Havaittava maailmankaikkeus: koko, ikä ja rajat

Tutustu havaittavan maailmankaikkeuden kokoon, ikään ja rajoihin — miten ~46,6 miljardia valovuotta, kosmologinen laajeneminen ja inflaatio määrittävät näkymämme.

Alkuräjähdyskosmologiassa havaittava maailmankaikkeus tarkoittaa kaikkea sitä, mikä periaatteessa voidaan nähdä tietyltä havaitsijalta käsin – esimerkiksi Maasta. Käytännössä se muodostuu kaikesta valosta tai muista signaaleista, jotka ovat ehtineet saapua havaitsijaan alkuräjähdyksen jälkeisestä laajenevasta maailmankaikkeudesta lähtien. Havaittava maailmankaikkeus on pallomainen alue, jonka keskipisteenä on havaitsija, riippumatta koko maailmankaikkeuden globaalista muodosta. Jokaisella paikalla maailmankaikkeudessa on oma havaittavansa, ja eri havaittavat alueet voivat osittain tai laajasti päällekkäin.

Mitä "havaittava" tarkoittaa

Sana "havaittavissa" ei riipu siitä, onko nykytekniikalla oikeasti mahdollista havaita jotakin kohdetta. Se tarkoittaa, että kohteesta lähtenyt valo tai muu signaali periaatteessa voisi saavuttaa havaitsijan. Monet seikat rajoittavat käytännön havaitsemista: esimerkiksi voimme havaita vain niin varhaista valoa, kun hiukkaset pystyivät ensimmäisen kerran lähettämään fotoneja, jotka eivät imeytyneet välittömästi takaisin toisiin hiukkasiin. Tätä aikakautta ennen maailmankaikkeus oli täynnä tiheää ionisoitunutta plasmaa, joka teki sen läpinäkymättömäksi fotoneille. Tästä jäänne on meille näkyvä kosminen mikroaaltotausta (CMB), joka kuvaa maailmankaikkeuden tilaa noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksestä lähtien.

Näkyvä vs. havaittavissa oleva maailmankaikkeus

Astronomit joskus erottelevat käsitteet näkyvä maailmankaikkeus ja havaittavissa oleva maailmankaikkeus. Näkyvä maailmankaikkeus viittaa yleensä niihin signaaleihin, jotka on lähetetty rekombinaation (eli viimeisen sirpaloitumisen ja fotonien vapautumisen) jälkeen — käytännössä CMB:n ja sen jälkeisten kohteiden perusteella saatavaan tietoon. Laajempi käsite, havaittavissa oleva, voi tarkoittaa kaikkia signaaleja, jotka periaatteessa ovat voineet lähteä maailmankaikkeuden aikaisemmista vaiheista (esim. mahdolliset varhaiset neutrinosignaalit tai primordiaaliset gravitaatioaallot) kosmologisen laajenemisen alusta lähtien.

Koko ja etäisyydet

Näkyvän maailmankaikkeuden säde ilmoitetaan usein parsekeina tai valovuosina. Yksi tavallinen esitys on, että näkyvän maailmankaikkeuden säde olisi noin 14,0 miljardia parsekia (noin 45,7 miljardia valovuotta), ja etäisyys havaittavan maailmankaikkeuden reunaan noin 14,3 miljardia parsekia (noin 46,6 miljardia valovuotta), eli reuna on nykyhetken komoving-etäisyytenä suurempi kuin yksinkertainen valon kulkema aika 13,8 miljardissa vuodessa. Tämän vuoksi usein mainitaan myös havaittavan maailmankaikkeuden halkaisija, joka on luokkaa 28 miljardia parsekia (noin 93 miljardia valovuotta), jolloin reunat ovat noin 46–47 miljardin valovuoden päässä meistä.

