Alkuräjähdysteoria – maailmankaikkeuden alku selitetty
Alkuräjähdysteoria selitetty: miten 13,8 mrd vuotta sitten syntynyt kuuma singulaari loi atomit, tähdet ja galaksit — kosmologian ydin helposti ymmärrettävästi.
Alkuräjähdys on tieteellinen teoria siitä, miten maailmankaikkeus sai alkunsa, ja siitä syntyivät nykyiset tähdet ja galaksit. Tiedemiehet käyttävät alkuräjähdystä nimitystä yleisimmälle teorialle maailmankaikkeuden alkuvaiheista nykypäivään. Yleisimmin tarkasteltuja vaihtoehtoja kutsutaan nimillä Steady State -teoria ja plasmakosmologia, joiden molempien mukaan maailmankaikkeudella ei ole alkua eikä loppua. Alkuräjähdysteoria eroaa näistä siten, että siinä maailmankaikkeudella on alkuhetki ja siitä seuraava pitkä kehityskaari, jota havainnot pääosin tukevat.
Teorian mukaan maailmankaikkeus alkoi hyvin kuumana, pienenä ja tiheänä tilana, jossa kaikkia neljää perusvoimaa ei vielä erottunut nykyisellään (alustavaa tilaa kuvataan joskus singulaarisuutena). Sitten noin 13,8 miljardia vuotta sitten avaruus laajeni ja jäähdytti olosuhteita nopeasti — tästä ilmiöstä on saanut nimensä "alkuräjähdys". Laajeneminen käynnisti hiukkasten ja yksinkertaisten atomien muodostumisen, mikä myöhemmin johti tähtien ja galaksien syntyyn. Georges totesi ensimmäisenä (vuonna 1927), että laajeneva maailmankaikkeus voidaan jäljittää ajassa taaksepäin yksittäiseen alkupisteeseen; myöhemmin Edwin Hubblen havainnot punasiirtymästä vahvistivat maailmankaikkeuden laajenemisen käytännössä. Maailmankaikkeus laajenee edelleen, ja samalla sen keskimääräinen lämpötila laskee.
Todisteet ja havainnot
Alkuräjähdysteoriaa tukevat useat eri havainnot ja mittaukset:
- Galaksien punasiirtymät ja Hubblen laki: kaukaiset kohteet näyttävät liikkuvan poispäin, mikä viittaa laajenevaan avaruuteen.
- Kosminen mikroaaltotaustasäteily (CMB): tasainen, lähes kaikensuuntaisesti havaittu lämpösäteilyjäännös varhaisesta kuumasta vaiheesta, löydetty vuonna 1965 ja yksityiskohtaisesti mitattu myöhemmillä satelliiteilla.
- Alkeisalkujen synty (primordial nucleosynthesis): kevyiden alkuaineiden, kuten vedyn, deuteriumin ja heliumin, suhteet vastaavat alkuräjähdysmallin ennusteita.
- Suurten mittakaavojen rakenne ja kosmologiset anisotropiat: CMB:n pienet vaihtelut sekä galaksien jakauma sopivat yhteen teorian ja kosmisen inflaation laajennosten kanssa.
Inflaatio ja varhaiset vaiheet
Alkuräjähdysteoriaa täydentää inflaatiomalli, jonka mukaan universumi kävi läpi erittäin nopean, eksponentiaalisen laajenemisen aivan alkuhetken jälkeen. Inflaatio selittää muun muassa tasaisuuden (flatness) ja kosmisen näkymättömyyden (horizon) ongelmat sekä tuottaa pienet tiheyserot, joista myöhemmin muodostuivat galaksit. Inflaatio on edelleen aktiivinen tutkimuskohde, ja sen yksityiskohdat liittyvät voimakkaasti mahdolliseen fysiikkaan Planckin aika-asteella.
Aikajana — tärkeimmät vaiheet
- Planckin aika (t < 10^-43 s): kvanttikenttien ja gravitaation yhdistämisen alue; kuvaus ei ole vielä vakiintunut.
- Inflaatio (hyvin lyhyt aika varhaisessa universumissa): voimakas laajeneminen, joka tasoittaa avaruutta.
- Hadronien ja leptonien synty: hiukkaset muodostuvat kuumasta hiukkastilasta.
- Primordial nucleosynthesis (sekuntien–minuuttien aikana): kevyet alkuainet suhteet muodostuvat.
