MAAILMANKAIKKEUDEN SYNTY

Transkriptio

1 MAAILMANKAIKKEUDEN SYNTY Maailmankaikkeuden synty selitetään nykyään ns. alkuräjähdysteorian ( Big Bang ) avulla. Alkuräjähdysteorian mukaan maailmankaikkeus syntyi tyhjästä tai lähes tyhjästä äärettömän tiheästä ja kuumasta tilasta (~ K), singulariteetista, kvanttifluktuaationa eli tyhjiöenergiana 13,82 miljardia vuotta sitten. Tässä räjähdyksessä syntyi sekä avaruus, materia ja aika sekä jatkuvasti laajeneva maailmankaikkeus. Kvanttifluktuaatio eli tyhjiöenergia on hiukkasten syntymistä tyhjiössä, kvanttiheilahteluja. Alkuräjähdys ei tapahtunut missään paikassa, vaan joka paikassa yhtä aikaa, koska avaruus ja aika saivat alkunsa alkuräjähdyksessä. Avaruus ei laajentunut eikä laajene mihinkään tyhjään tilaan eikä aikaa ennen alkuräjähdystä ole, koska avaruus ja aika sai syntynsä juuri alkuräjähdyksessä. Avaruuden laajenemista voidaan verrata ilmapallon puhallukseen, jossa pallopinta kuvaa laajenevaa avaruutta ja galaksit ovat ikään kuin täpliä laajenevan pallon pinnalla. Varsinaista laajenemiskeskusta ei siis ole, vaan jokaisen pisteen voi ajatella olevan laajenemisen keskus (ks. kuva 1.). Kuva 1. Ilmapallon puhalluksessa pallon laajeneva pinta kuvaa laajenevaa avaruutta. Jos ilmapallon pinta kuvaa maailmankaikkeutta, sen laajeneminen saa galaksit etäämmälle toisistaan. Yhtä laajenemiskeskusta ei ole, vaan jokaisen pisteen pallon pinnalla voi ajatella olevan laajenemisen keskus. Maailmankaikkeuden nopean laajenemisen (inflaatio) jälkeen avaruuden lämpötila on laskenut. Avaruuden laajetessa ja jäähtyessä kvarkeista, leptoneista sekä vuorovaikutusten kvanteista muodostui ytimiä ja atomeja. Laajenemisen edelleen jatkuessa ja avaruuden lämpötilan laskiessa muodostuivat viimein gravitaation vaikutuksesta tähdet ja galaksit. Alkuräjähdysteoria perustuu kahdelle pääoletukselle: 1) fysiikan lait ovat universaaleja, 2) kosmologinen periaate on voimassa eli maailmankaikkeus on suuressa mittakaavassa homogeeninen ja isotrooppinen.

2 Friedmann johti vuonna 1922 alkusingulariteetin sisältävän ratkaisun Einsteinin kenttäyhtälöistä. Lemaitre esitti idean alkuräjähdyksestä vuonna Hän ehdotti, että kosmos sai alkunsa alkuatomista. Varsinaisesti alkuräjähdysteorian muotoili Gamow 1940-luvulla yhdessä Alpherin ja Hermannin kanssa. Kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn olemassaolo pääteltiin ja se havaittiin vuonna 1965 (Penzias & Wilson). Hoylen pysyvän tilan teoria (universumi on ikuinen ja aina samanlainen) osoittautui tällöin paikkansapitämättömäksi. Penrose ja Hawking osoittivat singulariteetin sisältyvän aina suhteellisuusteoreettisen maailmankaikkeuden ratkaisuihin. Singulariteetti tarkoittaa universumin käyristymää yhdeksi pisteeksi, jossa kaikkia avaruus, aine ja aika ovat yhteen puristettuna. Fysiikassa ja varsinkin kvanttifysiikassa ei päde kansanuskomus ja sanonta: tyhjässä ei ole mitään ja tyhjästä on paha nyhjäistä. Tyhjiö ei ole tyhjää täynnä, vaan siinä on tyhjiöenergiaa (vaakuumienergiaa) ja tapahtuu kvanttiheilahteluja eli kvanttifluktuaatioita; todellisia hiukkasia syntyy ja häviää. Fysiikassa ei ole olemattomuutta, vaan kvanttifysikaalisessa tyhjiössä syntyy todellisia hiukkasia eläen hetken aikaa Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen: E t = h/4π mukaisesti. Hiukkaset tuhoavat toisensa muuttuen lopulta taas energiaksi. Kvanttifysikaalinen tyhjiö suorastaan kuplii hiukkasia! Se on hiukkasten kiehuva hornankattila. Energiakvantista voi syntyä hiukkanen ja antihiukkanen, jotka sitten annihiloituvat eli tuhoavat toisensa muuttuen takaisin energiaksi. Hiukkasfysiikka