Maailmankaikkeus

Maailmankaikkeus (, ) eli universumi tarkoittaa avaruutta ja siinä olevaa ainetta tai todellisuutta, kaikkeutta, olevaista. Maailmankaikkeus käsittää kaiken sen, mitä voidaan tutkia tieteellisin, lähinnä fysiikan menetelmin. Tähtitieteessä tätä havaintojen piirissä olevaa osaa luonnosta nimitetään joskus metagalaksiksi, arkikielessä avaruudeksi. Kaikkeuden syntyä, rakennetta ja kehitystä tutkii kosmologia.

Nykyinen käsitys maailmankaikkeuden alusta on alkuräjähdysteoria. Teorian mukaan maailmankaikkeus syntyi äärimmäisen tiheästä ja kuumasta tilasta noin 13,7 miljardia vuotta (13,7 Ga) sitten ja on siitä lähtien laajentunut jatkuvasti. Mittaukset ovat vahvistaneet tätä teoriaa. Maailmankaikkeuden lopullisesta kohtalosta ei olla toistaiseksi päästy varmuuteen.

Tutkimuksen historiaa

Varhain julkaistut tieteelliset teoriat pitivät aurinkokuntaamme maailmankaikkeuden keskuksena. Sen jälkeen kun kaukoputket keksittiin, vakiintui käsitys, että tähdetonon ovat Aurinko verrattavia taivaankappaleita, ja vähä vähältä selkeni myös näkemys Linnunradasta ja muista tähtijärjestelmistä eli galakseista. Suurin osa galakseista on ryhmittynyt galaksijoukoiksi, jotka puolestaan muodostavat superjoukkoja. Newtonin fysiikan mukaan kaikkeuden ajateltiin olevan äärettömässä euklidisessa avaruudessa sijaitseva järjestelmä, jonka massapisteet (galaksit tai galaksijoukot) vaikuttavat toisiinsa vetovoimalain mukaisesti. Galakseilla on havaittu spektriviivojen punasiirtymäksiä, joka tulkitaan etääntyvän liikkeen aiheuttamaksi Dopplerin ilmiö, joten on tulkittu että avaruus laajenee.

Suhteellisuusteoria ja alkuräjähdysteoria

Suhteellisuusteoria on ollut perustana sekä ajallisesti muuttumattomille (staattisille) että muuttuville kaikkeuden malleille, joista yleisimmin hyväksytyn niin sanotun standardimallin mukaan kaikkeus on tilavuudeltaan äärellinen, geometriselta rakenteeltaan kaareva, pistemäisestä alkutilasta alkuräjähdyksessä noin 13,7 miljardia vuotta sitten laajenemaan lähtenyt avaruus. Kosmisen taustasäteilyn löytymisen on katsottu tukevan standardimallin mukaista alkuräjähdysteoriaa.

Aine ja perusvoimat

Kaikkeuden aineesta arvioidaan noin 75 % olevan vetyiaä, 25 % helium ja alle 1 % muita alkuaineita. Vety ja helium muodostuivat jo kaikkeuden varhaisessa alkutilassa, mutta raskaammat alkuaineet rautaan saakka syntyvät tähtien sisäosien ydinreaktioissa, rautaa raskaammat alkuaineet supernovaräjähdyksissä. Jos kaikkeuden aineen keskimääräinen tiheys ylittää niin sanotun kriittisen tiheyden, noin 1,1 x 10^-26 kg/m³, avaruus on äärellinen ja ennen pitkää sen laajeneminen pysähtyy. Tähänastisten havaintojen mukaan aineen tiheys on vain muutama sadasosa kriittisestä, ja sen mukaan avaruus olisi ääretön. Ainetta saattaa kuitenkin olla näkymättömissä muodoissa, kuten mustina aukkoina tai neutriinosäteilynä.

Kaikkeuden alkuhetkien tutkimuksen kannalta ovat muodostuneet yhä tärkeämmiksi luonnon perusvoimat: sähkömagneettinen voima, heikkovoima, vahva- eli värivoima ja gravitaatio eli painovoima. Kaikkeuden ensimmäisten sekunnin murto-osien aikana olosuhteet olivat lämpötilan ja energiatiheyden kannalta sellaiset, että gravitaatiota lukuun ottamatta kaikki perusvoimat olivat yksi ja sama voima. Näitä kolmea perusvoimaa kuvaamaan on pyritty kehittämään niin sanottua suurta yhtenäisteoriaa, ja siksi tuota kaikkeuden varhaishistorian lyhyttä ajanjaksoa sanotaan suureksi yhtenäiskaudeksi.

Suuri yhtenäiskausi päättyi, kun kaikkeuden lämpötila laski alle 10²⁸ kelviniin. Tuolloin sähkömagneettinen voima, heikkovoima ja värivoima erottuivat toisistaan. Vapautunut valtava energia synnytti hiukkasten välille voimakkaan poistovoiman. Kaikkeus laajeni 10^-32 sekunnissa 10²⁰-kertaiseksi. Kun vapautunut energia oli muuttunut säteilyksi ja hiukkasiksi, lämpötila jälleen nousi ja kaikkeuden laajeneminen hidastui nykyiseksi, standardimallin mukaiseksi. Tämän inflatorisen laajenemisen seurauksena kaikkeus on moninkertaisesti suurempi kuin aikaisemmin on arveltu ja vain pieni osa siitä on havaintolaitteiden tavoitettavissa.

