan. Avaruuden muotona ajatellaan olevan eräänlainen laakea pallo, jolla ei ole reunaa, mutta joka on todennäköisesti rajallisen kokoinen. Teoriassa se voisi olla myös ääretön, mutta oletetaan nyt kuitenkin, että sillä olisi jokin äärellinen koko, jos sillä on tämän jutun kannalta merkitystä.

Sellainen huomio, että inflaation myötä avaruuden täytyi kasvaa valonnopeutta nopeammin, maailmankaikkeuden kokoa ja rajallista havaintoavaruutta ei voi muuten selittää.

Lisäksi tuo valoa nopeampi laajeneminen aiheutti sen, etteivät laajenevan universumin viereisetkään osat voineen vuorovaikuttaa toistensa kanssa, jolloin voi hyvin olla, että inflaation loppuminen tapahtui eri ajanhetkillä eri osissa tuota laajenevaa kaikkeutta. Voi myös ajatella, että avaruuden ominaisuuksissa on tuosta syystä eroa eri puolilla kaikkeutta, havaintoavaruutemme ulkopuolella.

Tämä eräänlainen pallo siis jatkaa kasvuaan. Aikaisemmin ajateltiin, että kasvu joko jatkuu jonkin verran hidastuen äärettömiin tai jossain vaiheessa loppuu ja kääntyy jatkuvaksi supistumiseksi. Tämä riippuisi maailmankaikkeuden massa- tai energiatiheydestä. 1990-luvulla kuitenkin havainnot osoittavat, että meillä onkin olemassa kiihtyvä kasvu, jonka synnyttäjää tai ainakin ilmentymää kutsutaan nimellä pimeä energia.

Asia ymmärretään siten, että mikä tahansa tilavuusosa avaruutta synnyttää pimeän energian kautta poistovoiman, ja kun maailmankaikkeus lähti laajenemaan, niin tuon energian määrä lisääntyy ja tuon myötä se lisääntyy kiihtyvästi kuten korkoa korolle tekee velalle. Seuraavassa Wikipediasta lainattu kuva tästä kokonaisuudesta. Jatkamme kuvan jälkeen pohdintaa lisää.
 

  Kuva NASA/WMAP Science Team, Wikipedia public domain.

Jo 1900-luvun alkupuolella ihmeteltiin galakseja tutkittaessa epäsuhtaa galaksin pyörimisnopeuden ja lasketun massan välillä. Galaksit pyörivät liian kovaa, jotta ne voisivat pysyä kasassa, jossa ne kuitenkin pysyivät. Myöhempinä aikoina päädyttiin siihen, että on olemassa massaa, joka ei reagoi muuhun kuin painovoimaan, ja siksi sitä ei havaita ja se siksi voi aiheuttaa tuon ilmiön.

Tätä pimeää massaa näyttäisi olevan enemmän kuin tavallista ainetta, jonka näemme ja havaitsemme ympärillämme. Näiden kolmen aineen tai energian keskinäisten suhteiden lasketaan olevan suunnilleen seuraavat: pimeä energia 68, pimeä aine 27 ja tavallinen aine 5 prosenttia. Pimeän energian määrä siis kasvaisi ja muut pienenisivät vastaavasti ajan kuluessa. Tavallisen aineen 5 prosentista alle 1/5 on tähdissä ja planeetan tapaisissa kappaleissa, suurin osa on vapaana kaasuna avaruudessa.

Palataan vielä inflaation päättymisen aikaan ja massahiukkasten syntymiseen. Tuolloin:

• 13,8 mrd. vuotta sitten alkuräjähdyksessä sai alkunsa sekä aika että avaruus.
• 10^-36s alun jälkeen alkoi inflaatio.
• 10^-33s ²s alun jälkeen tapahtui aineen ja antiaineen symmetriarikko; tuo näkyy myöhemmin aineen ja antinaineen epäsuhtana.
• 10^-32 s alun jälkeen inflaatio loppui, maailmankaikkeus oli greipin kokoinen.
• pimeä aine syntyy.
• protonit syntyvät 1 mikrosekunnin paikkeilla, joka on samalla vetyatomin ydin, samoihin aikoihin syntyivät myös neutronit, jotka molemmat yhdessä muodostavat kaikki muut atomiytimet. Miljardia protonia kohden syntyi yksi antiprotoni vähemmän, jonka vuoksi aine tuli vallitsevaksi materian muodoksi.
• 0,01 s: elektronit syntyvät, sekä neutriinot, jotka ovat erittäin vaikeasti havaittavissa olevia nopeita hiukkasia, nykyään muodostuvat ydinreaktioissa.
• 1 s: pimeä aine vapautuu säteilyn kahleista ja jäähtyy nopeammin kuin tavallinen aine ja alkaa muodostamaan verkkojaan, jotka toimivat galaksien siemeninä. Lämpötila 10¹². Tässä vaiheessa jäljellä olevat hiukkaset (protonit ja neutronit) eivät enää tuhoutuneet ja muodostivat sen massan maailmankaikkeuteen, joka nytkin on olemassa.
• noin 2 min: heliumatomit syntyvät, heliumin ytimessä on kaksi protonia ja (yleensä) kaksi neutronia, protoneja maailmankaikkeuteen muodostui 7x määrä neutroneihin verrattuna, koko oli aurinkokunnan sisäosien suuruinen (ehkä Marsin rata), lämpötila 100 miljoonaa astetta.
• 375 000 vuotta: kosminen taustasäteily syntyy, kun avaruus muuttuu läpinäkyväksi elektronien sitoutuessa atomiytimiin. Lämpötila noin 3 000 K. Avaruus on kooltaan noin tuhannesosa nykyistä.
• pimeät vuosimiljoonat alkavat; näistä ei saada näkyvän valon havaintoja ennen tähtien syttymistä.
• kun pimeän aineen tihentymät ovat keränneet tarpeeksi ainetta, tiivistyvät vetypilvet ja syntyvät ensimmäiset tähdet noin 100 miljoonan vuoden ikäiseen maailmankaikkeuteen. Sitten lisää tähtiä ja lopulta ensimmäiset tähdet räjähtävät supernovina tai hypernovina. Aluksi syntyvät tähdet olivat suuria ja syntyvien tähtien koko pienenee maailmankaikkeuden kehittyessä. Suuret tähdet ovat huomattavasti lyhytikäisempiä kuin pienemmät.
• vaikuttaisi siltä, että taustasäteily putoaa pakkasen puolelle juuri samoihin aikoihin kun ensimmäiset tähdet syttyvät.

Edellä mainittujen tapahtumien jälkeen alkaa tapahtumaan suunnilleen seuraavassa järjestyksessä asioita:

• ensimmäisiä tähtiä siis alkaa syntymään.
• nämä räjähtävät supernovina tai hypernovina.
• tähtien syntyvauhti kiihtyy ja ajan oloon syntyvien tähtien koko pienenee.
• galakseja alkaa syntymään ja törmäilemään toisiinsa.
• vähitellen uusissa tähdissä alkaa olla muitakin alkuaineita kuin vetyä ja heliumia, pian on riittävästi hiiltä, happea, typpeä, fosforia ym., jolloin elämän syntymistä voi pitää teoriassa mahdollisena.
• noin 10 mrd. vuotta sitten maailmankaikkeus on aktiivisimmillaan ja alkaa tuon jälkeen hitaasti rauhoittumaan. Tähtiä syntyy yli kymmenkertainen määrä nykyiseen verrattuna. Arvioin taustasäteilyn lämpötilaksi tässä vaiheessa noin 10 kelviniä.
• noin 9 mrd. vuotta sitten galaksijoukkojen syntyminen alkaa, koska pimeän aineen verkostoon on tullut tarpeeksi suuria solmukohtia.
• noin 8 mrd. vuotta sitten maailmankaikkeuden koko on puolet nykyisestä ja maailmankaikkeus oli kirkkaimmillaan.
• noin 6 mrd. vuotta sitten maailmankaikkeuden laajeneminen muuttui kiihtyväksi.
• pimeä aine jatkaa keskittymistään, ja universumin tyhjät kohdat laajenevat yhtä suuremmiksi.
• kvasaarit eli galaksien keskustojen aktiiviset mustat aukot sammuvat yksi toisensa jälkeen. Elämän syntyminen tulee tälläkin tavalla mahdolliseksi.
• noin 4,6 mrd. vuotta sitten Aurinko syntyy noin 2/3 ikäiseen maailmankaikkeuteen. Taustasäteilyn lämpötila on noin 4 kelviniä.
• noin 4,5 mrd. vuotta sitten Maapallo syntyy, Marsin kokoisen kappaleen törmäys Maahan synnyttää Kuun. Tuolloin Auringolla oli 30 prosenttia nykyistä heikompi kirkkaus.
• nykyisen taustasäteilyn lämpötila on noin 2,7 kelviniä.

Aurinkokuntamme kierros Linnunradan ympäri kestää 250 miljoonaa vuotta. Tällä hetkellä tähtien syntytahti on enää alle kymmenesosa huipustaan. Nyt on syntynyt 95 prosenttia kaikista tähdistä, joita universumiin koskaan syntyy. Elämme siis maailmankaikkeuden keski-ikää.

