kesti aika paljon yli seitsemän päivää luoda maailmankaikkeus sellaisena kuin me sen nykyään tunnemme. SPACE.com tarkastellaan kahdeksanosaisessa sarjassamme taivaan mysteereitä: historia & kosmoksen tulevaisuus. Tämä on sarjan 5. osa.

universumimme syntyi noin 13,7 miljardia vuotta sitten valtavassa laajenemisessa, joka räjäytti avaruuden ilmaan kuin jättimäisen ilmapallon.

tuo on pähkinänkuoressa Alkuräjähdysteoria, jota käytännössä kaikki kosmologit ja teoreettiset fyysikot kannattavat. Ajatusta tukeva näyttö on laaja ja vakuuttava. Tiedämme esimerkiksi, että maailmankaikkeus laajenee yhä, yhä kiihtyvällä vauhdilla.

tutkijat ovat myös löytäneet Alkuräjähdyksestä ennustetun lämpöjäljen, maailmankaikkeuden läpäisevän kosmisen taustasäteilyn. Emme näe 13,7 miljardia vuotta vanhempia esineitä, – mikä viittaa siihen, että universumimme syntyi noihin aikoihin.

”kaikki nämä asiat asettivat alkuräjähdyksen äärimmäisen vahvalle perustalle”, sanoi astrofyysikko Alex Filippenko Kalifornian yliopistosta Berkeleystä. ”Alkuräjähdys on valtavan onnistunut teoria.”

Joten mitä tämä teoria opettaa meille? Mitä todellisuudessa tapahtui kaikkeuden syntyessä, ja miten se sai nykyisen muotonsa?

alku

perinteinen Alkuräjähdysteoria esittää, että maailmankaikkeus sai alkunsa singulariteetista — äärettömän tiheästä ja lämpötilaisesta pisteestä, jonka luonnetta mielemme on vaikea käsittää. Tutkijoiden mukaan tämä ei kuitenkaan välttämättä vastaa todellisuutta tarkasti, koska singulariteettiajatus perustuu Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan.

”ongelma on, että siinä järjestelmässä ei ole mitään syytä uskoa yleiseen suhteellisuusteoriaan”, sanoi Caltechin teoreettinen fyysikko Sean Carroll. ”Se tulee olemaan väärin, koska se ei ota huomioon kvanttimekaniikkaa. Kvanttimekaniikka tulee olemaan tärkeää, kun pääset siihen paikkaan universumin historiassa.”

joten maailmankaikkeuden alku pysyy melko hämäränä. Tutkijat uskovat, että he voivat poimia tarinan noin 10 — miinus 36 sekuntia — yksi biljoonasosa biljoonasosasekunnin-alkuräjähdyksen jälkeen.

he uskovat, että maailmankaikkeus koki tuossa vaiheessa äärimmäisen lyhyen ja dramaattisen inflaatiokauden, joka laajeni valonnopeutta nopeammin. Se kaksinkertaistui kooltaan ehkä 100 kertaa tai enemmän, kaikki muutaman pienen sekunnin murto-osan sisällä.

(inflaatio saattaa näyttää rikkovan erityisen suhteellisuusteorian teoriaa, mutta näin ei ole, tutkijat sanovat. Erityisen suhteellisuusteorian mukaan mikään tieto tai aine ei voi kulkeutua kahden pisteen välillä avaruudessa valonnopeutta nopeammin. Mutta inflaatio oli avaruuden itsensä laajentamista.)

”inflaatio oli alkuräjähdyksen ’pamaus'”, Filippenko kertoi SPACE.com ” ennen inflaatiota, siellä oli vain vähän tavaraa, hyvin mahdollisesti, laajenee vain hieman. Tarvitsimme jotain inflaation kaltaista tehdäksemme universumista suuren.”

