Alussa maailmankaikkeus laajeni erittäin nopeasti.
(Kuva: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopistossa ja johtava tiedemies COSI-tiedekeskuksessa. Sutter on myös Host Spacemanin ja Space Radio -sovelluksen isäntä ja johtaaAstroTours-ohjelmia ympäri maailmaa. Sutter kirjoitti tämän artikkelin Space.com: n Expert Voices: Op-Ed & Insights -julkaisuun.
13,8 miljardia vuotta sitten koko havaittavissa oleva maailmankaikkeus oli persikan kokoinen ja sen lämpötila oli yli biljoona astetta.
Se on melko yksinkertainen, mutta erittäin rohkea lausunto, eikä se ole lausunto, joka on annettu kevyesti tai helposti. Itse asiassa jopa sata vuotta sitten se olisi kuulostanut suorastaan petolliselta, mutta tässä me olemme, sanoen, että se ei ole iso juttu. Mutta kuten kaikessa tieteessä, tämänkaltaiset yksinkertaiset lausunnot on rakennettu useiden riippumattomien todistussarjojen vuorilta, jotka kaikki osoittavat kohti samaa johtopäätöstä - tässä tapauksessa Big Bang, mallimme maailmankaikkeuden historiasta. [Universumi: iso räjähdys nyt 10 helpossa vaiheessa]
Mutta kuten sanotaan, älä ota minun sanani. Tässä on viisi näyttöä Big Bangista:
# 1: Yötaivas on pimeää
Kuvittele hetkeksi, että elämme täysin äärettömässä universumissa, niin ajassa kuin tilassa. Tähtien kimaltelevat kokoelmat jatkavat ikuisesti joka suuntaan, ja maailmankaikkeus on aina ollut ja tulee olemaan. Se tarkoittaisi minne tahansa katsoit taivaalla - valitse vain satunnainen suunta ja tuijotat - sinun on pakko löytää tähti sieltä, jostain, jonkin etäisyyden päästä. Se on äärettömän universumin väistämätön tulos.
Ja jos sama universumi on ollut olemassa ikuisesti, niin tältä tähdeltä on kulunut runsaasti aikaa, joka indeksoi kosmoksen läpi suhteellisen hitaalla c nopeudella saavuttaaksesi silmämunasi. Edes minkään puuttuvan pölyn läsnäolo ei vähentäisi äärettömästä tähdestä kerättyä valoa äärettömän suuressa kosmossa.
Ergo, taivaan tulisi olla syttyvä monien tähtijen yhdistetyn valon kanssa. Sen sijaan se on enimmäkseen pimeyttä. Tyhjyys. Mitätön. Pimeyttä. Tiedät, avaruus.
Saksalainen fyysikko Heinrich Olbers ei ehkä ollut ensimmäinen henkilö, joka havaitsi tämän ilmeisen paradoksin, mutta hänen nimensä pysyi ajatuksena: Se tunnetaan Olbersin paradoksina. Yksinkertainen resoluutio? Joko maailmankaikkeus ei ole kooltaan loputon, tai se ei ole loputon ajoissa. Tai ehkä se ei ole.
# 2: kvaasareja on olemassa
Heti kun tutkijat kehittivät herkkiä radioteleskooppeja, he havaitsivat 1950- ja 60-luvuilla oudon kovan radion lähteet taivaalla. Merkittävän tähtitieteellisen tyydytyksen avulla tutkijat päättivät, että nämä kvasitähtiradionlähteet tai "kvaasarit" olivat hyvin kaukana, mutta harvinaisen kirkkaita, aktiivisia galakseja.
Tärkein tässä keskustelussa on "erittäin kaukana" oleva osa päätelmää.