on osoittanut, että tyhjiö on täyttä, se jopa kuhisee aktiivisuutta aineen ja energian lähteenä. Tyhjiö on valtava varasto virtuaalihiukkasia, jotka odottavat esiin pääsyään, kuten Lawrence Kraus on todennut. Kosmologinen vakio (pimeä energia) on tyhjiöenergian nimitys yleisessä suhteellisuusteoriassa. Energiakvantista voi syntyä esimerkiksi elektroni ja positroni (parinmuodostus: γ e - + e + ), jota sitten taas hävittävät toisensa (annihilaatio: e - + e + 2 γ). Epätarkkuusperiaate sallii ns. kvanttilainanoton. Materiaa voi syntyä tyhjästä, jos energian lainaus E maksetaan takaisin epämääräisyysajan t puitteissa. Suurikin energianlainaus on siis mahdollista, jos lainaika on hyvin pieni! Koko universumi on siis voinut syntyä tyhjästä massaenergiapisteestä, jonka painovoimakentällä on ollut yhtä suuri määrä vastakkaista (negatiivista) energiaa. Maailmakaikkeuden synnyssä ja kehityksessä pätee energian säilymislaki: kokonaisenergia Ekok on aina vakio. Universumin kokonaisenergia alussa oli nolla ja joka hetki senkin jälkeen nolla: Ekok = 0. Näin siksi, että maailmankaikkeuden aineen määrä (~10 50 t) eli massaenergia on positiivista, mutta gravitaatioenergia on negatiivista. (Vrt. massaenergia on E = mc 2, gravitaatioenergia on Ep = -GmM/r). Siten maailmankaikkeuden kokonaisenergia on aina nolla ja kosminen inflaatio on laajentanut alkumassaenergian ( kuplan ) nykyään näkyväksi maailmankaikkeudeksi. Inflaatio tarkoittaa alussa (~10-35 s) tapahtunutta universumin valoa nopeampaa eksponentiaalista laajentumista jopa kertaiseksi! Inflaatioteorian kehitti vuonna 1980 Alan Guth. Alkuräjähdysteoriaan kuuluvalle inflaatioteorialle on löytynyt todisteita mm. kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn vaihteluista, alkuräjähdyksen kaiut (WMAP-satelliitin mittaukset 2006). Maailmankaikkeuden koko Inflatorinen laajentuminen s Aika alkuräjähdyksestä

3 Alkuräjähdysteoria on täysin sopusoinnussa nykyfysiikan kanssa. Energiasta muodostuu ainetta, jos energia on tarpeeksi keskittynyttä. Koska maailmankaikkeuden kokonaisenergia oli alussa nolla ja nytkin nolla, niin kyseessä on tyhjästä tyhjää-luonteinen syntytapahtuma (Paul Davies). Positiivinen energia muuttui aineeksi ja yhtä suuri määrä negatiivista energiaa sitoutui gravitaatiokenttään. Näin ollen kaikki universumimme kosminen aine syntyi aivan kuin ilmaiseksi. Minkä tahansa massakappaleen gravitaatioenergia on negatiivinen ja mitä tiheämpi kappale on sitä negatiivisempi gravitaatioenergia sillä on. Olettamusta yliluonnollisesta aineen syöttämisestä ajan alussa ei siis tarvita. Maailmankaikkeus syntyi tyhjästä luonnollisten fysikaalisten prosessien kautta. Alkuräjähdysteorialla on vankat todisteet. Niitä tarkastellaan lyhyesti alkuräjähdysteorian päävaiheiden jälkeen tässä kirjoitelmassa. Alkuräjähdyksen kaikua voi katsoa television lumisateessa, kuulla radion kohinassa tai maistaa juomalla vettä (veden vety on alkuräjähdyksen tuottamaa!). Aivan alkusingulariteetin äärioloissa aine on tuntemattomassa muodossa ja silloin eivät päde tunnetut fysiikan lait. Aivan alkuräjähdykseen alkuhetkeen ei voida siis päästä. Rajana siinä on ns. Planckin aika: s. Planckin aika on lyhin mahdollinen ajan hetki, ajan kvantti. Planckin aika on se ajanjakso, joka valolta kuluu Planckin pituuden 1, m mittaisen matkan kulkemiseen. Planckin pituus on lyhin mahdollinen matka fysiikassa. Rajan aiheuttaa suhteellisuusteoria ja Heisenbergin epämääräisyysperiaate. Sitä pienemmillä pituuksilla gravitaatiovoima alkaa kvantittua. Planckin skaaloissa yleinen suhteellisuusteoria ei päde ja aika sekä