Tämä nopeasti laajeneva maailmankaikkeus oli aika lailla tyhjä aineesta, mutta se kantoi valtavia määriä pimeää energiaa, teoria kuuluu. Pimeä energia on mystinen voima, jonka tutkijat uskovat ajavan maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista.

inflaation aikana pimeä energia sai maailmankaikkeuden tasoittumaan ja kiihtymään. Mutta se ei jäänyt kauaksi aikaa.

”se oli vain väliaikaista pimeää energiaa”, Carroll kertoi SPACE.com. ” se muuttui tavalliseksi aineeksi ja säteilyksi uudelleenlämmityksen avulla. Universumi muuttui kylmästä inflaation aikana kuumaksi, kun kaikki pimeä energia katosi.”

tutkijat eivät tiedä, mikä olisi voinut kiihdyttää inflaatiota. Se on edelleen yksi avainkysymyksistä alkuräjähdyksen kosmologiassa, Filippenko sanoi.

toinen ajatus

useimmat kosmologit pitävät inflaatiota johtavana teoriana kaikkeuden ominaisuuksien selittämisessä — erityisesti siksi, miksi se on suhteellisen tasainen ja homogeeninen, ja suurin piirtein saman verran tavaraa on levittäytynyt tasaisesti kaikkiin suuntiin.

erilaiset todistusaineistot viittaavat siihen, että inflaatio on todellisuutta, sanoi teoreettinen fyysikko Andy Albrecht Kalifornian yliopistosta Davisista.

”ne kaikki sopivat aika hyvin yhteen inflaatiokuvan kanssa”, sanoi Albrecht, yksi inflaatioteorian arkkitehdeista. ”Inflaatio on edistynyt uskomattoman hyvin.”

inflaatio ei kuitenkaan ole ainoa ajatus, joka yrittää selittää maailmankaikkeuden rakennetta. Teoreetikot ovat keksineet toisen, niin sanotun syklisen mallin, joka perustuu varhaisempaan käsitteeseen nimeltä ekpyroottinen kaikkeus.

tämän käsityksen mukaan maailmankaikkeus ei syntynyt yhdestä pisteestä tai mistään sen kaltaisesta. Sen sijaan se ”pomppasi” laajenemaan — paljon rauhallisempaan tahtiin kuin inflaatioteoria ennustaa — olemassa olevasta maailmankaikkeudesta, joka oli supistunut. Jos tämä teoria pitää paikkansa, maailmankaikkeudessamme on todennäköisesti tapahtunut loputon sarja ”pamauksia” ja ” rutistuksia.”

”universumimme alku olisi ollut mukava ja rajallinen”, sanoi Burt Ovrut Pennsylvanian yliopistosta, joka on yksi ekpyroottisen teorian alkuunpanijoista.

syklisen mallin mukaan maailmankaikkeus koostuu 11 ulottuvuudesta, joista voimme havaita vain neljä (kolme avaruudesta ja yksi ajasta). Meidän neliulotteinen osa maailmankaikkeudesta on nimeltään braani (lyhenne sanoista membrane).

siellä voisi olla muitakin braaneja, jotka vaanivat tuolla 11-ulotteisessa avaruudessa, ajatus kuuluu. Kahden braanin törmäys olisi voinut järkyttää universumin supistumisesta laajenemiseen ja kiihdyttää alkuräjähdystä, josta näemme todisteita.

etsiessään gravitaatioaaltoja

pian tutkijat saattavat tietää varmasti, kumpi teoria — inflaatio vai syklinen malli — kuvaa todellisuutta paremmin.

esimerkiksi inflaatio tuottaisi todennäköisesti paljon voimakkaampia gravitaatioaaltoja kuin ekpyroottinen ”pomppu”, Filippenko sanoi. Tutkijat etsivät siis merkkejä näistä aika-avaruuden teoreettisista vääristymistä, joita ei ole vielä havaittu.

vuonna 2009 laukaistu Euroopan avaruusjärjestön Planck-satelliitti saattaa löytää vaikeasti lähestyttäviä gravitaatioaaltoja. Se voi myös kerätä muita todisteita, jotka voivat kallistua vaa ’ alle kummin päin tahansa, Ovrut sanoi.

