Maailmankaikkeus eilen, tänään ja huomenna

Kirkkonummen Komeetta järjesti esitelmätilaisuuden, jossa dosentti Hannu Kurki-Suonio kertoi aiheesta Maailmankaikkeus eilen, tänään ja huomenna. Esitelmä oli Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa. Esitelmän rahoitti Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta. Esitelmää kuunteli noin 40 henkeä.

Esitelmässä kerrottiin maailmankaikkeuden nykyisestä rakenteesta ja maailmankaikkeuden historiasta alkuräjähdyksestä alkaen. Esitelmässä oli myös lyhyt katsaus maailmankaikkeuden odotettavissa olevaan tulevaisuuteen nykytiedon valossa.

Klikkaa kuvaa!
Dosentti Hannu Kurki-Suonio esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Seppo Linnaluoto.

Hannu Kurki-Suonio on teoreettisen fysiikan dosentti sekä kosmologian ja yleisen suhteellisuusteorian yliopistonlehtori Helsingin yliopiston Fysikaalisten tieteiden laitoksessa. Hän on väitellyt yleisen suhteellisuusteorian alalta Teksasin yliopistossa Austinissa ja tehnyt sen jälkeen kosmologian alan tutkimustyötä Drexel Universityssä Philadelphiassa, Kalifornian yliopiston Lawrence Livermore -laboratoriassa ja Helsingin yliopistossa. Tällä hetkellä hän on osallisena Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliittihankkeessa, missä on tarkoitus mitata varhaisesta maailmankaikkeudesta tuleva kosminen taustasäteily entistä tarkemmin ja näin saada lisätietoa maailmankaikeuden historiasta ja rakenteesta.

Maailmankaikkeus tänään

Esitelmöitsijä aloitti zoomaamalla työpaikastaan Helsingin yliopiston Kumpulan laitosten ilmakuvasta maapalloon ja siitäkin eteenpäin. Sen jälkeen hän esitti pienen katsauksen maailmankaikkeuden nykytilaan. Maailmankaikkeus laajenee, galaksit etääntyvät toisistaan. Galaksit itse eivät laajene, painovoima pitää ne koossa. Aine koostuu atomeista. Atomien osat taas ovat elektronit, protonit ja neutronit. Protonit ja neutronit taas koostuvat kvarkeista.

Klikkaa kuvaa!
Hannu Kurki-Suonion esitelmää kuunteli noin 40 henkeä. Kuva Seppo Linnaluoto.

Maailmankaikkeuden historia

Alussa oli hyvin kuumaa. Ei ollut vielä planeettoja, tähtiä tai galakseja. Avaruus oli täynnä hyvin tiheää ainetta, jota voisimme sanoa alkuplasmaksi. Laajeneminen oli hyvin nopeaa. Alkuplasma jäähtyi. Tätä prosessia sanomme alkuräjähdykseksi.

Alkuräjähdys tapahtui 14 miljardia vuotta sitten. Varhaisen maailmankaikkeuden täytti kuuma ja tiheä läpinäkymätön alkuplasma. Se muuttui kaasuksi, kun maailmankaikkeuden ikä oli 400 000 vuotta. Tällöin kaasu muuttui läpinäkyväksi. Kaasu alkoi kerääntyä tähdiksi ja galakseiksi.

Mitä oli sitten ennen alkuräjähdystä? Me emme tiedä. Siitä voi olla vain spekulaatioita. Ehkä ei mitään. On mahdollista, että aika ja avaruus syntyivät alkuräjähdyksessä.

Ensimmäisen sekunnin kuluttua alkuräjähdyksestä oli yli 10 miljardia astetta lämmintä. Ensimmäisen sekunnin aikana aine syntyi: kvarkit ja elektronit. Kvarkit muodostivat protoneja ja neutroneja.

Kolmen minuutin kuluttua alkuräjähdyksestä lämpötila oli miljardi astetta. Tällöin neutronit ja protonit alkoivat muodostaa atomiytimiä, nimittäin vetyä ja heliumia. Prosessi kesti muutaman minuutin. Kaikki muut atomit ovat muodostuneet paljon myöhemmin tähdissä.

Ensimmäisten 400 000 vuoden kuluessa alkuplasma oli läpinäkymätöntä. Se jäähtyi 3000 asteeseen ja muuttui läpinäkyväksi kaasuksi. Atomiytimet ja elektronit yhdistyivät neutraaleiksi atomeiksi.

Klikkaa kuvaa!

Tätä aikaa ennen tähtien syntyä voisimme kutsua maailmankaikkeuden pimeäksi ajaksi. Aluksi alkuplasma säteili punaista valoa. Miljoonan vuoden kuluttua alkuräjähdyksestä sätely muuttui näkymättömäksi infrapunasäteilyksi. Pimeä aika kesti satoja miljoonia vuosia. 10 miljoonan vuoden kuluttua alkuräjähdyksestä lämpötila oli 80 celsiusastetta ja 20 miljoonan vuoden kuluttua se oli jäähtynyt -50 asteeseen. Kaasutihentymät kerääntyivät kaasupilviksi. Kaasupilvissä syntyivät ensimmäiset tähdet ja pimeä aika päättyi.