avaruus muuttuvat epämääräisiksi. Myös kausaliteetti eli syys-seuraus suhde rikkoutuu eikä voida enää sanoa tapahtumien järjestystä: mikä oli ennen ja mikä jälkeen. Planckin aikaskaalassa aika ei enää kuvaile universumia. Aikaa ei ollut olemassa ennen alkusingulariteettia, joten on järjetöntä kysyä, mitä oli ennen alkuräjähdystä? Kysymystä voidaan verrata mielettömään kysymykseen: mitä on maapallolla vielä pohjoisempana kuin pohjoisnapa? Koska aikaa ennen alkuräjähdystä ei ole olemassa, käsite ennen alkuräjähdystä ei merkitse mitään. Kvanttimekaniikan kuvaamassa atomia pienemmässä mittakaavassa tapahtuu spontaaneja ilmiöitä, joilla ei ole mitään ilmeistä syytä. Universumilla ei ole myöskään keskipistettä, vaan keskipiste on yhtä hyvin missä kohtaa tahansa (vrt. kopernikaaninen periaate). Alkuräjähdyksen fysiikkaa tutkivaa tieteenalaa on alettu nimittämään kvanttikosmologiaksi. Yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka eivät ole yhteensopivia teorioita. Niiden yhdistämiseksi kehitetään mm. kvanttigravitaatiota eli kvanttipainovoimateoriaa. Ns. kaiken teoria (TOE = Theory of Everything) puolestaan yhdistäisi kaikki neljä tunnettua fysiikan perusvuorovaikutusta sekä näin selittäisi kaikki ilmiöt. Säieteoriassa, jossa hiukkaset ajatellaan värähteleviksi säikeiksi, Planckin aika on pienin ajanhetki, joka voi olla olemassa. Näin maailmankaikkeudella ei ole mitään nollahetkeä, jolloin se olisi syntynyt. Täten alkusingulariteettiin liittyy oma epämääräisyys aika-avaruudessa. Joka tapauksessa suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka ovat romuttaneet absoluuttisen ajan ja paikan käsitteet sekä deterministisen kausaliteetin, syy-seuraus suhteen fysiikassa. Kaikille yhteistä absoluuttista aikaa ja paikkaa ei ole olemassa, vaan kullakin havaitsijalla on oma aikansa ja paikkansa, joka riippuu havaitsijan liiketilasta. Einstein yleisessä suhteellisuusteorian mukaisessa alkusingulariteetissa ei ole sitä enen mitään aikaa, mistä seuraa, että maailmankaikkeudella ei ole ajallistä syytäkään. Koska alkusingulariteetti ei sijainnut missään, ei myöskään mikään aineellinen voi olla sen syy. Kvanttimaailmassa ei ole siis mitään olemattomuutta ja tyhjää tyhjiötä, vaan sieltä voi pulpahtaa esiin hiukkasia ja vaikka alkusingulariteetti. Maailmankaikkeus vaikuttaa siten fysiikan kannalta itse olevansa itsensä syy tai mitään erityistä syytä sille ei ole eikä tarvita tai ehkäpä emme saa sitä koskaan tietää.

4 Lopuksi luonnon suuriksi perusperiaatteiksi voidaan tiivistää kaksi pääperiaatetta: energia säilyy ja entropia eli epäjärjestys kasvaa. Energian säilyminen pätee maailmankaikkeuden synnyssä ja kehityksessä, kuten todettiin aiemmin (Ekok = 0). Entropia eli epäjärjestys kasvaa koko ajan. Entropia tarkoittaa energian huononemisen lakia. Tämä on termofysiikan pääsääntö, joka pätee koko maailmankaikkeuteenkin. Painovoima vetää hiukkasia yhteen, lisää järjestystä ja vähentää entropiaa. Maailmankaikkeutta voidaan pitää eristettynä systeeminä. Siksi sen kokonaisentropia kasvaa jatkuvasti. Nykykäsityksen mukaan maailmankaikkeus laajenee kiihtyvällä vauhdilla, jolloin galaksit, tähdet ja viimein niiden atomit osasineen sekä lämpöenergia hajaantuvat yhä tasaisemmin avaruuteen. Täten maailmankaikkeus kulkee kohti suurinta mahdollista entropiaa. Koska maailmankaikkeuden ulkopuolella ei katsota olevan mitään, päädytään lopulta lämpökuolemaksi kutsuttuun tasapainotilaan, jossa ei voi enää tapahtua muutosta. Lämpökuolemassa maailmankaikkeus ei häviä, vaan kaikki energia on muuttunut lämmöksi. Lämpötilaerot ovat tasoittuneet. Lämmöstä ei saada