universumin simuloidussa suuren mittakaavan rakenteessa näkyy monimutkaisia ryhmittelykuvioita… älä koskaan toista. Mutta meidän näkökulmastamme voimme nähdä vain äärellisen määrän maailmankaikkeutta. Mitä tämän reunan takana on?
V. Springel et al., MPA Garching ja Milleniumsimulaatio
13,8 miljardia vuotta sitten, maailmankaikkeus sellaisena kuin sen tunnemme sai alkunsa kuumasta Alkuräjähdyksestä. Sinä aikana avaruus itse on laajentunut, aine on käynyt läpi gravitaatiovoiman, ja tuloksena on maailmankaikkeus, jonka näemme tänään. Mutta niin laaja kuin se kaikki onkin, sillä on rajansa. Tietyn etäisyyden päässä galaksit katoavat, tähdet tuikkivat ulos, eikä kaukaisesta maailmankaikkeudesta voi nähdä signaaleja. Mitä sen takana on? Se on tämän viikon kysymys Dan Newmanilta, joka kysyy:
Jos kaikkeus on tilavuudeltaan äärellinen, niin onko siinä raja? Onko se helposti lähestyttävä? Ja millainen näkymä siihen suuntaan voisi olla?
aloitetaan aloittamalla nykyisestä paikastamme, ja katsotaan mahdollisimman kauas kaukaisuuteen.
lähellä näkemämme tähdet ja galaksit näyttävät hyvin paljon omiltamme. Mutta kun katsomme kauemmas, me… näe maailmankaikkeus sellaisena kuin se oli kaukaisessa menneisyydessä: vähemmän jäsentynyt, kuumempi, nuorempi ja vähemmän kehittynyt.
NASA, ESA ja A. Feild (STScI)
omalla takapihallamme maailmankaikkeus on täynnä tähtiä. Mutta jos menet yli 100 000 valovuoden päähän, olet jättänyt Linnunradan taaksesi. Sen takana on Galaksien meri: ehkä kaksi biljoonaa yhteensä, jotka sisältyvät havaittavaan universumiimme. Ne tulevat hyvin erilaisia tyyppejä, muotoja, kokoja ja massoja. Mutta kun katsot taaksepäin kaukaisempiin galakseihin, huomaat jotain epätavallista: mitä kauempana galaksi on, sitä todennäköisemmin se on pienempi, pienempi massaltaan ja sen tähdet ovat luonnostaan sinisempiä kuin lähekkäin olevat tähdet.
miten galaksit näyttävät erilaisilta maailmankaikkeuden historian eri kohdissa: pienemmiltä, sinisemmiltä,… nuorempana ja vähemmän kehittyneenä aikaisempina aikoina.
NASA, ESA, P. van Dokkum (Yalen yliopisto), S. Patel (Leidenin yliopisto) ja 3D-HST-ryhmä
tämä käy järkeen universumissa, jolla oli alku: syntymäpäivä. Alkuräjähdys oli se päivä, jolloin tuntemamme universumi syntyi. Suhteellisen lähellä olevaksi galaksiksi se on suunnilleen samanikäinen kuin me. Mutta kun katsomme galaksia, joka on miljardien valovuosien päässä, tuon valon on täytynyt kulkea miljardeja vuosia saavuttaakseen silmämme. Galaksin, jonka valolta kestää 13 miljardia vuotta saavuttaa meidät, täytyy olla alle miljardi vuotta vanha, joten mitä kauemmaksi katsomme, katsomme periaatteessa ajassa taaksepäin.
Hubble eXtreme Deep Fieldin täysi UV-näkyvä IR-komposiitti; suurin koskaan julkaistu kuva… kaukaisesta universumista.
