Esitelmä maailmankaikkeudesta

Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa oli vuorossa dosentti Karl Johan Donner, jonka aiheena oli maailmankaikkeus. Esitelmä pidettiin Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa ja sillä oli 90 kuulijaa. Esitelmän rahoitti Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta.

Esitelmöitsijä Karl Johan Donner on tähtitieteen dosenttina Helsingin yliopistossa. Hän on väitellyt tohtoriksi Cambridgessa Englannissa vuonna 1979. Hän on toiminut pääasiassa Helsingissä, mutta myös Turussa, Kööpenhaminassa, Marseillessa ja Göteborgissa.

Donner on tutkinut galaksien rakennetta ja vuorovaikutuksia: galaksien spiraalirakennetta, tähtienvälisen kaasun dynamiikkaa, magneettikenttiä, sauvaspiraaleja ja galaksien sulautumisia.

Klikkaa kuvaa!
Dosentti Karl Johan Donner esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Seppo Linnaluoto.

Esitelmöitsijä aloitti puhumalla lämpimästi tähtitieteilijä Toivo Jaakkolasta (1941-1995). Jaakkola meni kosmologiakritiikissään huomattavan pitkälle, hän ei hyväksynyt maailmankaikkeuden laajenemista. Donner ei suinkaan mene näin pitkälle.

Esitelmöitsijä pohti maailmankaikkeutta tieteellisenä ongelmana. Ns. täsmäkosmologia on normaalia tähtitiedettä. Mutta maailmankaikkeutta kokonaisuudessaan ei voida tutkia samojen periaatteiden avulla. Koska on olemassa ainoastaan yksi maailmankaikkeus, ei ole vertailukohdetta.

Historia

Venäläinen Aleksander Friedman johti 1922 ensimmäisenä muuttuvat maailmankaikkeuden mallit Einsteinin yleisestä suhteellisuusteoriasta. Hänen mukaansa maailmankaikkeuden tuli joko supistua tai laajentua. Maailmankaikkeus oli kaarevuudeltaan joko elliptinen tai hyperbolinen. Belgialainen pappi Georges Lemaitre keksi 1927 mallit uudelleen. Hän pohti 1931 alkuräjähdystä eli big bangia todellisena tapahtumana. Ydinfyysikko George Gamow 1946 ensimmäisenä tutki alkuräjähdyksen havaittavia seurauksia.

Hermann Bondi, Thomas Gold ja Fred Hoyle esittivät 1948 vaihtoehtona ns. steady state -teorian, jossa maailmankaikkeus laajenee, mutta vastaavasti uutta ainetta syntyy, niin että maailmankaikkeuden ainetiheys on vakio.

Vuonna 1955 löydettiin radiogalaksit, 1963 kvasaarit ja 1965 mikroaaltotaustasäteily. Nämä löydöt saivat 1960-luvun lopussa useimmat tähtitieteilijät vakuuttuneiksi, että steady state -teoria ei pidä paikkaansa.

Klikkaa kuvaa!
Galaksijoukko Abell 1689. Galaksijoukko toimii gravitaatiolinssinä, josta johtuvat kaarevat galaksien kuvat. Kuva Hubble.

Täsmäkosmologia?

Noin 30 vuoden aikana kosmologia kiersi kehää, juuri mitään edistystä ei tapahtunut. Mutta 1990-luvun puolivälistä lähtien alkoi tapahtua.

Kosmologiassa on viimeisen viiden vuoden aikana tapahtunut läpimurto. Maailmankaikkeuden rakennetta kuvaavien parametrien eri menetelmillä johdetuille arvoille on vihdoin saatu yhtäpitävät tulokset. Näistä johdettua mallia sanotaan konkordanssimalliksi.