- Rekombinaatio (~380 000 vuotta): elektronit yhdistyvät protoneihin ja syntyy neutraaleja atomeja; CMB vapautuu.
- Tähtien ja galaksien muodostus (satoja miljoonia vuosia): ensimmäiset tähdet sytyttävät ja alkavat muokata ympäristöään.
- Nykyaika (~13,8 miljardia vuotta): laajeneva, osin jäähtynyt universumi, jossa on galakseja, tähtiä, planeettoja ja elämää tietyissä olosuhteissa.
Avoimet kysymykset
Vaikka alkuräjähdysteoria tarjoaa laajan ja hyvin testatun kehyksen, kosmologiassa on edelleen tärkeitä avoimia kysymyksiä:
- Mitä tapahtui "hetkellä nolla" tai Planckin aikaskaala — tarvitsemme kvanttigavitaation teoriaa kuvaamaan alkuperän tarkempaa luonnetta.
- Mitkä ovat pimeän aineen ja pimeän energian tarkat ominaisuudet, ja miten ne vaikuttavat maailmankaikkeuden kehitykseen?
- Onko inflaatio tarkka kuvaus varhaisesta laajenemisesta ja mikä on sen fysikaalinen mekanismi?
- Voiko olemassa olla muita universumeja (multiversumi) tai sellaisia ilmiöitä, jotka vaikuttavat havaintojemme tulkintaan?
Yhteenvetona: Alkuräjähdysteoria on nykyisin paras selitys maailmankaikkeuden alkuvaiheille ja kehitykselle, koska se yhdistää useita riippumattomia havaintoja yhdenmukaiseksi kuvaksi. Samalla se herättää uusia tieteellisiä kysymyksiä, joiden ratkaiseminen vaatii lisää teoreettista kehitystä ja tarkempia havaintoja.
Alkuräjähdysmallin mukaan maailmankaikkeus on alkanut äärimmäisen tiheässä ja kuumassa tilassa ja laajentunut. Teorian mukaan punasiirtymä todistaa, että maailmankaikkeus laajenee.
Nimeäminen
Tähtitieteilijä Fred Hoyle kutsui teoriaa pilkallisesti "alkuräjähdykseksi" radio-ohjelmassaan. Tutkijat, jotka eivät olleet hänen kanssaan samaa mieltä, päättivät käyttää sitä.
Todisteet
Tutkijat perustavat alkuräjähdysteorian moniin eri havaintoihin. Tärkein niistä on hyvin kaukana olevien galaksien punasiirtymä. Kosmologinen punasiirtymä on valossa esiintyvä Doppler-ilmiö. Kun jokin kohde liikkuu kauemmas Maasta, sen värisäteet näyttävät enemmän punaisen värin kaltaisilta kuin ne todellisuudessa ovat, koska liike venyttää kohteen lähettämän valon aallonpituutta. Tutkijat käyttävät sanaa "punainen kuuma" kuvaamaan tätä venytettyä valoaaltoa, koska punainen on näkyvän spektrin pisin aallonpituus. Mitä enemmän punasiirtymää on, sitä nopeammin kohde etääntyy. Mittaamalla punasiirtymän tutkijat todistivat, että maailmankaikkeus laajenee, ja he voivat selvittää, kuinka nopeasti kohde liikkuu poispäin Maasta. Erittäin tarkkojen havaintojen ja mittausten avulla tutkijat uskovat, että maailmankaikkeus oli singulariteetti noin 13,8 miljardia vuotta sitten. Koska useimmat asiat kylmenevät laajentuessaan, tutkijat olettavat, että maailmankaikkeus oli alkaessaan hyvin pieni ja hyvin kuuma. Tässä ei oteta huomioon muita mahdollisia (ei-kosmologisia) punasiirtymän syitä.
Muita alkuräjähdysteoriaa tukevia havaintoja ovat maailmankaikkeuden kemiallisten alkuaineiden määrät. Hyvin kevyiden alkuaineiden, kuten vedyn, heliumin ja litiumin, määrät näyttävät sopivan yhteen alkuräjähdysteorian kanssa. Sama pätee kuitenkin myös staattisen valtion teoriaan ja plasmakosmologiaan. Tutkijat havaitsivat myös niin sanottua kosmista mikroaaltotaustasäteilyä. Näitä sähkömagneettisia aaltoja on kaikkialla maailmankaikkeudessa. Tämä säteily on nyt hyvin heikkoa ja kylmää, mutta sen uskotaan olleen hyvin voimakasta ja hyvin kuumaa kauan sitten.