työtä, koska ei ole lämpötilaeroa. Maailmankaikkeuden alkuvaiheen inflaatio (nopea laajeneminen) käynnisti kellon ja sai aikaan järjestyneen universumin. Tästä lähtien aika on kulkenut kohti epäjärjestystä eli entropian kasvua. Ainoastaan ulkoinen energia ja painovoima voi paikallisesti pienentää entropiaa. Näin esimerkiksi Aurinko voi vähentää säteilyenergiallaan entropiaa Maapallolla lisäämällä omaa entropiaansa. Maailmankaikkeuden lopullinen kohtalo on yhä kosmologian tutkimuksen kohteena ja uudet havainnot sekä laskelmat voi muuttaa teorioita. Astrofysiikan perusta nojautuu vahvasti hiukkasfysiikkaan ja aineen mikroarakenteeseen. Hiukkasfysiikka määrittää koko maailmankaikkeuden olemuksen. Pienin määrää suurimman. Maailmankaikkeuden makrorakenne (galaksit, tähdet, planeetat, ) määrittyy viime kädessä alkeishiukkasista ja niiden välisitä vuorovaikutuksista. Tutkimalla makrokosmosta (avaruutta) on tutkittava ja ymmärrettävä mikrokosmosta; alkeishiukkasia ja niiden rakennetta sekä vuorovaikutuksia. Tähdet ovat alkeishiukkasten lapsia! Astrofyysikon ja tähtitieteilijän tuokalu ei ole pelkästään kaukoputki, vaan tarvitaan myös modernia miukroskoopia, joka on hiukkaskiihdytin! Esimerkiksi CERNin LHC-kiihdyttimellä tutkitaan törmäyskokoeilla mm. pimeää energiaa ja mahdollisesti jopa avaruuden ulottuvuuksia. Tällöin ns. säieteoriatkin voisivat saada kokeellista vahvistusta. Alkuräjähdystä täydentäviksi tai korvaaviksi teorioiksi on esitetty mm. seuraavia teorioita: säieteoriat, braanin sisältävät teoriat, multiversumiteoriat ja kvanttigravitaatioteoriat. ( ALKURÄJÄHDYSTEORIAN PÄÄVAIHEET: Aikaväli-tapahtuma-kuvaus: 1) s Planckin aika: t = s, T = K, TOE ( Theory of Everything ) alkusingulariteetti laajenee

5 2) s alkuräjähdys alkaa gravitaatio erkanee muista perusvuorovaikutuksista, vahva vuorovaikutus erkanee sähköheikosta vuorovaikutuksesta fotonit, elektronit, positronit, neutriinot 3) s kosminen inflaatio (maailmankaikkeuden valoa nopeampi laajeneminen) homogeeninen ja isotrooppinen maailmankaikkeus aine on kvarkki-gluoniplasmaa; kvarkkien ja gluonien aika, Suuret yhtenäisteoriat; GUT ( Grand Unification Theory ) symmetriarikko: s (materia > antimateria) K, vapaat kvarkit, antikvarkit, neutriinot, antineutriinot (10-34 s) 4) s kvarkkiaikakausi ~10-11 s: sähkömagnetismi ja heikko vuorovaikutus erkanevat toisistaan (sähköheikko faasimuunnos), K vuorovaikutukset erillään (10-11 s ) osa alkeishiukkasista saa massan 5) s hadronien aikakausi, T > K, ~10-5 s: kvarkit sitoutuvat protoneiksi ja neutroneiksi (QCD faasimuutos) protonien ja neutronien (= hadroneja) synty 6) s leptonien aikakausi, T > K, elektronien synty parinmuodostus: fotoni elektroni-positroni (χ e - + e + ), annihilaatio (e - + e + 2χ) neutriinot kytkeytyivät irti reaktioista, neutriinoja nykyään ~ 600 kpl/cm 3 7) 1 s a säteilyn aikakausi, T = K, atomiytimien synty alkaa

6 protonit ja neutronit yhtyivät keveiksi atomiytimiksi (100 s, 10 9 K) vety (75 %), helium (24 %), litium (1 %) ja pysyviä deuterium-ytimiä syntyi (nukleosynteesi: 2 H, 3 He, 4 He, 7 Li); 200 s - vety ja helium ovat syntyneet alkuräjähdyksessä - raskaammat alkuaineet ovat syntyneet myöhemmissä prosesseissa tähtien sisällä (ydinfuusiot: Li Fe), supernovien räjähdyksissä (Ni U) [ ja ehkä galaksien ytimien suurienergisissä ilmiöissä] 8) a 10 6 a aineen aikakausi, säteilyn irtikytkeytyminen aineesta (rekombinaatio) elektronit liittyvät atomiytimiin (protoneihin) kevyet atomit (H, D, He) neutraalit atomit muodostuvat (~10 13 s) a, T = K, laajeneva ja jäähtyvä kaasu säteilyn fotonit kulkivat esteettä