Suuren yhtenäiskauden päättyessä on kaikkeuteen voinut syntyä hyvin erikoisia rakenteita: pistemäisiä magneettisia monopoleja, yksiulotteisia kosmisia jänteitä ja kaksiulotteisia seinämiä. On mahdollista, että kaikkeuden varhaisvaiheissa jänteet olisivat hyvin massiivisina rakenteina kasanneet ympärilleen ainetta, josta myöhemmin syntyivät galaksit ja galaksijoukot. Sittemmin jänteet olisivat säteilleet valtavan massansa gravitaatioaaltoina avaruuteen ja kadonneet.

Kaikkeuden kiihtyvä laajeneminen

1990-luvun lopulla hyvin etäisten supernovien kirkkausmittaukset ja taustasäteilykartoitukset yllättäen viittasivat, että avaruuden laajeneminen ei hidastuisikaan vaan kiihtyisi. Aivan viime vuosina uudemmat luotain- (WMAP) ja galaksikartoitukset (SDSS) ovatkin vahvistaneet, että avaruus laajenee kiihtyvällä vauhdilla. Malleihin on pitänyt lisätä uusi käsite, pimeä energia, joka muodostaa peräti 70% koko maailmankaikkeuden massaenergiasta.

Eri käsityksiä

, Pariisi 1888. Väritys: Heikenwaelder Hugo, Wien 1998.]]

1. Kosmologi Andrei Lindén mielestä kaikkeuksia on useita ja ne silmikoituvat keskenään. Jokainen osa kypsyy omaksi kokonaisuudekseen.
2. Yhdysvaltalainen Lee Smolin olettaa, että mustat aukot luovat uusia kaikkeuksia, jotka ovat emätilaan yhteydessä madonreikien kautta.
3. Arthur C. Clarken yli 50 vuotta vanhaa ajatusta, että kaikkeudet ovat vain kuplia, pitävät nykyään mahdollisena useat tutkijat. Eri kuplissa olisivat eri luonnonlait, ja ulottuvuuksien ja aikojen määrä poikkeaisi omastamme.
4. COBE-satelliitin antamien tietojen perusteella jotkut tukijat ovat muodostaneet tietokoneilla satulan muotoisen kaikkeuden, joka jatkaa kasvuaan ikuisesti.
5. Professori Paul Steinhardt katsoo, että on olemassa viides ulottuvuus, jota emme aisti emmekä ymmärrä. Sen voima kuitenkin pitää nykyisen kaikkeuden toiminnassa eräänlaisen kalvomaisen ilmiön avulla.
6. Mustien aukkojen tutkimisen perusteella otaksutaan, että kaikkeus olisi kaksiulotteinen hologrammi, koska muuten tiedon häviämättömyyden teoriaa ei voida selittää.
7. Otaksutaan, että voisi olla lukemattomia kaikkeuksia vierekkäin, joissa on jokaisessa eri todellisuus ja mahdollisesti eri luonnonlait, mutta jossain saattaisi olla myös tämän kaikkeuden lähes täydellinen kopio ihmisineen päivineen ja ainoa tapa millä nämä voisivat vaikuttaa keskenään olisi gravitaatio.
8. Vuonna 2002 suomalainen Pekka Teerikorpi ja venäläinen Juri Baryshevilla julkaisivat kirjan Discovery of Cosmic Fractals. Kaikkeuden laajamittaisten alirakenteiden syntyä on tutkittu supertietokone. Mallit antavat fraktaalisia rakenteita alle 10 megaparsekin kokoluokassa.
9. Tähtitieteilijä Viktor Ambarzumjan esitti, että aineen pyrkii muodostamaan yhä uudenlaisia järjestelmiä, kun siirrytään pienemmistä järjestelmistä suurempiin. Ambarzumjanin mukaan voidaan kuvitella, että aine voi muodostaa äärettömän määrän erilaisia, sisäkkäisiä järjestelmiä, joista ihminen on toistaiseksi havainnut kvarkki ja havaitsemamme kaikkeuden väliset järjestelmät. Ambarzumjanin mukaan mikään ei estä ajattelemasta kaikkeutta äärettömäksi ja ikuiseksi. Ambarzumjanin mielestä havaitsemaamme osaa kaikkeudesta ei voida kutsua kaikkeudeksi, koska on täysin mahdollista, että havaitsemamme osa kaikkeutta on vain osa suurempaa järjestelmää, joka voi puolestaan olla osa suurempaa järjestelmää ja niin edelleen. Ambarzumjan varoitti tekemästä lähiympäristöämme koskevista havainnoista liian pitkälle meneviä johtopäätöksiä koko kaikkeuden suhteen. Havaitsemaamme kaikkeuden osaa Ambarzumjan kutsui metagalaksiksi. Aivan hyvin voi olla olemassa muita samanlaisia metagalakseja, jopa ääretön määrä.

Lähteet

Katso myös

• Alkuräjähdys
• Avaruus (tähtitiede)
• Kaikkeuden lopullinen kohtalo
• Kosmologia
• Multiversumi

Aiheesta muualla

• Seppo Linnaluoto: Nykyinen käsitys maailmankaikkeudesta (Ursa)
• Seppo Linnaluoto: Esitelmä maailmankaikkeudesta (Ursa)
• Helsingin kaupunginkirjaston tietopaketti maailmankaikkeudesta kirjasuosituksineen ja linkkeineen