Kosmologia: valoa nopeampi laajeneminen

Itseäni, kuten tiedän monia muitakin usein askarruttaneen avaruuden valoa nopeampi laajeneminen ja asiaa hieman enemmän tietäviä lisäksi se, että valo näyttää pystyvän saapumaan tänne kohteista, jotka etenevät meistä poispäin valoa selvästi suuremmalla nopeudella.

Yksinkertaisen esimerkin valossa tiedämme, että jos kutsumme havaittavissa olevaa maailmankaikkeutta sen mukaan, mistä on ylipäätään saapuvilla valoa, päädymme hakemaan suurinta etäisyyttä kosmisen taustasäteilyn lähtöpaikasta. Tuon sisällä olevaa piiriä voimme kutsua havaittavaksi maailmankaikkeudeksi.

Käytännössä joka suunnasta meille saapuva noin 2,7 kelvinin lämpötilaa edustava mikroaaltotaustasäteily on lähtenyt paikasta, joka on nykytiedon mukaan nyt noin 46,5 miljardin valovuoden päästä. Lähtöhetki oli puolestaan noin 13,8 miljardia vuotta sitten. Noista lukemista voidaan laskea, että noiden pisteiden (maapallo/aurinkokunta ja jokin ao. lähtöpiste) keskimääräinen etääntymisnopeus on noin 3,37 kertaa valonnopeus (c). 

Kuitenkin tuo valo on saapunut ja saapuu koko ajan teholtaan reilusti heikentyneenä, joka näkyy aallonpituuden huimana kasvuna. Tuo edellisen lauseen huima on tarkemmin 1 100-kertaistuminen, joka lukuarvo 1 100 on samalla havaittavan maailmankaikkeuden koon moninkertaistuminen siitä lähtien kun tuo taustasäteily lähti liikkeelle 375 000 vuoden ikäisestä maailmankaikkeudesta.

Olen viime aikoina käynyt noita asioita läpi ja lopulta päädyn tähän ulostuloon. Yllättäen omasta mielestäni asia alkoi asettumaan suhteellisen suoraviivaiseen asentoon. Tässä jutussa tosin oletetaan laajenemisen olevan aivan tasaista, jota se ei ole. Mutta periaatekysymysten kannalta voidaan edetä tasaisen laajenemisen esimerkein.

Oheisessa kuvassa y-akselina on aika, joka on samalla paikalla olevaksi kuviteltu oma aurinkokuntamme pisteessä P2, joka syntyy noin ajankohdassa 2/3 avaruuden iästä. Muiden toimijoiden etäisyys meistä on etäisyys x-akselin suunnassa. Säteilyn alkuhetken etäisyyttä on merkitty deltalla (Δ). Kuvasta nähdään, että tasaisen laajenemisen tapauksessa taustasäteilyn lähtöpiste etääntyisi reilulla kolmella valonnopeudella meistä poispäin.

Lähtötilanteessa valo erkaantuu lähtöpisteestään meihin päin valonnopeudella, siis tosiasiassa edelleen yli kahden valonnopeuden verran meistä erkaantuen.  Mutta koska, valo puskee kuin veturi avaruuden koordinaattien yli, niin se siirtyy koko ajan kohti koordinaatteja, joiden nopeus on vähemmän meistä poispäin.

Kun tätä on tapahtunut tarpeeksi kauan, alkaa valo lähestyä meitä nopeudella, joka on yhä lähempänä valonnopeutta ja lopulta ohittaa meidät tarkalleen valon nopeudella. 

Edellä on katsottu universumia ikään kuin ulkopuolelta, jolloin voi ajatella valolle muitakin nopeuksia suhteessa muihin avaruuden pisteisiin. Valon kannalta tietenkin lähiavaruus huiskii koko ajan valonnopeutta ohi.

Kuvaan on merkitty kolmeen kohtaan merkki c kuvaamaan noissa pisteissä valon etenemisnopeutta ohitettaviin kohteisiin. 