NASA, ESA, H. Teplitz ja M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (stsci), R. Windhorst (Arizonan osavaltionyliopisto) ja Z. Levay (stsci)
yllä oleva kuva on Hubble eXtreme Deep Field (XDF), syvin kuva kaukaisesta universumista koskaan otettu. Kuvassa on tuhansia galakseja, jotka ovat valtavan kaukana meistä ja toisistaan. Yksinkertaisessa värissä ei kuitenkaan näe sitä, että jokaiseen galaksiin liittyy spektri, jossa kaasupilvet absorboivat valoa hyvin tietyillä aallonpituuksilla, perustuen atomin yksinkertaiseen fysiikkaan. Kun maailmankaikkeus laajenee, tuo aallonpituus venyy, joten kaukaisemmat galaksit näyttävät punaisemmilta kuin ne muuten olisivat. Fysiikan avulla voimme päätellä niiden etäisyyden, – ja kun osoitamme etäisyydet niille, – kaukaisimmat galaksit ovat kaikkein nuorimpia ja pienimpiä.
galaksien takana odotetaan olevan ensimmäiset tähdet, ja sitten vain neutraalia kaasua, kun maailmankaikkeus ei ollut ehtinyt vetää ainetta tarpeeksi tiheään tilaan, jotta se voisi muodostaa tähden. Miljoonia vuosia myöhemmin universumin säteily oli niin kuumaa, ettei neutraaleja atomeja voinut muodostua, mikä tarkoittaa, että fotonit kimposivat varatuista hiukkasista jatkuvasti. Kun neutraaleja atomeja muodostuu, tuon valon pitäisi yksinkertaisesti virrata suorassa linjassa ikuisesti, ilman että mikään muu kuin maailmankaikkeuden laajeneminen vaikuttaisi siihen. Tämän ylijääneen hehkun — kosmisen Mikroaaltotaustan-löytyminen yli 50 vuotta sitten oli lopullinen vahvistus Alkuräjähdykselle.
kaaviokuva maailmankaikkeuden historiasta, korostaen reionisaatiota. Ennen tähtiä tai galakseja… muodostuessaan maailmankaikkeus oli täynnä valoa salpaavia, neutraaleja atomeja. Vaikka suurin osa maailmankaikkeudesta reionisoituu vasta 550 miljoonaa vuotta myöhemmin, muutamat onnekkaat alueet ovat enimmäkseen reionisoituneet varhaisempina aikoina.
luotto: S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center
joten siitä, missä olemme tänään, voimme katsoa mihin suuntaan tahansa haluamme ja nähdä saman kosmisen tarinan kehittyvän. Tänään, 13,8 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, meillä on tänään tuntemamme tähdet ja galaksit. Aiemmin galaksit olivat pienempiä, sinisempiä, nuorempia ja vähemmän kehittyneitä. Sitä ennen oli ensimmäiset tähdet ja sitä ennen vain neutraalit atomit. Ennen neutraaleja atomeja oli ionisoitunut plasma, sitten vielä aikaisemmin oli vapaita protoneja ja neutroneja, aineen ja antimaterian spontaania muodostumista, vapaita kvarkkeja ja gluoneja, kaikkia standardimallin epävakaita hiukkasia ja lopulta itse alkuräjähdyksen hetki. Yhä suurempien etäisyyksien katsominen on sama kuin katsoisi aina ajassa taaksepäin.
taiteilijan logaritminen asteikko käsitys havaittavasta maailmankaikkeudesta. Galaksit väistyvät suuren mittakaavan tieltä… rakenne ja alkuräjähdyksen kuuma, tiheä plasma laitamilla. Tämä ’reuna’ on raja vain ajallisesti.
Wikipedian käyttäjä Pablo Carlos Budassi
vaikka tämä määrittelee havainnoitavan universumimme — alkuräjähdyksen teoreettisen rajan sijaitessa 46,1 miljardin valovuoden päässä nykyisestä sijainnistamme — tämä ei ole todellinen raja avaruudessa. Sen sijaan se on vain ajallinen raja; sillä mitä näemme, on rajansa, koska valonnopeus sallii informaation kulkea vain niin kauas kuuman alkuräjähdyksen jälkeisten 13,8 miljardin vuoden aikana. Se etäisyys on kauempana kuin 13.8 miljardia valovuotta, koska maailmankaikkeuden rakenne on laajentunut (ja laajenee edelleen), mutta se on edelleen rajallinen. Entä ennen alkuräjähdystä? Mitä näkisit, jos menisit aikaan vain sekunnin murto-osan aikaisemmin kuin silloin, kun maailmankaikkeus oli korkeimmillaan, kuuma ja tiheä ja täynnä ainetta, antimateriaa ja säteilyä?
inflaatio käynnisti kuuman alkuräjähdyksen ja synnytti havaittavan maailmankaikkeuden, johon meillä on pääsy. Että… inflaation aiheuttamat vaihtelut istuttivat siemenet, jotka kasvoivat nykyiseen rakenteeseemme.