Olen pohtinut, että kun puhutaan sellaisista suurista tähdistä, joiden räjähtäessä syntyy rautaa raskaampia alkuaineita, niin niitä syntyy jatkossa suhteessa vielä vähemmän kuin tavallisempia tähtiä. Ja kun nämä ovat vielä melko lyhytikäisiä, niin mielestäni voi päätellä, että radioaktiivisen säteilyn omaavia atomeja on tulevaisuudessa vähemmän kuin nyt. Tämä voi periaatteessa vaikuttaa elinkelpoisten planeettojen syntymiseen ainakin laattatektoniikan ja hiilenkierron kannalta. Mutta tämä nyt omaa pohdintaa.

Tällä hetkellä on arvioitu havaittavan maailmankaikkeuden säteeksi 46,5 miljardia valovuotta. Pidetään selvänä, että koko maailmankaikkeus on suurempi ja voidaan vain arvailla kuinka paljon. Tuolta nyt 46,5 miljardin valovuoden takaa lähtenyt säteily on siis lähtenyt noin 13,8 miljardia vuotta sitten 375 000 vuoden ikäisestä universumista. Kohteet ovat vain siirtyneet kauemmaksi tuona aikavälinä ja liikkuvat yli valonnopeutta meistä pois.

Lähimpinä vuosimiljardeina Linnunratamme ja lähigalaksit Andromeda isoimpina törmäilevät toisiinsa sulautuen yhteen muodostaen isomman kokonaisuuden. Törmäysten yhteyksissä syntyy myös ryöppyinä uusia tähtiä.

Jatkossa kun laajeneminen kiihtyy, alkaa havaittavan avaruuden koko supistua, kunnes suurempien galaksiryhmittymien sisältä ei näe enää ulkopuolelle. Tulee tavallaan uusia tapahtumahorisontteja universumiin, jotka pienenevät koko ajan. Kun puhutaan 100–1 000 miljardista vuodesta tulevaisuutta, niin tuolloin syntyvien sivilisaatioiden olisi luultavasti mahdoton päätellä samoja kosmologisia asioita kuin mihin me pystymme paremman näkyvyyden ansiosta.

Uusien tähtien syntyminen vähenee vähenemistään ja auringot sammuvat aikanaan. Kun aikaa kuluu 10²⁷ vuotta ja avaruudessa on enää vain jättiläismäisiä mustia aukkoja, mustia kääpiötähtiä, kylmiä planeettoja, neutronitähtiä ja tähden kokoisia mustia aukkoja.

10⁹⁰ vuoden päästä isotkin mustat aukot ovat höyrystyneet säteilyksi.

10 potenssiin 10²⁶ vuoden päästä kaikki aine on kadonnut maailmankaikkeudesta. Ykkösen perässä siis sata kvadriljoonaa nollaa.

Toisaalta kukapa tietää; ehkä tulee vielä samanlaisia uusia kosmologisia yllätyksiä kuin pimeän energian löytymiset, jotka muuttivat ajattelua kertaheitolla.

***     ***     ***     ***     ***

Inflaatiosta vielä sen verran pohdintaa, että laajeneminen tapahtui siis eksponentiaalisesti tai sitä lähellä olevalla tavalla. Voi ajatella, että aina jonakin tiettynä äärimmäisen pienenä aikahetkenä avaruuden mittakaava kaksinkertaistui. Suoraviivaisella matematiikalla huomaa helposti, että kun tuota jatkaa riittävän monta kertaa, niin jossain vaiheessa laajeneminen on valoa nopeampaa. Tämä vaikka aikaa kului äärimmäisen vähän aikaa. Tuona lyhyenä hetkenä arvioidaan avaruuden laajentuneen  10²⁸ kertaiseksi.

Yleensä kosmologit ajattelevat, että inflaatio tasoitti avaruuden lähtöhetken rosoja, mutta sisälsi myös koko ajan pieniä kvanttiepätarkkuuksista. Nämä puolestaan inflaation loputtua alkoivat vähitellen kasaantumaan ja näkyvät nyt kosmisen taustasäteilyn pieninä voimakkuuseroina. Nuo puolestaan alkoivat painovoiman aiheuttamana vähitellen taas isonemaan ja muodostamaan galakseja, galaksiryhmiä ynnä muuta rosoisuutta.

Mielenkiintoinen kysymys tietenkin on, että miksi alkuräjähdyksessä syntyneet luonnonlait olivat sellaisia, että havaitsemamme maailmankaikkeus on sellainen kuin (i) havaitsemme ja vieläpä sellainen, että (ii) joku kaltaisemme on sitä havainnoimassa. Tästä on paljon pohdintaa olemassa. Niin kuin Einstein tiettävästi kysyi; oliko luojalla vaihtoehtoja?