Väitetään, että näin on siirrytty täsmäkosmologian aikaan, jossa ongelmana on vain parametrien hienosäätö. Konkordanssimallissa on kuitenkin otettu avuksi kaksi suurta tuntematonta: pimeä aine ja pimeä energia. Kummastakaan ei ole muita todisteita kuin tarve olettaa ne maailmankaikkeuden havaittujen ominaisuuksien selittämiseksi.

Klikkaa kuvaa!
Dosentti Donnerin esitelmää kuunteli 90 henkeä. Kuva Seppo Linnaluoto.

Aikaisemmin kosmologiassa oli vain kaksi parametria, Hubblen vakio ja maailmankaikkeuden keskimääräinen tiheys. Hubblen vakio kertoo sen, miten nopeasti maailmankaikkeus laajenee. Täsmäkosmologia on tuonut mukaan paljon muitakin parametreja. Perusversiossa niitä on vähintään kuusi, nimittäin pimeän aineen tiheys, kosmologinen vakio, häiriöiden amplitudi ja spektri, galaksien synty ja galaksienvälisen kaasun ionisaatio. Lisäksi voidaan ottaa malleihin mukaan esim. gravitaatioaallot, neutriinot ja säteilytaustan lämpötila.

Kosmologisia havintoja ovat mm. galaksien etäisyydet, alkuaineiden runsaudet, laajan mittakaavan rakenne ja mikroaaltotaustan fluktuaatiot.

Konkordanssimallin mukaan maailmankaikkeuden tiheys on täsmälleen kriittisen tiheyden suuruinen eli avaruus on laakea (euklidinen). Mallin mukaan normaalia ainetta on 4 %, pimeää ainetta 23 % ja pimeää energiaa 73 %. Maailmankaikkeuden ikä on 13,5 miljardia vuotta.

Klikkaa kuvaa!
WMAP-satelliitin kuva kosmisen taustasäteilyn epätasaisuuksista. Siniset alueet ovat "kylmiä" alueita ja punaiset "lämpimiä". Kuva NASA.

Inflaatioteoria

Konkordanssimallin ominaisuuksia on yleisesti selitetty olettamalla, että alkuräjähdyksen eli big bangin alkuhetkinä on tapahtunut inflaatio, maailmankaikkeuden laaajenemisnopeuden voimakas kasvu. Tälle ilmiölle ei ole riippumattomia todisteita, ja se on lisäksi fysikaaliselta kannalta ongelmallinen.

Inflaatioteorian otti käyttöön Alan Guth vuonna 1981 selittääkseen maailmankaikkeuden laakeuden, ns. horisonttiongelman ja kosmisten reliikkien puuttumisen.

Klikkaa kuvaa!
Kuva Seppo Linnaluoto.

Esitelmässä kyseenalaistettiin inflaatiomallin oletuksia ja niiden tarvetta. Esitelmöitsijän mukaan inflaatio on mielivaltainen, ei-fysikaalinen ja se antaa vastauksia olemattomiin ongelmiin. Hänen mukaansa teorian tarjoamat selitykset ovat monimutkaisempia kuin itse ongelmat.

Esimerkkinä yksinkertaisemmasta selityksestä esitelmöitsijä tarjosi skaalatonta mallia, jossa maailmankaikkeudessa ei ole sisäänrakennettua mittakaavaa. Tässä lähdetään liikkeelle symmetriaperiaatteesta, jollaisiin on yleisesti fysiikassa vedottu. Sellaisessa näkökannassa alkuehdot ovat yksikäsitteisiä, eikä sattumanvaraisia. Ongelmana tässäkin kuvassa on kosmologinen vakio, joka saa aikaan maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen. Kiihtyvän laajenemisen alku noin 5 miljardia vuotta sitten määrittelee ajan, mikä rikkoo oletetun symmetrian.

Seuraava Kirkkonummen Komeetan järjestämän esitelmän pitää dosentti Pekka Teerikorpi Turun yliopistosta 5.12. klo 18.30 Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa. Hänen aiheenaan on Andromedan galaksin etäisyys.

Seppo Linnaluoto