Kosminen taustasäteily

Kosminen taustasäteily tai avaruuden taustasäteily tai kolmen kelvinin säteily on kaikkialle havaittavaan maailmankaikkeuteen suhteellisen tasaisesti jakautunutta mikroaaltosäteilyä. Taustasäteilyhän syntyi, kun avaruus laajetessaan samalla jäähtyi ja saavutti 375 000 vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa tilanteen, jossa valo pääsi liikkumaan esteettä. Tällöin noin 3 000 kelvinin lämpöisen pätsin fotonit pääsivät liikkeelle ja tällä hetkellä meidät ohittavat fotonit lähtivät liikkeelle maailmankaikkeudesta, jonka voidaan laskea olevan tällä hetkellä 46,5 miljardin valovuoden päässä meistä.

Tulin pohtineeksi, miten tuo taustasäteilyn lämpötila on muuttunut ajan myötä alkuhetkestään nykypäivään (13,8 miljardia vuotta alkuräjähdyksestä). Kirjallisuudessa kerrotaan, että edellä mainittuna aikajänteenä sekä taustasäteilyn muutos että nyt havaittavan avaruuden säde ovat muuttuneet kertoimella 1 100. Toinen siis väheten ja toinen kasvaen.

Heikki Ojan erinomaisessa teoksessa Universumi (Ursa, 2017) selviää että avaruus oli laajentunut puoleen kokoonsa (säde) 5,5 miljardin ikäiseen avaruuteen, siis 1,4 mrd. vuotta ennen kuin tasaisen laajenemisen oletuksessa. Laajeneminen olisi siis tuolla aikavälillä keskimäärin noin 20 % nopeampaa ja vastaavasti tuon jälkeen noin 20 % hitaampaa kuin koko ajan keskiarvo. Tuosta voi päätellä, että muutokset (ehkä ihan lyhyttä alkuvaihetta lukuun ottamatta) eivät ole kovin suuria.

Näyttäisi siis, että tuon aikajänteen alussa laajeneminen oli hetken aikaa ehkä selvästikin nykyistä nopeampaa, tasaantuen kuitenkin nopeasti lähelle keskiarvoa. Toisaalta tiedämme nykyään, että laajenemisen hidastuminen loppui noin 7,8 miljardin vuoden kohdalla ja kääntyi hitaaksi nopeutumiseksi, joka kylläkin tulevaisuudessa kiihtyisi lisää.

Edeltä siis ilmenee, että taustasäteilyn lämpötila ja avaruuden laajenemisen säde ovat suorassa riippuvuussuhteessa keskenään. Näin ainakin ymmärrän tuosta 1 100-kertaistumisesta ja -pienenemisestä, joka on esitetty monessa paikassa.

Avaruus siis laajenee kaavalla K1 * t ja lämpötila pienenee kaavalla K2/t. Muuttuja t on siis aika, ja K1 ja K2 ovat asiaan liittyviä kertoimia. Tasaisen laajenemisen tapauksessa voidaan K1 ja K2 ajatella vakiona. Kun tiedämme, että nykyinen havaittavan avaruuden säde on 46,5 mrd. valovuotta (vv), niin taustasäteilyn syntymisen aikaan se oli noin 42 miljoonaa valovuotta, siis 0,042 mrd. vv. Lämpötila puolestaan laski noin 3 000 kelvinistä noin 2,7 kelviniin.

Edellä olevista tiedoista saamme seuraavan kuvaajan avaruuden laajenemiselle ja taustasäteilyn lämpötilalle.

Todettakoon vielä, että todellisuudessa lämpötila laski alussa hieman nopeammin, kuin kuvaaja antaa ymmärtää, mutta piirtotarkkuuden takia eroa ei pystyisi huomaamaan. Kun otamme edellisestä taulukosta valittuja ajanhetkiä, saamme seuraavan taulukon tarkempiin lukuarvoihin, jotka mittakaavojen takia tulevat kuvaajasta vain summittaisesti esille.

Otin ensimmäisen (laskennallisen) kaksinkertaistumisen ajanhetken kellojaksoksi tuohon simulointiin. Noita tulee näin ajateltuna 1 099 kappaletta siihen asti, kun laajeneminen olisi puolestaan 1 100-kertaistunut. Ja muistetaan, että tuon taulukon nollakohta on hetkellä, kun aikaa alkuräjähdyksestä on kulunut 375 000 vuotta, eli noin 0,0004 miljardia vuotta.

Laitoin tuohon taulukkoon yhdeksi ajanhetkeksi 2/3, koska se edustaa aikaa, jolloin aurinkokuntamme ja maapallokin syntyivät. Tuolloin oli taustalämpö pudonnut jo noin neljään kelviniin.

Tuon vielä esille, että tässä puhutaan avaruudesta, jonka me pystymme nyt havainnoimaan. Jos joku olisi ollut havainnoimassa avaruutta vaikkapa silloin kun aurinkokuntamme syntyi, olisi tuolloin aurinkokunnan ohittava taustasäteily lähtenyt liikkeelle lähempää kuin se, mikä meidät nyt ohittaa. Ja tuo havainnoija puolestaan kertoisi kaverilleen, että havaittavan maailmankaikkeuden koko on lukuarvoltaan paljon pienempi, kuin mistä nykyään puhutaan. Ehkäpä itsestään selvää.

Laitoin aikajänteen 100 miljardia vuotta tuohon taulukkoon, koska tuo aika esitetään monesti sellaisena, että tuolloin (tai joskus tuon ajankohdan jälkeen) kiihtyvä laajeneminen on jo erottanut mm.  galaksiryhmät toisistaan, jolloin ei näy teleskoopeillakaan enää muuta kuin oman galaksiryhmän asioita. Tuolloin on siis monesta syystä vaikea tehdä samoja kosmologisia havaintoja ja vaikkapa päätelmiä alkuräjähdyksestä, jotka meiltä vielä onnistuvat.

Tällaista pohdintaa. Otan mielellään palautetta ja kerrankos sitä saattaa olla väärässä.

*****     *****     *****     *****     *****

Palautteen perusteella tuon vielä selvemmin esille, että kun havainnoimme hyvin kaukaisia kohteita avaruudessa, niin katsomme samalla menneisyyteen. Kun katsomme taustasäteilyä, niin näemme jonkinlaisen kuvan avaruudesta 13,8 miljardia vuotta sitten, joka säteily oli lähtiessään noin 42 miljoonan kilometrin päässä meistä. Mutta nyt kyseisen säteilyn lähtöpaikka on nyt 1 100 kertaisen matkan päässä meistä, siis noin 46,5 miljardin valovuoden.

Pari linkkiä aikaisempiin kirjoituksiini aihepiiristä:

 - Universumin kehitys

 - Elämän kehitys

pari muuta linkkiä muistiksi:

 - Metsähovi

 - Berkeley News

 - kuva maailmankaikkeuden laajenemisesta

 - tieteen termipankki

 - Syksy Räsänen punasiirtymä

 - Wikipedia punasiirtymä