Klikkaa kuvaa!Professori Kari Enqvist esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Seppo Linnaluoto.
Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa oli vuorossa 18.11.2008 professori Kari Enqvist, jonka aiheena oli Pimeä energia - mysteeri? Esitelmä pidettiin Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa. Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta rahoitti esitelmän. Esitelmällä oli 150 kuulijaa.
Havaintojen mukaan 74 % maailmankaikkeuden yhteenlasketusta massasta ja energiasta on näkymätöntä, ns. pimeää energiaa, joka saa avaruuden laajenemaan kiihtyvällä nopeudella. Tämä kiihtyvä laajeneminen alkoi noin 6 miljardia vuotta sitten. Pimeän energian olemus on nykykosmologian suurin mysteeri. On kuitenkin vielä mahdollista, että pimeä energia on vain seurausta havaintojen väärästä tulkinnasta.
Kari Enqvist on teoreettinen fyysikko ja kosmologian professori Helsingin yliopistossa.
Klikkaa kuvaa!
Professori Kari Enqvist esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Seppo Linnaluoto.
Historiaa
Esitelmöitsijä aloitti lyhyen historiakatsauksen William Herschelistä, joka 1700-luvun loppupuolella yritti tähtilaskentojen avulla määrätä Linnunradan muodon ja laajuuden. 1900-luvun alussa hollantilainen Jacobus Kapteyn sai ensimmäisen arvion Linnunradan koolle. Linnunradan todellinen koko ja Auringon paikka selvisi 1920-luvulla Harlow Shapleyn tutkiessaan pallomaisten tähtijoukkojen jakautumaa.
1917 Albert Einstein sovelsi vastakehittämäänsä yleistä suhteellisuusteoriaa koko maailmankaikkeuteen. Hän tuli siihen tulokseen, että Linnunradan eli maailmankaikkeuden tulisi romahtaa kasaan. Tästä hän pääsi sillä, että hän lisäsi teoriaan ylimääräisen termin, kosmologisen vakion. Se on tyhjiön energiaa, joka puskee avaruutta erilleen.
1920-luvun alkupuolella Edwin Hubble osoitti, että Andromedan sumu M31 on selvästi Linnunradan ulkopuolella ja ratkaisi näin pitkäaikaisen kiistan kierteissumujen ja Linnunradan suhteesta. Sitten vuonna 1929 Hubble julkaisi tutkimuksensa, joka osoitti galaksien etääntyvän sitä nopeammin, mitä kauempana ne ovat. Eli avaruus laajenee. Tämän jälkeen Einstein totesi, että kosmologinen vakio oli "elämäni suurin möhläys".
Klikkaa kuvaa!
Envistin esitelmää kuunteli 150 kuulijaa. Kuva Seppo Linnaluoto.
Alkuräjähdys
Einsteinin teorian mukaan alkuräjähdys ei tapahtunut missään tietyssä paikassa. Maailmankaikkeus syntyi kerralla kaikkialla. Alussa kaikki aine ja energia oli pakkautuneena äärimmäisen tiheään tilaan. Aika ja avaruus saivat alkunsa itse alkuräjähdyksessä. Avaruus ei laajene mihinkään tyhjään tilaan.
Mitä sitten oli ennen alkuräjähdystä? Einsteinin teorioiden mukaan ei mitään, aika ja avaruus syntyivät alkuräjähdyksessä. Ei ole aikaa ennen alkuräjähdystä samassa mielessä kuin pohjoisnavalta ei enää pääse pohjoisemmaksi.
Esitelmöitsijä esitti seuraavaksi maailmankaikkeuden historiasta aikajanan. Alkuräjähdys sattui 13,7 miljardia vuotta sitten. Alussa oli alkusingulariteetti. Lähes alussa oli kosmisen inflaation aika, jolloin laajeneminen tapahtui valoa nopeammin. Sitten alkeishiukkaset saivat massansa ja kvarkit sitoutuivat protoneiksi. Atomiytimien synty alkoi sekunnin kuluttua alusta.
Alkoi aineen valtakausi. Maailmankaikkeus muuttui läpinäkyväksi 380 000 vuoden kuluttua alkuhetkestä. Tästä hetkestä on peräisin mikroaaltotausta, jota on tutkittu mm. satelliiteilla.
Mikroaaltotaustaa ovat mitanneet COBE-satelliitti, joka lähetettiin 1992 sekä WMAP-satelliitti, joka lähetettiin avaruuteen 2001. Ensi vuoden keväällä on tarkoitus lähettää Planck-satelliitti Maata kiertämään. Planckin suunnittelussa ovat mukana myös suomalaiset tutkijat.
