• Historiaa
• Alkuräjähdyksen kulku
• Alkuräjähdyksen todisteita
• Tulevaisuus
• Mitä oli ennen alkuräjähdystä?
• Suhteellisuusteoria
• Kvanttimekaniikka
• Avaruuden kaarevuus
• Mustat aukot
• Maailmankaikkeus laajenee
• Toiset maailmankaikkeudet?
• Aiheesta muualla

Alkuräjähdys

Koska kaikilla kappaleilla ja aineilla on tunnusomainen lämpöspektri, olisi erittäin kuuman alkuräjähdyksen pitänyt jättää sellainen jälkeensä. Mikroaaltotaustasäteilyn havaitsi vasta vuonna 1965 vahingossa AT&T Bell -laboratorion tutkijat. Heidän antenniaan häiritsi tuntematon häly, jonka tutkimisesta ja paikantamisesta myönnettiin 1979 Nobelin fysiikanpalkinto. Ukrainalainen George Gamow oli kuitenkin jo ennustanut taustasäteilyn olemassaolon 1940-luvulla.

Ensimmäisen kerran inflaatioteorian toi julkisuuteen MIT:n fyysikko Alan Guth tutkiessaan Higgsin kenttää (1960-luvulla esitetty Higgsin kenttä antaa hiukkasille massan). Yllättävien tulosten mukaan Higgsin kenttä osoittautui voimakkaasti luotaan työntäväksi alkuräjähdystä seuranneessa tilassa. Guthin laskelmat muokkasivat perinteisen alkuräjähdysmallin uuteen uskoon. Uusi inflaatioteoria ratkaisi kerralla joukon vanhoja kaikkeuden tutkimuksia haitanneita ongelmia. Guthin tutkimuksia aluksi epäiltiin ja vanhoja teorioita pidettiin luotettavampina, kunnes Guth todisti laskelmiensa pystyvän samanlaisiin tarkkuuksiin.

Tutkimuksissa selvisi, että inflaatio oli muuttanut alkuräjähdyksen avonaisen urkupillin muotoiseksi, jossa oli "yliääniä" ja tietty selkeä "perusääni", joka voitiin havaita mikroaaltotaustassa. Normaalin urkupillin resonanssi voidaan laskea tarkasti, kun tiedetään pillin pituus ja äänen nopeus. Kvanttimekaniikan mukaan inflaatiokentässä (inflaation aiheuttama mekanismi) esiintyy hälyä ja värähtelyä kaikilla taajuuksilla. Alkuräjähdyksen plasmassa hälyäänet kasvoivat ääniaalloiksi. Kuten urkupilleissä resonanssitaajuudet jäävät vain jäljelle, ja alkuräjähdyksen äänimerkit eivät ole vieläkään kadonneet mihinkään, vaan ne voidaan havaita mikroaaltotaustasäteilyssä, jossa ne näkyvät pieninä vaihteluina. Äänispektrin taajuudet olivat riippuvaisia maailmankaikkeuden ulottuvuuksista.

Inflaatioteoria ennustaa jokaisen äänentaajuuden ja -korkeuden hyvin tarkkaan. Aikaisemmat arviot ovat olleet käytännössä mitattavissa 1990-luvulta saakka. WMAP-satelliitin viiden vuoden havainnot kaikkeuden äänispektristä saatiin päätökseen 16. maaliskuuta 2006. Inflaatioteoriaa tukevat havainnot olivat niin sopusoinnussa ennustettujen arvojen kanssa, että kaikki muut teoriat alkuräjähdyksestä on jouduttu siirtämään syrjään.

Alkuräjähdyksen kulku

Planckin aika	10-43 s	alkusingulariteetti laajenee
kosminen inflaatio	10-35 s	valoa nopeampi laajeneminen
sähköheikko faasimuutos	10-11 s	alkeishiukkaset saavat massansa
QCD faasimuutos	10-5 s	kvarkit sitoutuvat protoneiksi
	1 s	atomiytimien synty alkaa
säteilyn valtakausi	10 000 v	kaikki energia oli säteilyn muodossa
aineen valtakausi	379 000 v	mikroaaltotausta syntyy
	0,4 mrd v	ensimmäiset tähdet syntyvät
	13,7 mrd v	tämä päivä

Kaikkialla avaruudessa on kosmista mikroaaltotaustasäteilyä, joka on peräisin alkuräjähdyksestä. Mikroaaltotaustasäteily on yksi tärkeimmistä kosmologisista havainnoista, ja sen avulla on saatu vastaus moniin maailmankaikkeuden olemusta käsitteleviin kysymyksiin. Säteilyn ansiosta tunnetaan kaikkeuden ikä ja koostumus, miten ensimmäiset tähdet syntyivät, miksi on olemassa galakseja, ja miksi ajalla on suunta.