Tämä ero syntyy siksi, että kun me näemme esineen 13,8 miljardin vuoden takaisessa valossa, kyseinen esine on maailmankaikkeuden laajenemisen takia nyt paljon kauempana kuin valon kulkema aikaväli antaisi ymmärtää; nykyinen etäisyys mitattuna komoving- tai proper-etäisyytenä voi olla huomattavasti suurempi.

Maailmankaikkeuden ikä

Parhaat kosmologiset havainnot antavat maailmankaikkeuden iäksi noin 13,8 miljardia vuotta. Planck-satelliitin ja muiden havaintojen analyysit (esim. CMB:n ja galaksijakauman mittaukset) ovat antaneet arvion, joka on noin 13,797 ± 0,023 miljardia vuotta. Tämän iän perusteella kaikki havaittava valo, jonka näemme nyt kaukaisista kohteista, on lähtöisin ajalta, joka alkaa alkuräjähdyksen ja varhaisen inflaation jälkeisistä vaiheista.

Rajat, tapahtumahorisontti ja tulevaisuus

Havaittava maailmankaikkeus ei tarkoita, että koko universumi olisi rajallinen — se voi olla äärettömän suuri tai jopa ääretön, mutta me emme näe kaikkea. On tärkeää erottaa kaksi käsitettä:

• Partikkelihorisontti (particle horizon) kuvaa sitä kauimmaista aluetta, josta signaalit ovat ehtineet saapua havaitsijaan tähän mennessä; tämä määrittää havaittavan universumin komoving-kokoon.
• Tapahtumahorisontti (event horizon) puolestaan määrittää, mitä alueita voimme koskaan tulevaisuudessa nähdä: kiihtyvä avaruuden laajeneminen (erityisesti pimeän energian läsnä ollessa) voi tarkoittaa, että jotkut nykyhetkellä meille näkyvät kohteet lopulta katoavat näkökentästä ikuisesti, ja toisaalta jotkut alueet, joiden valoa ei ole vielä ehtinyt saapua, eivät koskaan tule näkymään, vaikka ajan annettaisiin olla äärettömän paljon.

Mitä muuta voimme saada tietää

Vaikka emme voi nähdä valoa ennen rekombinaatiota, maailmankaikkeuden varhaisista vaiheista voidaan saada tietoa muilla tavoilla. Esimerkiksi primordiaaliset neutrinitaustat voisivat kantaa tietoa aikaisemmista ajoista (mutta niiden havaitseminen on äärimmäisen vaikeaa), ja varhaiset gravitaatioaallot, jos ne havaittaisiin, antaisivat suoran ikkunan inflaatiovaiheeseen. Tämän vuoksi tutkijat etsivät CMB:n polarisaatiosta, gravitaatioaalloista ja hiukkashavainnoista merkkejä maailmankaikkeuden alkuvaiheista.

Yhteenveto

Havaittava maailmankaikkeus on se pallomainen alue, jonka sisäpuolelta signaalit ovat ehtineet saavuttaa havaitsijan. Sen koko mitattuna nykyhetken komoving-etäisyytenä on paljon suurempi kuin pelkkä valon kulkema aika 13,8 miljardissa vuodessa antaisi ymmärtää: nykyarvioiden mukaan havaittavan maailmankaikkeuden reuna on ~46–47 miljardia valovuotta etäällä, ja halkaisija on noin 93 miljardia valovuotta. Vaikka voimme periaatteessa määritellä tämän alueen tarkan laajuuden, käytännössä monet varhaiset ilmiöt ovat vaikeasti havaittavissa, ja osa universumista jää meille aina näkymättömäksi.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on alkuräjähdyksen kosmologia?

K: Mikä on havaittava maailmankaikkeus?

Kysymys: Kuinka kaukana taaksepäin voimme nähdä valoa?

K: Mikä ero on näkyvän ja havaittavan maailmankaikkeuden välillä?

K: Kuinka suuri on näkyvän maailmankaikkeuden säde?

K: Kuinka vanha on maailmankaikkeuden arvioitu ikä?

Hae kirjaimella