Mitä oli ennen alkuräjähdystä?

Helsingin yliopiston kosmologian professori Kari Enqvist piti huhtikuussa 2004 yleisöesitelmän aiheesta "Mitä oli ennen alkuräjähdystä? Sen järjesti Kirkkonummen Komeetta yhdessä Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunnan kanssa. Esitelmällä oli noin 90 kuulijaa.

Klikkaa kuvaa!
Professori Kari Enqvist piti Kirkkonummella esitelmän. Kuva Seppo Linnaluoto.

Kosmologia on viimeisen kymmenen vuoden aikana muuttunut täsmätieteeksi.

Maailmankaikkeuden teoreettisia malleja voidaan testata tarkoilla havainnoilla, ja samalla lähestytään Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan yhteisaluetta eli Kaiken teoriaa. Tällöin ajaudutaan kysymään myös mitä oli ennen alkuräjähdystä.

Kari Enqvist on kosmologian professori Helsingin yliopistossa. Hän on kirjoittanut useita yleistajuisia kirjoja, joista viimeisin on nykykosmologiaa kuvaava Kosmoksen hahmo. Sen esittelyn osoite on: http://www.physics.helsinki.fi/~enqvist/opus.dir/kosmos.html

Einsteinin teoria

Vuonna 1916 Albert Einstein esitti yleisen suhteellisuusteorian. Sen perusteella Einstein esitti maailmankaikkeuden mallin seuraavana vuonna.

Jotta Einstein sai pysyvän eli staattisen maailmankaikkeuden, hänen oli lisättävä yhtälöihinsä kosmologinen vakio. Tätä Einstein nimitti myöhemmin elämänsä suurimmaksi möhläykseksi.

Klikkaa kuvaa!
Albert Einstein (1879-1955) esitti v. 1916 yleisen suhteellisuusteorian.

On muistettava, että kun Einstein kehitti maailmankaikkeuden malliaan, yhdenkään galaksin etäisyyttä ei ollut mitattu, eikä maailmankaikkeuden laajenemisesta ollut tietoakaan. Maailmankuvamme muuttui vasta 1920-luvun loppuun mennessä.

Alkuräjähdysteorian historiaa

Jo vuonna 1922 Aleksander Friedmann oli johtanut Einsteinin yhtälöistä ratkaisun, jossa esiintyi alkusingulariteetti. Staattista maailmankaikkeutta kannattanut Einstein piti alkuun Friedmannin ratkaisua vääränä kunnes pian myönsi itse tehneensä virheen.

Ei tarvitse olla Einstein oivaltaakseen, että jos maailmankaikkeus on nyt laajenemassa, on se kauan sitten ollut paljon pienempi. Paljon vaikeampaa on hyväksyä se, että aineen tiheyden kasvaessa myös sen lämpötila kohoaa.

Klikkaa kuvaa!
Professori Enqvistin esitelmää kuunteli noin 90 kuulijaa. Kuva Seppo Linnaluoto.

Kun kaasua puristetaan kasaan, se kuumenee. Mutta tämän soveltaminen koko maailmankaikkeuteen tuntui vieraalta.

Vuonna 1946 George Gamow onnistui yhdistämään ydinfysiikan ja Friedmannin löytämän laajenevan maailmankaikkeuden ratkaisun. Ensimmäistä kertaa alkuräjähdys miellettiin tulipätsiksi. Säteily ei katoa vaan risteilee nykyäänkin avaruudessa. Gamow ja hänen tutkijakollegansa laskivat, että tämän kosmisen taustasäteilyn nykyinen lämpötila olisi noin 5 kelviniä.

Gamowin ja hänen tutkijakollegojensa tulos unohtui, mutta vuonna 1964 kosminen taustasäteily löytyi täysin sattumalta. Bell-yhtiön tutkijat Arno Penziasja Robert Wilson julkaisivat löytönsä seuraavana vuonna. Kosmisen taustasäteilyn löytäminen on tieteenhistorian suurimpia löytöjä.

WMAP-satelliitin kuva maailmankaikkeuden taustasäteilystä. Kuva NASA.

Alkuräjähdys

Alkuräjähdys ei tapahtunut missään erityisessä avaruuden kohdassa.

Maailmankaikkeus syntyi kerralla kaikkialla. Se avaruuden kohta, jossa esitelmä pidettiin, oli noin 14 miljardia vuotta sitten samassa paikassa kuin kuulijat. Sama pätee alueisiin Linnunradan toisella laidalla, Andromedan galaksissa ja kaukaisissa kvasaareissa. Alkuräjähdys tapahtui yhtä aikaa kaikkialla.

380.000 vuotta alkuräjähdyksestä mikroaaltotaustan fotonit lähtivät liikkeelle jokaisesta avaruuden pisteestä.

Maailmankaikkeus, joka suhteellisuusteorian mukaan hetkellä nolla oli yhdessä matemaattisessa pisteessä, saattoi heti synnyttyään olla jo ääretön.