***     ***     ***     ***     ***
Inflaation loppumisen uskotaan liittyvän laajenemisen aiheuttamaan energiatiheyden laskuun, joka riittävän lähellä nollaa sitten aiheutti ilmiön pysähtymisen, jolloin patoutunut tyhjiöenergia konkretisoitui pätsiksi. Mutta voi miettiä, että miksi sitten laajeneminen jatkui inflaation jälkeen? Eivätkös kosmologit nimenomaan kerro, että avaruuden laajenemisessa ei ole kyse kappaleiden siirtymisestä, siis ei voi olla kyse esimerkiksi liike-energiasta. Miksi siis avaruus jatkoi laajenemista, vaikka ei ollutkaan enää inflaatiota.

Voisiko kyse olla liike-energian sijasta liikemäärästä, joka jollain tavalla toi tuon jatkuvuuden avaruuden rakenteeseen. Laajenemisen kiihtyminenhän loppui. Vaikuttaa myös siltä, että inflaation loppumisen ja taustasäteilyn syntymisen välissä avaruus laajeni huomattavasti nopeampaa kuin sen jälkeen. Laajenemisnopeus näyttäisi tuolloin olleen noin sata kertaa valonnopeus nyt havaittavalle universumille. Kun taustasäteilyn syntymisen jälkeen se näyttäisi olleen noin nelinkertainen valonnopeus.]

Inflaation loppumisen jälkeen tulee vastaan kysymys, että miksi sitten on olemassa pimeän energian muodostumista. Tuonhan ajatellaan olevan tyhjän avaruuden perusominaisuus. Kysyin kerran eräältä asiantuntijalta (alan ihmisiä yliopistosta) että muuttaako tuo maailmankaikkeuden energiamäärää. En saanut vastausta.

Kun palauttaa mieleen ajatuksen, että inflaation jälkeen universumissa on ollut eräänlaisia tapahtumahorisontteja, jotka ovat ainakin suhteellisesti ottaen supistuneet koko ajan, niin voi pohtia, että voiko tuo pimeä energia liittyä johonkin energiakirjanpitoon, joka ei täsmää ilman tuota lisäystä? Tämä aivan heittona.

Vielä yksi asia, en löytänyt mistään arviota kuinka kaukana tänne saapuva taustasäteily oli meistä sillä hetkellä kun se lähti liikkeelle. Kun yleensä ajatellaan, että taustasäteilyn aallonpituuden putoaminen tuhannesosaan tarkoittaa samalla sitä, että maailmankaikkeus on samaan aikaan kasvanut mittakaavaltaan tuhatkertaiseksi, niin tuosta voisi laskea nyt havaittavan maailmankaikkeuden koon taustasäteilyn alkaessa olleen noin 42 miljoonaa valovuotta.

Lisäksi tiedosta, että kauimmat havaitsemamme kohteet ovat nyt etäisyydellä 46,5 mrd valovuotta, voi laskea ainakin suoraviivaisella matematiikalla, että nuo havaittavan avaruuden äärilaidalla olevat pisteet ovat erkaantuneet meistä ainakin tuon taustasäteilyn syntymisen jälkeen keskimäärin noin nelinkertaista valonnopeutta. Muutoin en voi annettuja lukuja ymmärtää.

***     ***     ***     ***     ***
Nuo aivan viimeiset ajatukset ovat enemmän omaa pohdintaa, eivätkä peräisin kirjallisuudesta. Kirjallisuudestakin sen verran, että yksityiskohtaiset luvut ja määreet hieman poikkeavat toisistaan eri lähteissä.

Tästä jutusta on jätetty selvyyden vuoksi pois vaikkapa ideat rinnakkaisista maailmankaikkeuksista, ja kysymykset olemmeko jossakin isossa tietokoneessa pyörivä ohjelma, sekä kvanttimaailman omituisuuksista, joita luultavasti ei lopunperin voi erottaa kosmologiasta.

Maapallon osalta ehkä kirjoitan joskus kokonaan toisen jutun.

Lukemista:

Universumi, Heikki Oja, Ursa 2017

Kosminen pimeys väistyy, Markus Hotakainen, Otava 2019

Maailmankaikkeus 2021–2022, Asko Palviainen, Ursa 2020

Kopernikuskompleksi, Caleb Scharf, Ursa 2015

Valo pimeydessä, Heino Falcke, Jörg Römer, Aula 2021

Kultakutrin arvoitus, Paul Davies, Ursa, 2007

Missä kaikki ovat?, Stephen Webb, Ursa,  2016