Bock ym. (2006, astro-ph/0604101); E. Siegelin modifikaatiot
huomaisit, että oli olemassa tila nimeltä kosminen inflaatio: jossa maailmankaikkeus laajeni erittäin nopeasti ja jota hallitsi itse avaruudelle ominainen energia. Avaruus laajeni eksponentiaalisesti tänä aikana, missä se venyi tasaiseksi, missä sille annettiin samat ominaisuudet kaikkialla, missä kaikki olemassa olevat hiukkaset työnnettiin pois ja missä avaruudelle ominaisten kvanttikenttien vaihtelut ulottuivat koko universumiin. Kun inflaatio päättyi siihen, missä olemme, kuuma alkuräjähdys täytti maailmankaikkeuden aineella ja säteilyllä ja synnytti sen osan maailmankaikkeudesta — havaittavan maailmankaikkeuden — jonka näemme nykyään. 13,8 miljardia vuotta myöhemmin olemme tässä.
havainnoitavissa oleva kaikkeus voi olla 46 miljardia valovuotta kaikkiin suuntiin meidän näkökulmastamme,… mutta on varmasti enemmän, havaitsematon maailmankaikkeus, ehkä jopa ääretön määrä, aivan kuten meidän, sen tuolla puolen.
Frédéric MICHEL ja Andrew Z. Colvin, selityksenä E. Siegel
asia on niin, ettei sijainnissamme ole mitään erikoista, ei avaruudessa eikä ajassa. Se, että voimme nähdä 46 miljardin valovuoden päähän, ei tee tuosta rajasta tai paikasta mitään erityistä; se yksinkertaisesti merkitsee sen rajan, mitä voimme nähdä. Jos voisimme jotenkin ottaa ”tilannekuvan” koko maailmankaikkeudesta, joka menee paljon havaittavaa osaa pidemmälle, koska se on olemassa 13,8 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen kaikkialla, kaikki näyttäisi samalta kuin lähiuniversumissamme nykyään. Siellä olisi suuri kosminen verkosto galakseja, klustereita, rihmastoja ja kosmisia tyhjiöitä, jotka ulottuisivat kauas sen verrattain pienen alueen ulkopuolelle, jonka näemme. Jokainen tarkkailija, missä tahansa paikassa, näkisi universumin, joka on hyvin paljon samanlainen kuin se, jonka näemme omasta näkökulmastamme.
yksi kaikkeuden kaukaisimmista näköaloista esittelee lähitähtiä ja galakseja, jotka on nähty sen varrella… niin, mutta lähempänä ulkoalueita olevat galaksit nähdään yksinkertaisesti nuorempana, varhaisemmassa evoluution vaiheessa. Heidän näkökulmastaan he ovat 13.8 miljardia vuotta vanhoja (ja kehittyneempiä), ja me ilmestymme kuten teimme miljardeja vuosia sitten.
NASA, ESA, the GOODS Team ja M. Giavalisco (stsci/University of Massachusetts)
yksittäiset yksityiskohdat olisivat erilaisia, aivan kuten oman aurinkokuntamme, galaksimme, paikallisen ryhmän ja niin edelleen yksityiskohdat poikkeavat muiden tarkkailijoiden näkemyksistä. Mutta maailmankaikkeus itsessään ei ole äärellinen tilavuudeltaan; se on vain havaittavissa oleva osa, joka on äärellinen. Syy siihen on se, että ajassa on raja — alkuräjähdys — joka erottaa meidät muista. Voimme lähestyä tätä rajaa vain kaukoputkilla (jotka näyttävät maailmankaikkeuden varhaisemmilta ajoilta) ja teorian avulla. Kunnes keksimme, miten kiertää ajan kulkua eteenpäin, se on ainoa lähestymistapamme ymmärtää paremmin maailmankaikkeuden ”reunaa”. Mutta avaruudessa? Siinä ei ole särmää ollenkaan. Parhaan näkemämme mukaan joku näkisi meidät vain reunana!
lähetä Ask Ethan-kysymyksesi starttaamaan gmail dot comissa!