Klikkaa kuvaa!
Kari Enqvist (oikealla) kollegansa kanssa Maxwellin haudalla.

Mitä maailmankaikkeudessa on?

Laskut osoittavat, että kaikki helium ei ole voinut syntyä tähdissä.

Ainoaksi vaihtoehdoksi jää, että heliumin on täytynyt olla läsnä jo ennen tähtien ja galaksien syntymistä. Heliumin on täytynyt syntyä alkuräjähdyksen kuumassa ydinmiilussa.

Laskut osoittavat, että heliumia syntyi alle 25 % ensimmäisten minuuttien kuluessa. Kaikki neutronit tulivat käytetyiksi heliumiin ja vähäisessä määrin raskaaseen vetyisotooppiin deuteriumiin. Syntyi myös mitättömän vähän litiumia ja berylliumia. Lopusta tuli vetyä.

Loput alkuaineet ovat syntyneet tähdissä. Supernovaräjähdykset levittävät aineet tehokkaasti ympäristöön. Oma Aurinkomme syntyi 5 miljardia vuotta sitten tästä raskailla alkuaineilla rikastuneesta aineesta. Auringossa oli noin 2 % heliumia raskaampia aineita. Planeetat ja esimerkiksi me ihmiset ovat siis supernovien lapsia. Yhdisteissä oleva vety on alkuräjähdyksestä peräisin.

Mutta nykyään tiedetään, että näkyvää ainetta on vain 4,4 %. Tämä tiedetään mikroaaltosäteilyn ominaisuuksien perusteella. Loppu "pimeä" aine vaikuttaa äärimmäisen heikosti tavallisen aineen kanssa.

Alkuräjähdys oli siis 13,7 miljardia vuotta sitten. Alkuun maailmankaikkeuden laajeneminen hidastui. Mutta viime vuosina tehdyt havainnot ovat osoittaneet, että hidastuminen päättyi 6 miljardia vuotta sitten ja sen jälkeen alkoi kiihtyvä laajeneminen!

Kosminen inflaatio

Suhteellisuusteoriasta pystyy laskemaan, että taivaanpallolla näkyy nyt noin sata tuhatta sellaista aluetta, jotka mikroaaltotaustan syntyhetkellä eivät vielä olleet ehtineet olla kausaaliyhteydessä toisiinsa. Miten kaikki nämä alueet onnistuivat toisistaan tietämättä järjestämään asiansa niin, että niiden lähettämän mikroaaltosäteilyn lämpötila on sama?

Alan Guth julkisti inflaatioideansa esitelmässään vuonna 1980. Guthin mukaan maaailmankaikkeudessa oleva piilevä energia voi tietyissä olosuhteissa olla säteilyenergiaa paljon suurempi niin, että se voi määrätä koko maailmankaikkeuden kehityksen. Maailmankaikkeus laajenisi eksponentiaalisen nopeasti, siis paljon nopeammin kuin valo. Tämä tapahtui noin 10^-35 sekuntia alkuräjähdyksen jälkeen. Tätä Guth kutsui kosmiseksi inflaatioksi.

Mitä oli ennen alkuräjähdystä?

Alkuräjähdysteorian kannalta ei ole välttämätöntä, että maailmankaikkeus todella sai kerran alkunsa. Tiedämme, että se on ollut pakattuna äärimmäisen tiheäksi ja että se on laajentunut viimeiset noin 14 miljardia vuotta, mutta sitä ennen ns. säikeiden valtakausi on voinut kestää vaikka ikuisuuden. Alkuräjähdys, big bang, on voinut olla tyhjän äärettömän vanhan universumin välitilinpäätös.

Klikkaa kuvaa!
Professori Enqvistin esitelmää kuunteli noin 90 kuulijaa. Kuva Seppo Linnaluoto.

Äärettömän vanhan säieuniversumin idean esittivät 1990-luvun alkupuolella italialaisfyysikot Gabriele Veneziano ja Maurizio Gasperini. Tiheästä alkutilasta laajenemisen aloittaneeseen maailmaan liittyy aina myös toinen matemaattinen ratkaisu. Se kuvaa äärettömän harvaa kosmosta, joka romahtaa kohti loppusingulariteettia. Ratkaisut yhdistämällä saadaan uudenlainen kuva maailmankaikkeuden historiasta. Tätä he nimittivät pre-Big Bang -malliksi.

Toinen parisen vuotta sitten esitetty alkuräjähdysmalli on nimeltään "ekpyroottinen universumi". Se perustuu braanimaailmoihin ja niiden ylimääräisiin ulottuvuuksiin. Kuten pre-Big Bang -mallissa, ekpyroottisessa universumissa ei esiinny varsinaista singulariteettia.

Ei kuitenkaan tiedetä, ovatko kummatkaan mallit oikein.

Seuraavan Kirkkonummen Komeetan järjestämän esitelmän pitää dosentti Jukka Piironen perjantaina 28.5. klo 18.30 alkaen Kirkkonummen Koulukeskuksen auditoriossa.

Seppo Linnaluoto