eteenpäin universumi tulee valolle näkyväksi (avaruus muuttui läpinäkyväksi) tänä hetkenä ( a) syntyneet fotonit havaitaan nykyään ns. kolmen kelvinin (2,73 K) kosmisena taustasäteilynä eli mikroaaltotaustasäteilynä (λ 1mm). kosminen taustasäteily tulee joka suunnasta yhtä voimakkaana pieniä lämpötilavaihteluja tiheyseroista johtuen galaksien siemeniä 9) 10 6 a 10 9 a tähtien aikakausi avaruus laajeni suurella nopeudella ja lämpötila laski edelleen, T = 18 K, 10 9 a alkoi 200 miljoonan vuoden pituinen pimeä aika vety ja helium kerääntyivät tiivistymiskeskuksiksi tiivistyminen saattoi alkaa avaruuden inflaatiovaiheessa syntyneiden ns. valuvikojen ympärille ( galaksien siemenet ) kosmisten seinämien ja jänteiden sisältämä energia aiheutti vetovoimallaan kaasupilvien kerääntymisen verkkomaisiksi rakenteiksi pilvistä syntyi galakseja ja galaksijoukkoja energiaseinämien ja jänteiden kohdille verkkomaisiksi rakenteiksi 400 miljoonan vuoden kuluttua alkuräjähdyksestä syntyivät tähdet, galaksit ja galaksijoukot, jolloin avaruus tuli jälleen valoisaksi galaksien keskustoihin syntyi jättiläismäisiä mustia aukkoja, joiden ympäristöt alkoivat loistaa kirkkaina kvasaareina

7 ensimmäiset tähdet koostuivat vain vedystä ja heliumista ja niitä mahdollisesti ympäröivät planeetat olivat neste- ja kaasupalloja kului useita miljardia vuosia ennen kuin tähtienvälinen aine oli rikastunut raskaammista alkuaineista ja maankaltaisten planeettojen synty tuli mahdolliseksi elämän synty saattoi alkaa ehkä vasta samoihin aikoihin, kun hiiliyhdisteitä oli tarpeeksi käytettävissä Aurinkokunta syntyi noin 4,6 miljardia vuotta sitten tähtienvälisestä aineesta, kaasusta ja pölystä tiivistymällä. Painovoiman vaikutuksesta tähtienvälinen aine alkoi hiljalleen kasaantua ja pyöriä keskipisteensä ympäri kuumentuen samalla. Kuumeneminen johtui kaasun putoamisliikkeen, pyörimisen ja pyörteisyyden aiheuttamasta kitkasta. Pilvi ylitti kriittisen massan, jolloin pyörimisen keskihakuvoima ja kaasun lämpöliike eivät pysäyttäneet kutistumista. ( maapallo syntyi noin 4,6 miljardia vuotta sitten tiivistymällä kaasu- ja pölypilvestä. 10) a nykyhetki avaruus laajeni suurella nopeudella ja lämpötila laski edelleen, nyt lämpötila T = 2,73 K aluksi maailmankaikkeuden laajeneminen hidastui, kun gravitaation vetovoima hillitsi pakenevan aineen liikettä. Vähitellen vetovoiman ote heikkeni, kun etäisyydet kasvoivat ja kosmologisen vakion poistovoima alkoi päästä voitolle. (ks. avaruuden laajeneminen vaihtui hidastuvasta kiihtyväksi noin 5 miljardia vuotta sitten nykyään maailmankaikkeuden synnystä on kulunut 13,82 miljardia vuotta ja avaruus laajenee yhä kiihtyvällä nopeudella (pimeän energian vaikutus!) homogeeninen ja isotrooppinen maailmankaikkeus kopernikaaninen periaate: universumissa ei ole olemassa etuoikeutettua havaintopaikkaa

8 ALKURÄJÄHDYSTEORIAN TODISTEET: - 1) galaksit etääntyvät toisistaan eli maailmankaikkeus laajenee (loittonemisnopeus v on suoraan verrannollinen spektrin punasiirtymään λ = λ-λo ja galaksin etäisyyteen r; v = ja = (Hubblen laki, H = ns. Hubblen vakio). - 2) 3 kelvinin (2,73 K) lämpötilaa vastaava kosminen mikroaaltotaustasäteily - 3) kosmisen taustasäteilyn lämpötilajakauma (λ max 1 mm) - 4) keveiden alkuaineiden runsaus: vedyn ja heliumin suhteelliset osuudet maailmankaikkeuden materiassa (3 : 1); vetyä 74 %, heliumia 24 % ja raskaampia alkuaineita noin 2 %. - 5) galaksien kehitys ja jakautuminen - 6) muita todisteita: maailmankaikkeuden ikä (arvio Hubblen lain ja kosmisen taustasäteilyn pohjalta, vastaa vanhempien tähtien ikää; pallomaiset tähtijoukot). Tutkimuskohteita: - horisontti-ongelma - laakeus- ja vanhuusongelma - magneettiset monopolit - baryoniepäsymmetria - pallomaisten tähtijoukkojen ikä - pimeä aine - pimeä energia