”nämä ovat asioita, joista seuraavan 10 vuoden aikana keskustellaan ja toivottavasti päätetään”, Ovrut kertoi SPACE.com.

tuntemamme kaikkeus muotoutuu

Kosmologit epäilevät, että maailmankaikkeutta hallitsevat neljä voimaa — gravitaatio, sähkömagnetismi ja heikot ja vahvat ydinvoimat — yhdistyivät yhdeksi voimaksi maailmankaikkeuden syntyessä ja litistyivät yhteen siihen liittyvien äärimmäisten lämpötilojen ja tiheyksien vuoksi.

asiat kuitenkin muuttuivat, kun maailmankaikkeus laajeni ja viileni. Inflaation aikoihin voimakas voima todennäköisesti erkani. Noin 10 biljoonasosasekuntia alkuräjähdyksen jälkeen-sähkömagneettiset ja heikot voimat erottuivat toisistaan.

heti inflaation jälkeen kaikkeus oli todennäköisesti täynnä kuumaa, tiheää plasmaa. Mutta noin 1 mikrosekunti (10 miinus 6 sekuntia) tai niin, se oli jäähtynyt tarpeeksi, jotta ensimmäiset protonit ja neutronit voivat muodostua, tutkijat ajattelevat.

ensimmäisten kolmen minuutin aikana alkuräjähdyksen jälkeen nämä protonit ja neutronit alkoivat fuusioitua muodostaen deuteriumia (tunnetaan myös nimellä raskas vety). Tämän jälkeen deuteriumatomit liittyivät toisiinsa muodostaen helium-4: ää.

rekombinaatio: maailmankaikkeus muuttuu läpinäkyväksi

nämä vasta syntyneet atomit olivat kaikki positiivisesti varautuneita, koska maailmankaikkeus oli vielä liian kuuma suosimaan elektronien kaappaamista.

, mutta se muuttui noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Rekombinaationa tunnetussa ajassa vety-ja heliumionit alkoivat napsia elektroneja muodostaen sähköisesti neutraaleja atomeja. Valo siroaa merkittävästi vapaista elektroneista ja protoneista, mutta paljon vähemmän neutraaleista atomeista. Fotonit olivat siis nyt paljon vapaampia risteilemään maailmankaikkeuden läpi.

rekombinaatio muutti dramaattisesti maailmankaikkeuden ilmettä; se oli ollut läpinäkymätön sumu, ja nyt siitä tuli läpinäkyvä. Nykyään havaitsemamme kosminen taustasäteily on peräisin tältä aikakaudelta.

mutta silti maailmankaikkeus oli rekombinaation jälkeen pitkään melko pimeä ja syttyi toden teolla vasta, kun ensimmäiset tähdet alkoivat loistaa noin 300 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Ne auttoivat kumoamaan suuren osan siitä, mitä rekombinaatio oli saanut aikaan. Nämä varhaiset tähdet — ja ehkä jotkin muut salaperäiset lähteet-lähettivät niin paljon säteilyä, että suurin osa kaikkeuden vedystä jakautui takaisin sen protoneihin ja elektroneihin.