Ensimmäisen sukupolven tähdet

Tähtien synnyssä oli käytettävissä vain vetyä ja heliumia, jotka ovat peräisin alkuräjähdyksestä. Ei voinut olla maan kaltaisia planeettoja, koska niihin tarvitaan raskaampia alkuaineita. Saatoi olla vain Jupiterin kaltaisia kaasuplaneettoja. Eikä tietenkään voinut olla minkäänlaista elämää.

Tähdet ovat suuria ydinreaktoreita ja ne valmistavat muita alkuaineita. Suurimmat tähdet palavat loppuun nopeasti ja räjähtävät supernovina, joka taas levittävät tehokaasti syntyneitä uusia alkuaineita ympäristöön. Niiden jäänteistä syntyy uusia tähtiä ja planeettoja.

Katsomme menneisyyteen

Valon nopeus on 300 000 km sekunnissa. Kun katsomme valovuoden päähän, katsomme samalla myös vuoden päähän menneisyyteen. Katsoessamme kauas, katsomme ajassa taaksepäin. Auringosta valo tulee 8 minuuttia, Andromedan galaksista se tulee 2 miljoonaa vuotta eli se on kahden miljoonan valovuoden päässä. Kaukaisimmista galakseista valo tulee miljardeja vuosia.

Klikkaa kuvaa!
Maailmankaikkeudessa on tähtiä ja tähtienvälistä ainetta. Kuvassa Plejadien eli Seulasten tähtijoukko.

Alkuplasmasta tulevan valon näemme kosmisena mikroaaltosäteilynä. Se ei näy paljain silmin.

Kosminen taustasäteily

Kosminen taustasäteily on 400 000 vuoden ikäisestä alkuplasmasta lähtenyttä lämpösäteilyä. Tällöin alkuplasma oli muuttumassa läpinäkyväksi kaasuksi ja sen lämpötila oli 3000 kelviniä. Lähtiessään säteily oli näkyvää punaista valoa, jonka aallonpituus oli noin 1/1000 mm. Sen jälkeen maailmankaikkeus on laajentunut 1100-kertaiseksi ja sen lämpötila on jäähtynyt 2,7 kelviniin. Säteilyn aallonpituus on nyt noin yksi mm ja se on mikroaaltoja. Se näyttää maailmankaikkeuden kaukaiset osat sellaisena kuin ne olivat 400 000 vuotta syntymänsä jälkeen. Nykyään mikroaaltotaustasäteilyä tulee suunnilleen yhtä paljon kaikkialta.

Rakenteen siemenet

Alkuplasma kerääntyi tähdiksi ja galakseiksi painovoiman vaikutuksesta. Jo alkuplasmassa oli oltava pieniä tiheysvaihteluita. Niitä on etsitty muun muassa tekokuilla. Tiheysvaihtelut löytyivät vuonna 1992 COBE-satelliitilla. WMAP-satelliitti mittasi ne tarkemmin vuonna 2003. Suunnitteilla on Euroopan avarrusjärjestön ESAn Planck-satelliitti, jonka on tarkoitus mitata taustasäteilyn tiheysvaihtelut entistäkin tarkemmin. Se on tarkoitus lähettää vuonna 2007.

Klikkaa kuvaa!
WMAP-satelliitin kuva kosmisen taustasäteilyn epätasaisuuksista. Kuva NASA.

Maailmankaikkeuden tulevaisuus

Maailmankaikkeus laajenee edelleen, muut galaksit etääntyvät meistä. Sensijaan galaksit eivät laajene, koska painovoima pitää ne koossa. Viime vuosina on huomattu sellainen kummallinen asia, että laajeneminen vieläpä kiihtyy! Noin 50 miljardin vuoden kuluttua emme voi nähdä enää muita galakseja. Satojen miljardien vuosien kuluttua kaikki tähdet ovat palaneet loppuun. Lopulta on jäljellä vain kylmä ja pimeä avaruus.

Aurinkokunnan tulevaisuus

Aurinko kuumenee vähitellen. Miljardin vuoden kuluttua maapallolla on liian kuumaa elämälle. Mikäli ihmisiä on vielä silloin, heidän on muutettava Marsiin.

Viiden miljardin vuoden kuluttua Auringon polttoaine alkaa loppua. Se paisuu ensin punaiseksi jättiläiseksi. Maa ja Mars tuhoutuvat. Mikäli ihmisiä olisi silloin vielä olemassa, heidän olisi muutettava toiseen aurinkokuntaan! Auringosta tulee valkoinen kääpiötähti, jota ympäröi kaasupilvi.

Seuraava Kirkkonummen Komeetan järjestämä esitelmätilaisuus on tiistaina 10.1. klo 18.30, jolloin dosentti Jouni Niskanen kertoo aiheesta Tähtien synty, elämä, kuolema ja ylösnousemus. Paikka on Kirkkonummen koulukeskuksen auditorio.

Seppo Linnaluoto