9 Maailmankaikkeuden tulevaisuus Maailmankaikkeuden kriittisellä tiheydellä tarkoitetaan kosmologiassa sitä avaruuden keskimääräistä tiheyttä, joka on juuri riittävä pysäyttämään alkuräjähdyksestä alkaneen maailmankaikkeuden laajenemisen (mikäli kosmologinen vakio olisi nolla). Kriittinen tiheys ρc riippuu ainoastaan kunkin ajankohdan laajenemisnopeudesta, H (= Hubblen vakio, yksikkö: km/s/mpc), sekä gravitaatiovakiosta G. Voidaan osoittaa, että maailmankaikkeuden keskimääräinen kriittinen tiheys on = = 9,7 10 (ks. Aleksander Friedmann ja Georges Lemaitre tutkivat Einsteinin kenttäyhtälöiden + = ( ratkaisuja, kun kosmologinen vakio Λ = 0. Tällöin ovat mahdollisia vain laajenevat tai supistuvat maailman mallit. Seuraavassa on yhteenveto maailmankaikkeuden malleista. Friedmannin maailmankaikkeuden mallit Malli Tilavuus Tiheys Geometria Kehitys suljettu malli äärellinen ρ > ρ c elliptinen laajeneminen maksimikokoon, supistuminen Einstein-de Sitter ääretön ρ = ρ c euklidinen ikuisesti laajeneva avoin malli ääretön ρ < ρ c hyperbolinen ikuisesti laajeneva Tapaus, jossa mekaaninen kokonaisenergia E = 0, vastaa ikuisesti laajenevaa euklidista Friedmannin mallia eli Einsteinin de Sitterin mallia. Mikäli tiheys on suurempi kuin kriittinen tiheys, ρ > ρc, kappaleen nopeus hidastuu lopulta nollaksi ja se putoaa takaisin ja koko pallo kutistuu kokoon. Kyseessä on Friedmannin äärellinen, suljettu malli. Jos maailmankaikkeuden tiheys on pienempi kuin kriittinen tiheys, ρ < ρc, niin maailmankaikkeus on ikuisesti laajeneva hyperbolinen avaruus. (ks. Tähtitieteen perusteet, 5. painos 2010, s ). Maailmankaikkeuden koko ρ < ρ c ρ = ρ c ρ > ρ c Aika

10 Maailmankaikkeuden geometria. Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ( mukaan avaruus on neliulotteinen, jossa on kolme paikkakoordinaattia ja neljäntenä ulottuvuutena on aika: (x, y, z, t). Massa ja energia saa Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan avaruuden kaareutumaan ja ajan hidastumaan. Myös suurilla nopeuksilla ajan kulku hidastuu. Maailmankaikkeuden geometria ja tulevaisuus riippuu maailmankaikkeuden keskitiheydestä. Jos maailmankaikkeuden keskitiheys on kriittistä tiheyttä suurempi, avaruus on positiivisesti kaareva. Tällaisen avaruuden kaksiulotteinen vastine on pallopinta, jolloin avaruuden tilavuus on äärellinen. Jos taas maailmankaikkeuden keskimääräinen tiheys on yhtä suuri kuin kriittinen tiheys, avaruus on laakea. Laakeaa avaruutta vastaa kaksiulotteisessa mallissa tasopinta. Avaruus on ääretön. Jos maailmankaikkeuden tiheys on pienempi kuin kriittinen tiheys, avaruus on negatiivisesti kaareva. Kaksiulotteisessa mallissa tätä vastaa satulapinta tai torvi, jolloin avaruus on ääretön. Kuva. Maailman kaikkeuden geometriset mallit; pallopinta, taso ja satulapinta Tähänastisten havaintojen perusteella maailmankaikkeuden keskimääräinen tiheys on kriittisen tiheyden suuruusluokkaa, joten maailmankaikkeus olisi näin ääretön. Galaksien ja galaksijoukkojen liikkeitä tutkimalla on kuitenkin havaittu, että suuri osa aineesta (25 %) on ns. pimeää ainetta, joka ei lähetä valoa. Näkyvää ainetta on vain noin 5 % ja loput 70 % on ns. pimeää energiaa. Planck-luotaimen vuosina tekemien mittausten mukaan maailmankaikkeuden koostumus olisi seuraava: pimeä aine muodostaa 26,8 % havaittavan maailmankaikkeuden massaenergiasta ja suurimman osan sen varsinaisesta aineesta. Pimeän energian osuus on 68,3 % ja