Mikroaaltotausta ei kuitenkaan riitä, vaan tarvitsee tuntea säteilymittausten vahvistama inflaatioteoria. Inflaatioteorian mukaan kaikkeus laajeni nopeasti heti alkuräjähdyksen jälkeen. Inflaation aiheuttama "jylinä" sai kaikkeuden vavahtelemaan sadan tuhannen vuoden ajan, ja tuolloiset äänimerkit ovat vieläkin havaittavissa mikroaaltotaustasta, joten on mahdollista tutkia varhaisimpia kaikkeuden tapahtumia. Alkuräjähdyksen "kaiku" siis todistaa inflaatioteorian pitävyyden.

Laajenemisen nopeus alussa oli niin suuri, että sitä voi kuvata atomiytimen laajenemisella miljardisosasekunnissa galaksiksi. Tämä nopeus ylitti valonnopeuden miljardeja kertoja. Laajeneminen voi vaikuttaa olevan ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa, mutta se on mahdollista, kun pelkästään avaruus laajenee. Kyseessä ei ole informaation siirtyminen, joten se ei ole ristiriidassa suhteellisuusteorian kanssa, jonka mukaan mikään informaatio ei voi kulkea valoa nopeammin. Laajeneminen on siis mahdollista, jos tarkastellaan alueita, jotka eivät ole kausaalisessa yhteydessä toisiinsa. Inflaatio loppui pian, ja seuraavan seitsemän miljardin vuoden ajan kaikkeus laajeni hitaasti. Tämän jälkeen universumi alkoi taas kasvaa nopeammin, ja kasvu on jatkunut aina nykypäiviin saakka. Ensimmäisien 400 miljoonan vuoden aikana syntyivät ensimmäiset tähdet. Kaikkeus ja miljardit galaksit muotoutuivat vähitellen nykyisenlaisiksi.

Nykyisin WMAP-satelliitin mittausten jälkeen voidaan laskea kaikkeuden iäksi 13,7 (±2%) miljardia vuotta entisen 12-18 miljardin vuoden sijaan. Mikroaaltotaustasta on päätelty kaikkeuden sisältävän 22 prosenttia pimeää ainetta, 74 prosenttia pimeää energiaa ja vain 4 prosenttia atomeista koostuvaa ainetta.

Alkuräjähdyksen todisteita

Arvostelijoiden päinvastaisista väitteistä huolimatta teorian tärkeimmät ennustukset pitävät paikkansa. Näitä ennustuksia ovat muun muassa:

• Tasainen, kaikista suunnista tuleva noin 3 kelvinin taustasäteily
  • 1948 George Gamow ennusti 1948 15 kelvinin säteilyn
  • 1963 Dicke ja Peebles laskivat tarkemmin uudelleen ja ennustivat 3 kelvinin säteilyn
  • 1965 Penzias ja Wilson löysivät 3 kelvinin säteilyn tietämättä sen kosmista merkitystä luullen ensin kohdanneensa tuntemattoman paikallisen häiriön
• Alkuaineiden suhteet maailmankaikkeudessa
• vedyn, deuteriumin, helium-3:n, helium-4:n ja litiumin osuudet. Erityisesti heliumin suuri massaosuus 25 prosenttia maailmankaikkeudesta.
• Galaksien loittoneminen toisistaan
  • 1917 staattiseen avaruuteen uskonut Albert Einstein ei teoriallaan saanut maailmanmalliaan vakaaksi vaan joutui lisäämään kosmologisen vakion.
  • 1917 William de Sitter huomasi, että edes kosmologinen vakio ei pelasta staattista maailmankaikkeutta, vaan avaruus joutuu liikkeeseen jo pienestä häiriöstä
  • 1922 venäläinen A. Friedmann totesi, että vaikka kosmologista vakiota ei olisikaan, laajeneva avaruus on yksi Einsteinin yhtälön ratkaisuista
  • 1927 Georges Lemaitre teki ensimmäisenä 'big bang' -mallin, jossa kaikki lähtee yhdestä pisteestä
  • 1929 Edwin Hubble löysi spektriviivoista galaksien suuret punasiirtymät ja päätteli galaksien etääntyvän toisistaan
  • Erityisesti Sandagen ja Perelmuterin 1980-luvulla julkistamat havainnot vahvistavat, että kaukaisten galaksien pintakirkkaus (punasiirtymällä z) on kääntäen verrannollinen (1+z):n neljänteen potenssiin aivan kuten laajenevan avaruuden ennusteen mukaan pitääkin. Se sulkee pois staattisen avaruuden mahdollisuuden erittäin suurella todennäköisyydellä.
• Aikataulujen yhteensopivuus
• Riippumattomien, esimerkiksi pallomaisten tähtijoukkojen, iänmääritysten yhteensopivuus (virherajojen sisällä) maailmankaikkeuden iän kanssa.
• WMAPin havaitsema infrapunataustasäteily, joka kertoo galaksien syntyyn liittyvistä varhaisista lämpötilanvaihteluista.
• Spitzer-avaruusteleskooppi havaitsi vuonna 2005 lähi-infrapunassa säteilyä, joka on todennäköisesti peräisin ensimmäisistä, niin kutsutun Populaatio III:n, tähdistä.