Satelliitit ovat löytäneet taustasäteilystä 1/100 000 asteen luokkaa olevia lämpötilaeroja. Nämä lämpötilaerot ovat synnyttäneet galaksit.
WMAP-satelliitin kuva maailmankaikkeuden taustasäteilystä. Punaiset
kohdat ovat kuumempia ja siniset kylmempiä kohtia. Kuva Nasa.
Mitä universumissa on?
Maailmankaikkeudessa on tavallista, atomeista koostuvaa ainetta vain 4 %. Pimeää ainetta on 22 %. Sillä on gravitaatiovaikutus, mutta sillä ei ole vuorovaikutusta tavallisen aineen kanssa. Loput 74 % on pimeää energiaa, joka saa aikaan avaruuden laajenemisen kiihtymisen.
Pimeä aine on läpinäkyvää - se ei lähetä eikä vastaanota sähkömagneettista säteilyä. Se vaikuttaa painovoimallaan. Yksi mahdollinen ehdokas pimeäksi aineeksi ovat mustat aukot. Ne eivät kylläkään pysty selittämään kaikkea pimeää ainetta. Tai sitten se voi koostua tuntemattomien alkeishiukkasten muodostamasta kylmästä kaasusta. Hyvä ehdokas tällaiseksi on supersymmetrisen teorian ennustama neutraliino-hiukkanen. Mm. näitä hiukkasia voidaan yrittää löytää CERNin uudella LHC-kokeella, jota yritettiin käynnistää tänä syksynä.
Esitelmöitsijä sanoi, että ensimmäinen suora havainto pimeästä aineesta saadaan kenties kymmenen vuoden kuluessa.
Pimeä energia
Pimeä energia ei koostu hiukkasista. Se on sukua tyhjiöenergialle, joka on kosmologisen vakion suuruinen. Pimeä energia on yleisempi, kosmologinen vakio voi muuttua ajan kuluessa. Pimeä energia osallistuu maailmankaikkeuden kehitykseen painovoimavaikutuksellaan, koska energia on massaa ja massa energiaa.
Pimeä energia löydettiin, kun tutkittiin avaruuden laajenemista tyypin Ia supernovien avulla. Tyypin Ia supernovat ovat kaksoistähtiä, joissa on valkoinen kääpiö ja punainen jättiläinen. Punainen jättiläinen vuodattaa ainetta valkoiseen kääpiöön. Valkoisilla kääpiöillä on maksimimassa 1,4 Auringon massaa. Kun tämä massa ylittyy, valkoinen kääpiö romahtaa neutronitähdeksi ja se räjähtää supernovana. Koska tapahtuma on aina samanlainen, tyypin Ia supernovia voidaan käyttää standardikynttilöinä, jotka ovat aina yhtä kirkkaita.
Einsteinin yhtälöiden mukaan laajenemisnopeus riippuu universumin sisältämästä aineesta ja energiasta. Niiden (mm. galaksien) massa ja energia pyrkivät hidastamaan laajenemista.
Havaittiin kuitenkin, että kaukaiset supernovat olivat odotettua himmeämpiä. Ne ovat siis kauempana kuin näyttivät eli avaruus oli laajentunut odotettua nopeammin. Siispä avaruuden laajenemisen täytyi olla kiihtyvässä liikkeessä. Tämän kiihtyvän liikkeen syynä täytyy olla pimeä energia.
Laajenemisvauhti alkoi kiihtyä n. 6 miljardia vuotta sitten. Tulevaisuudessa tyhjiöenergia määrää universumin laajenemisen. Laajeneminen kiihtyy jatkuvasti. Lopulta laajenemisnopeus ylittää valon nopeuden ja galaksit katoavat näkyvistä.
Onko teoria oikea?
Pimeä energia on teoreettinen ongelma, joka on nykykosmologian suurin haaste. Onko pimeää energiaa varmasti olemassa? Laajenemista ei nähdä, ainoastaan valoa. Pimeä energia on tulkinta, joka esiolettaa homogeenisen maailmankaikkeuden.
Onko teoria varmasti oikea? Onko yleinen suhteellisuusteoria väärä? Pitääkö yleistä suhteellisuusteoriaa laajentaa? Se ei ole yleisin mahdollinen gravitaatioteoria. Voivatko epähomogeniat selittää kiihtyvän laajenemisen? Tieteellinen keskustelu jatkuu kiivaana...
Seuraavana Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa on vuorossa Ilmatieteen laitokselta Harri Haukka, jonka aiheena on Mars ja Phoenix-luotaimen tulokset. Esitelmä on Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa tiistaina 16.12. klo 18.30 lähtien.
Seppo Linnaluoto
Klikkaa kuvaa!
Klikkaa kuvaa!