tavallisen aineen osuus 4,9 %. Pimeän aineen olemassaolo voidaan havaita ainoastaan sen aiheuttaman gravitaatiovuorovaikutuksen johdosta galaksien liikkeissä. Pimeä energia puolestaan ilmenee tuntemattomana energiana, joka todennäköisesti saa aikaan maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen. Maailmankaikkeutta on mallinnettu myös ns. säieteorioilla ( joissa alkeishiukkasia tarkastellaan värähtelevinä säikeinä. Säieteorioissa avaruuden ulottuvuuksia voi olla 9-11 tai jopa enemmän. Toinen maailmankaikkeutta hahmottava teoria on ns. braaniteoria ( Maailmankaikkeuden tulevaisuus Maailmankaikkeuden oma gravitaatiovoima pyrkii hidastamaan avaruuden laajenemista. Universumin tuleva kohtalo riippuu maailmankaikkeuden kriittisestä tiheydestä ja siten massan määrästä. Jos maailmankaikkeuden keskimääräinen tiheys on suurempi kuin kriittinen tiheys (ρ > ρc), massaa on riittävän paljon ja gravitaatiovoima riittää pysäyttämään laajenemisen ja lopulta kääntämään sen supistumiseksi (avoin malli). Maksimikokonsa jälkeen miljardien ja taas miljardien vuosien kuluttua maailmankaikkeus siis alkaisi supistua ja viimein romahtaisi suuressa loppurysäyksessä. Galaksit alkaisivat tällöin syöksyä toisiaan kohti kiihtyvällä nopeudella. Lopulta maailmankaikkeus luhistuisi kasaan, tihenisi ja sen lämpötila nousisi yhä korkeammalle. Kaikki aine hajoaisi säteilyksi ja maailma loppuisi suureen loppurysäykseen. Maailmankaikkeus kävisi läpi samoja vaiheita, mutta päinvastaisessa järjestyksessä kuin syntyessään alkuräjähdyksessä. Tähdet ja atomit hajoaisivat kaasuksi ja lopussa, viimeisen sekunnin murto-osan aikana avaruus olisi täynnä hiukkas-säteilyseosta. Tätä tilaa ei nykyfysiikka hallitse. Kaikki avaruuden aine päätyisi lopulta tiheään alkutilaansa, singulariteettiin.

11 Mitä sitten tämän jälkeen tapahtuisi? Voisiko maailmakaikkeus välttää singulariteetin ja aloittaa uuden laajenemisen? Tapahtuisiko kenties uusi alkuräjähdys, laajeneminen ja jälleen supistuminen ( sykkivä universumi )? Onko maailmankaikkeuttamme kenties edeltänyt toinen maailmankaikkeus, joka olisi romahtanut kasaan? Supistuuko ja laajeneeko maailmankaikkeus vuorotellen? Syklinen universumi olisi siis maailmankaikkeus, joka vuoron perään syntyy ja laajenee ja sitten taas supistuu kasaan syntyäkseen jälleen uudelleen. Tällaista käsitystä nykykosmologiassa ei pidetä oikeana, koska kokeelliset havainnot eivät tue tätä mallia. Nykyisten havaintojen perusteella kuitenkin maailmankaikkeuden kohtalo olisi ikuinen laajeneminen, vieläpä kiihtyvällä vauhdilla. Jos maailmankaikkeuden keskimääräinen tiheys on pienempi tai yhtä suuri kuin kriittinen tiheys (ρ ρc), laajeneminen jatkuu ikuisesti, mutta hidastuen (avoin malli) Tähtien muodostuminen lakkaa, kun kaikki tähtienvälinen kaasu galakseissa on käytetty. Lopulta (10 11 vuotta) tähdet käyttävät kaikki ydinpolttoaineensa loppuun. Tähdillä on massasta riippuen neljä mahdollista päätepistettä: valkea kääpiö, neutronitähti, musta aukko tai räjähtäminen hajalle. Tähdet sammuvat ja hiipuvat valkoisiksi kääpiöiksi ja mustiksi kääpiöiksi. Lämpötila on laskenut noin kelviniin. Suurista tähdistä muodostuu lopulta neutronitähtiä ja mustia aukkoja. Viimein jäljellä on vain kuolleita tähtiä, neutronitähtiä ja mustia aukkoja. Galaksien hajotessa massa keskittyy mustiin aukkoihin. Galaksien keskustoihin syntyy kasvavia mustia aukkoja (10 27 vuotta), jotka galaksijoukkojen törmäillessä yhdistyvät ja laajenevat massiivisiksi mustiksi aukoiksi. Kvanttimekaanisia ilmiöitä alkaa tapahtua yhä enemmän. Mustat kääpiöt voivat luhistua neutronitähdiksi ja