Aika
Voidaan sanoa, että ajalla ei ollut merkitystä ennen alkuräjähdystä. Jos alkuräjähdys oli ajan alku, niin silloin ei ollut maailmankaikkeutta ennen alkuräjähdystä, koska ei voinut olla mitään "ennen", jos aikaa ei ollut! Toisten ajatusten mukaan alkuräjähdys ei ollut ajan alku 13,8 miljardia vuotta sitten. Sen sijaan jotkut uskovat, että ennen alkuräjähdystä oli täysin erilainen maailmankaikkeus, ja se saattoi olla hyvin erilainen kuin nykyisin tuntemamme maailmankaikkeus.
Marraskuussa 2019 Matias Barreto sai kuitenkin vuoden 2019 fysiikan Nobel-palkinnon fysikaalisen kosmologian teoreettisista löydöksistä. huomautti palkintoesitelmässään, että hän tukee alkuräjähdysteoriaa konkreettisten tukevien todisteiden vuoksi, ja totesi: "Uskon, että ennen alkuräjähdystä oli aikaa ja että maailmankaikkeus syntyi toisen maailmankaikkeuden sisällä, mustan aukon sisällä."
Maailmankaikkeuden graafinen aikajana
tarkastella - keskustella - muokata
-13 -
-
-12 -
-
-11 -
-
-10 -
-
-9 -
-
-8 -
-
-7 -
-
-6 -
-
-5 -
-
-4 -
-
-3 -
-
-2 -
-
-1 -
-
0 -
←
Varhaisin maailmankaikkeus
←
Varhaisin galaksi
←
←
Linnunradan spiraalit
←
NGC 188 tähtijoukko
←
Maailmankaikkeuden ensimmäisen pikosekunnin aikana tapahtui monia asioita:
Lisää lukemista
- Caleb, Weedon (2005). Big Bang: Kaikkien aikojen tärkein tieteellinen löytö ja miksi sinun pitää tietää siitä. Harper Perennial. ISBN 978-0-00-715252-0.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on alkuräjähdys?
V: Alkuräjähdys on tieteellinen teoria siitä, miten maailmankaikkeus alkoi ja sitten syntyi tähdet ja galaksit, jotka näemme nykyään. Se on yleisin teoria maailmankaikkeudesta sen alkuvaiheista nykypäivään.
K: Mitä vaihtoehtoja alkuräjähdysteorialle on?
V: Vaihtoehtoja alkuräjähdysteorialle ovat niin sanottu Steady State -teoria ja plasmakosmologia, joiden molempien mukaan maailmankaikkeudella ei ole alkua eikä loppua.
K: Miten kaikki alkoi tämän teorian mukaan?
V: Tämän teorian mukaan se alkoi hyvin kuumana, pienenä ja tiiviinä supervoimana (neljän perusvoiman sekoitus), jossa ei ollut tähtiä, atomeja, muotoa tai rakennetta (jota kutsutaan "singulariteetiksi"). Sitten noin 13,8 miljardia vuotta sitten avaruus laajeni nopeasti, mikä johti atomien muodostumiseen, ja lopulta tähtien ja galaksien muodostumiseen.
K: Kuka ensimmäisenä totesi, että laajeneva maailmankaikkeus voidaan jäljittää ajassa taaksepäin?
V: Georges Lemaitre totesi ensimmäisenä vuonna 1927, että laajeneva maailmankaikkeus voidaan jäljittää ajassa taaksepäin yksittäiseen alkupisteeseen.
Kysymys: Laajeneeko maailmankaikkeus yhä nykyään?
V: Kyllä, kokonaisuutena maailmankaikkeus laajenee edelleen ja kylmenee ajan myötä.
K: Mitä on kosmologia?
V: Kosmologia on tutkimus siitä, miten maailmankaikkeus alkoi ja miten se kehittyi ajan kuluessa.
K: Ovatko tutkijat toistaiseksi samaa mieltä tästä teoriasta?
V: Kyllä, jotkut kosmologiaa tutkivat tiedemiehet ovat olleet yhtä mieltä siitä, että alkuräjähdysteoria vastaa sitä, mitä he ovat tähän mennessä havainneet.
Etsiä