Tulevaisuus

Maailmankaikkeuden tulevaisuudesta on esitetty tieteellisiä malleja, joiden mukaan sen kohtalo riippuu sen massasta. Mikäli massa on tarpeeksi suuri, pysäyttää se lopulta kaikkeuden laajenemisen ja jossain vaiheessa kaikki aine palaa takaisin lähtöpisteeseen. Jos kriittinen massa on liian pieni, teorian mukaan laajeneminen ei pysähdy koskaan ja lopulta kaikkeus kokee lämpökuoleman, kun lämpötila laskee absoluuttiseen nollapisteeseen.

Mitä oli ennen alkuräjähdystä?

Monesti on sanottu että "alkuräjähdys" ja "ennen" ovat huonoja sanoja, koska niihin sisältyy ajatus, että jotain räjähti, ja ajatus hetkestä ennen alkuräjähdystä voi olla yhtä mieletön kuin paikasta, joka sijaitsee pohjoisnavalta pohjoiseen. Yleisesti on ehdotettu että asiaa pitäisi ennemminkin ajatella spontaanina laajenemisena. Tiedämme, että nykyinen kaikkeus oli pakkautunut äärimmäisen tiheäksi, ja se on laajentunut viimeiset noin 13,7 miljardia vuotta. Kaikki muu ajasta ennen alkuräjähdystä on teoreettista spekulaatiota nykytietämyksellä, mutta joitakin matemaattisia teorioita on esitetty, ja alkuräjähdys voi olla täysin järkiperäisen tutkimuksen kohteena.

Jotkut nykykosmologit kuitenkin arvelevat, että inflaatioteorialla on suurempi merkitys kaikkeudessa kuin tähän asti on uskottu. Universumi on voinut syntyä vielä tuntemattomasta syystä edellisestä universumista, ja se voi olla osa ääretöntä multiversumia. Toisaalta aika ei mahdollisesti ole mitenkään mielekäs käsite kaikkeutemme ulkopuolelle, joten tämä kaikkeus on ollut aina olemassa.

Euroopan avaruusjärjestö lähettää vuonna 2008 Planck-satelliitin avaruuteen mittaamaan mikroaaltotaustaa tarkemmin ja täsmentämään kosmologista kuvaa inflaatiosta, joten multiversumiteorian ynnä muiden teorioiden todennäköisyyksiä voidaan tarkemmin arvioida. Lisäksi CERN aikoo lähivuosina tutkia pimeää energiaa ja mahdollisia toistaiseksi tuntemattomia ulottuvuuksia törmäyskokeilla.

Ainetta tyhjästä

Kvanttiteorian epätarkkuusperiaatteen mukaan materiaa voi tulla tyhjästä. Myös kaikkeuden kokonaisenergia on edelleenkin nolla, joten energian häviättömyyslakia ei rikota, ja se on syntynyt itsestään toistaiseksi tuntemattoman kvantti-ilmiön johdosta. Kvanttifysikaalinen tyhjiö ei ole "tyhjä", vaan siinä on tyhjiöenergiaa. Maailmankaikkeuden aine on lainannut energiansa gravitaatiokentältä, jossa se lepää, ja niin vastakkaista energiaa meni gravitaatiokenttään. Itse asiassa tunnetaan joitakin ilmiöitä, joissa ainetta muodostuu tyhjästä ja häviää itsekseen, ja joihin muun muassa perustuu mustien aukkojen säteily. Inflaatio näyttäisi olevan se prosessi, joka kasvatti massaenergian kuplasta havaitsemamme maailmankaikkeuden.

KUVAT (public domain)

http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Alkurajahdys1.jpg

http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:WMAP.jpg

-----------------

Sisältö Wikipediasta: http://fi.wikipedia.org/wiki/Big_bang

Sisältö on käytettävissä lisenssillä GNU Free Documentation License. http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html