edelleen mustiksi aukoiksi tunneloitumisen kautta. Tunneloituminen on kvanttimekaaninen ilmiö, jossa hiukkanen voi tietyllä todennäköisyydellä läpäistä potentiaalivallin, jonka ylittämiseen sillä ei klassisen fysiikan mukaan olisi riittävästi energiaa. Viimein suunnattomien ajanjaksojen kuluttua kuolleet tähdetkin yhdistyisivät kasvaviin mustiin aukkoihin ja höyrystyisivät muuttuvat säteilyksi. Lopulta kaikki materia päätyy kasvaviin mustiin aukkoihin. Mahdollisesti protonitkin hajoavat, mikäli niillä on äärellinen elinikä (10 31 vuotta) ja jäljelle jää vain mustia aukkoja ja säteilyä. Mustat aukotkaan eivät ole ikuisia. Kvanttielektrodynamiikan mukaan ainetta voi tunneloitua tapahtumahorisontin ulkopuolelle; mustan aukon sanotaan höyrystyvän. Mustat aukot höyrystyvät säteilyksi ns. Hawkingin prosessilla suunnattomien ajanjaksojen kuluessa. Hawkingin prosessin nopeus on verrannollinen mustan aukon massaan. Mitä suurempi aukon massa on, sitä pienempi on sen höyrystymisnopeus. Galaksin massaiselle mustalle aukolle haihtumisaika voi olla luokkaa vuotta. Valtavan pitkän ajanjakson kuluttua (10 vuotta) kaikki mustat aukot ovat höyrystyneet ja kadonneet maailmankaikkeudesta. Tämän jälkeen on jäljellä vain pelkkää säteilyä. Maailmankaikkeuden lämpötila laskee lähelle absoluuttista nollapistettä (0 K = -273 o C). Universumin loppuvaiheessa entropia eli epäjärjestys kasvaa maksimiinsa ja seuraa ns. lämpökuolema. Kaikki aine on kadonnut maailmankaikkeudesta ja vallitsee ikuinen pimeys. Alati laajenevassa avaruudessa on väin jäljellä yhä kylmenevää säteilyä. Maailmankaikkeus on lopulta äärettömän laaja, pimeä, kylmä ja eloton universumi (ks. alla oleva kuva). Ajankäsite menettää merkityksensä. Kuva. Maailmankaikkeuden tulevaisuus: kaikki aine muuttuu säteilyksi, jonka aallonpituus kasvaa rajatta. Maailmankaikkeus laajenee ja kylmenee kohti absoluuttista nollapistettä 0 K = -273,15 o C. (Tähtitieteen perusteet, 5. painos 2010, s ).

12 Viimeisimmät havainnot ja teoreettiset laskelmat tukevat maailmankaikkeuden jatkuvan laajenemisen mallia. Laajeneminen tapahtuu kiihtyvällä nopeudella. Tieteen menetelmä on objektiivinen, julkinen ja itseään korjaava. Uudet havainnot ja teoreettiset tulokset tuovat jatkuvasti lisätietoa maailmankaikkeuden rakenteeseen, syntyyn ja kehitykseen. Kosmologia on jatkuvasti kehittyvä tieteen ala ja uudet havainnot ja laskelmat voivat vielä muuttaa suurestikin käsityksiämme maailmankaikkeuden tulevaisuudesta. Maailmankaikkeuden tulevaisuus/yhteenveto: - avoin malli; maailmankaikkeuden tiheys on pienempi kuin ns. kriittinen tiheys; ρ < ρc - hyperbolinen, kiihtyvällä vauhdilla ikuisesti laajeneva maailmankaikkeus - avaruus laajenee kiihtyvällä vauhdilla ja sen lämpötila laskee - tähtien ydinpolttoaine loppuu tähdet sammuvat - tähtien kehityksellä on neljä mahdollista päätepistettä: valkoinen kääpiö, neutronitähti tai räjähtäminen hajalle kuolleita tähtiä, neutronitähtiä ja mustia aukkoja - galaksit hajoavat, galaksijoukot törmäilevät toisiinsa a syntyy massiivisia mustia aukkoja - mahdollisesti protonitkin hajoavat ja kaikki materia päätyy kasvaviin mustiin aukkoihin - mustat aukotkaan eivät ole ikuisia, vaan höyrystyvät, ns. Hawkingin säteilynä - lopulta kaikki mustatkin aukot ovat höyrystyneet ja jäljelle jää vain kylmenevää säteilyä - maailmankaikkeuden lämpötila laskee lähelle absoluuttista nollapistettä 0 K = -273,15 o C. - kaikki maailmankaikkeuden aine on muuttunut yhä kylmeneväksi säteilyksi - maailmankaikkeus on lopulta äärettömän laaja, pimeä, kylmä ja eloton universumi - ajankäsite on menettänyt merkityksensä.