Tämä reionisaatioksi kutsuttu prosessi näyttää edenneen noin miljardi vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Maailmankaikkeus ei ole nykyään läpinäkymätön, kuten se oli ennen rekombinaatiota, koska se on laajentunut niin paljon. Maailmankaikkeuden aine on hyvin laimeaa, ja fotonien sirontavuorovaikutukset ovat siten suhteellisen harvinaisia, tutkijat sanovat.

ajan myötä tähdet gravitoituivat yhteen muodostaen galakseja, mikä johti yhä laajempaan rakenteeseen maailmankaikkeudessa. Planeetat yhdistyivät uusien tähtien ympärille, mukaan lukien oman aurinkomme. 3,8 miljardia vuotta sitten elämä juurtui maahan.

ennen alkuräjähdystä?

vaikka suuri osa maailmankaikkeuden ensimmäisistä hetkistä jää spekulatiiviseksi, kysymys siitä, mikä edelsi alkuräjähdystä, on vielä arvoituksellisempi ja vaikeasti ratkaistava.

alkajaisiksi kysymys itsessään saattaa olla järjetön. Jos maailmankaikkeus syntyi tyhjästä, kuten jotkut teoreetikot uskovat, alkuräjähdys merkitsee hetkeä, jolloin aika itse alkoi. Siinä tapauksessa ei olisi sellaista asiaa kuin ”ennen”, Carroll sanoi.

mutta jotkin käsitykset maailmankaikkeuden synnystä voivat esittää mahdollisia vastauksia. Esimerkiksi syklinen malli viittaa siihen, että supistuva maailmankaikkeus edelsi laajenevaa maailmankaikkeuttamme. Carrollkin osaa kuvitella jotain ennen alkuräjähdystä.

”se saattoi olla vain tyhjää avaruutta, joka oli olemassa ennen Alkuräjähdystämme, sitten jokin kvanttivaihtelu synnytti meidän kaltaisen maailmankaikkeuden”, hän sanoi. ”Voitte kuvitella pienen avaruuskuplan, joka nipistyy pois vaihtelun kautta ja täyttyy vain pienellä hiukkasella energiaa, joka voi sitten kasvaa Universumiksi, jonka näemme inflaation läpi.”

Filippenko epäilee myös, että jotain sen suuntaista saattaa olla totta.

”luulen, että aika maailmankaikkeudessamme alkoi Alkuräjähdyksestä, mutta mielestäni olimme ailahtelua edeltäjästä, Äiti-universumista”, Filippenko sanoi.

will we ever know?

Kosmologit ja fyysikot hiovat ahkerasti teorioitaan ja tuovat maailmankaikkeuden varhaisimmat hetket yhä terävämpään fokukseen. Mutta saavatko he koskaan todella tietää, mitä Alkuräjähdyksessä tapahtui?

se on pelottava haaste, varsinkin kun tutkijat työskentelevät 13,7 miljardin vuoden poistolla. Mutta älä laske tiedettä pois, Carroll sanoi. Loppujen lopuksi 100 vuotta sitten ihmiset ymmärsivät hyvin vähän maailmankaikkeudesta. Emme tienneet esimerkiksi yleisestä suhteellisuusteoriasta tai kvanttimekaniikasta. Emme tienneet maailmankaikkeuden laajenemisesta emmekä Alkuräjähdyksestä.

”tiedämme kaikki nämä asiat nyt”, Carroll sanoi. ”Edistysvauhti on itse asiassa hämmästyttävän nopea, joten en koskaan antaisi periksi pessimismille. Kosmologian ja fysiikan lähihistoriassa ei ole mitään syytä olla pessimistinen alkuräjähdyksen ymmärtämisen suhteen.”

Albrecht ilmaisi samanlaista optimismia sanoen, että saatamme jonain päivänä jopa selvittää, mitä, jos mitään, oli olemassa ennen alkuräjähdystä.

”perustan toivoni siihen, että kosmologia on ollut niin menestyksekästä”, hän kertoi SPACE.com. ” näyttää siltä, että luonto on lähettänyt meille selkeän viestin siitä, että voimme todella tehdä tiedettä maailmankaikkeuden kanssa.”

voit seurata SPACE.com vanhempi kirjoittaja Mike Wall Twitterissä: @michaeldwall. Seuraa SPACE.com avaruustieteen ja-tutkimusmatkailun tuoreimmat uutiset Twitterissä @Spacedotcom ja Facebook.