En tiedä auttaako yhtään, mutta ohessa sama on piirretty koordinaatistoon, jossa valo on ikään kuin paikallaan, ja muut avaruuden osat liikkuvat. Kuvaajassa näkyy, kuinka alkuperäinen säteilylähde ensin erkaantuu valosta valonnopeutta, ja sitten kiihtyvästi nopeampaa. Tulevan aurinkokuntamme paikka erkaantuu aluksi koko ajan kauemmaksi, kunnes jossain vaiheessa (kun erkaantumisnopeus sama kuin valolla) alkaa lähenemään.

Oheinen kuva on myöskin piirretty valonsäteen kannalta. Tuossa valonsäde ikään kuin tiedostaa kulkevansa valonnopeutta. Säteilyn lähtöpiste puolestaan kulkee tässä asteikossa ensin suoraan ylöspäin, mutta kaartuu hetikohta kiihtyvästi vasemmalle ja aurinkokuntamme lähtee ensin reilulla kolminkertaisella valonnopeudella oikealle, hidastuen kunnes sen reitti leikkaa lähtöpisteestä tulevaa taustasäteilyä jossain kohden.

Noiden kahden pisteen (P1 ja P2) välillä on koko ajan jatkumo pisteitä, joiden erkaantuminen muista riippuu näiden keskinäisestä sijainnista. Ao. pisteiden välinen nopeus on tässä koko ajan tuo 3,37 x valonnopeus (todellisuudessa tuo on keskiarvo). Em. kuvat eivät ole tietenkään mittakaavassa. Esim. tuo lähtöhetken delta on todellisuudessa alle tuhannesosa pisteiden nykyisestä etäisyydestä noin 43 miljoonaa valovuotta.

Lisäksi laajeneminen ei ole ollut todellisuudessa tasaista; tämän tarkastelun kannalta oleellinen ero on aivan heti taustasäteilyn synnyttyä, jolla on isohko vaikutus näihin numeerisiin lopputulemiin, mutta suhteellisen pian lukemat ovat laskeneet (arvioni mukaan) suunnilleen +/-20 prosentin sisälle keskimääräisestä, jolloin puhutaan enää pienehköistä eroista.

Todettakoon vielä se, että vaikka puhutaan havaittavasta maailmankaikkeudesta, niin kaikki havainnot muista aurinkokunnista, galakseista ja vaikkapa taustasäteilystä ovat havaintoja menneisyydestä. Tätä päivää ei voi havaita kuin suunnilleen aurinkokuntamme sisällä valon rajallisesta nopeudesta johtuen.

Em. tiedot on pureksittu yleisesti saatavilla olevista lukuarvoista.

Tulevaisuutta

Kun noita lukuja pyöritteli, niin tulin siihen tulokseen, että tasaisesti laajenevassa avaruudessa valo saavuttaa aina lopulta kaikki esteettömät kohteet, joita kohden se kulkee. Toisilla parametreillä aikaa vain voi mennä tuhottomasti ja aallonpituudet venyä suuresti.

Sen sijaan nyt alkamassa olevassa kiihtyvän avaruuden tilanteessa vaikuttaa siltä, että sopivilla parametreilla valo ei välttämättä koskaan saavuta kaikkia esteettömiä kohteita. Näin olen myös päätellyt lukemastani liittyen juuri kaukana tulevaisuudessa oleviin ajankohtiin, sanotaan vähintään 100 miljardin vuoden ikäiseen avaruuteen. 

Tuolloin jossain vaiheessa ei ole enää näkyvyyttä galaksiryhmien ulkopuolille eikä siis mahdollisuutta samoihin kosmologisiin päätelmiin, joita tässäkin nyt pureksitaan.

     *****     *****     *****

Olen kirjoittanut aiheesta ennenkin mm:
 - Universumin kehitys
 - Kosminen taustasäteily
 - Kosminen taustasäteily ja energia
 - Elämän kehitys