Koska valo vie aikaa matkustamiseen paikasta toiseen, emme näe tähtiä ja galakseja sellaisina kuin ne ovat nyt, vaan sellaisena kuin ne olivat tuhansia, miljoonia tai miljardeja vuosia sitten. Tämä tarkoittaa, että katsominen syvemmälle maailmankaikkeuteen etsii myös syvemmälle menneisyyteen. Näemme paljon kvaasareja kaukana kosmossa, mikä tarkoittaa, että nämä esineet olivat hyvin yleisiä miljardeja vuosia sitten. Mutta paikallisessa, ajan tasalla olevassa naapurustossa ei ole tuskin mitään kvasaareja. Ja he ovat riittävän yleisiä kaukaisessa (eli nuoressa) maailmankaikkeudessa, että meidän pitäisi nähdä paljon enemmän läheisyydessämme.
Yksinkertainen johtopäätös: Universumi oli aikaisemmin erilainen kuin nykyään.
# 3: Se kasvaa
Elämme laajenevassa maailmankaikkeudessa. Keskimäärin galaksit ovat kauempana kaikista muista galakseista. Tietysti, joitain pieniä paikallisia törmäyksiä tapahtuu jäljellä olevista painovoimavuorovaikutuksista, kuten kuinka Linnunrata törmää yhteen Andromedan kanssa muutamassa miljardissa vuodessa. Mutta suuressa mittakaavassa tämä yksinkertainen, laajeneva suhde pitää paikkansa. Tämän tähtitieteilijä Edwin Hubble löysi 1900-luvun alkupuolella pian sen jälkeen, kun huomasi, että "galaksit" olivat tosiasia. [Linnunradan galaksin romahtaminen Andromedan kanssa: taiteilijakuvat]
Laajentuvassa universumissa säännöt ovat yksinkertaisia. Jokainen galaksi on poistumassa (melkein) kaikista muista galakseista. Kaukaisista galakseista tuleva valo muuttuu punaisena - niiden vapauttamat valon aallonpituudet muuttuvat pidemmiksi ja siten punaisemmiksi muiden galaksien näkökulmasta. Saatat olla houkutus ajatella, että tämä johtuu maailmankaikkeuden ympäri nopeuttavien yksittäisten galaksien liikkeestä, mutta matematiikka ei lisää.
Punasiirtymän määrä tietyssä galaksissa riippuu siitä, kuinka kaukana se on. Tiiviimmissä galakseissa tapahtuu tietty määrä punasiirtymää. Kaksi kertaa kauempana oleva galaksi saa kaksinkertaisen punasuunnan. Neljä kertaa etäisyys? Se on totta, neljä kertaa punainen siirto. Tämän selittämiseksi vain vetoketjuttavilla galakseilla on oltava todella outoa salaliittoa, jossa kaikki maailmankaikkeuden galaktiset kansalaiset suostuvat liikkumaan tässä erityisessä kuviossa.
Sen sijaan on olemassa paljon yksinkertaisempi selitys: Galaksien liikkuminen johtuu avaruuden venymisestä näiden galaksien välillä.
Elämme dynaamisessa, kehittyvässä universumissa. Se oli aiemmin pienempi ja tulevaisuudessa suurempi.
# 4: Jäännössäteily
Pelataan peli. Oletetaan, että maailmankaikkeus oli aiemmin pienempi. Se tarkoittaa, että se olisi ollut sekä tiheämpi että kuumempi, eikö niin? Oikein - kaikki kosmoksen sisältö olisi ollut niputettu pienempään tilaan, ja suuremmat tiheydet tarkoittavat korkeampia lämpötiloja.
Jossain vaiheessa, kun maailmankaikkeus oli, esimerkiksi miljoona kertaa pienempi kuin se on nyt, kaikki olisi ollut niin murskattu yhteen, että se olisi plasma. Tässä tilassa elektronit olisivat sitoutumattomia ydinsäntäjoukkoistaan ja vapaasti uivat, kaikki tämä aine kylpee voimakkaassa, korkean energian säteilyssä.
Mutta kun tämä vastasyntynyt maailmankaikkeus laajeni, se olisi jäähtynyt pisteeseen, jossa yhtäkkiä elektronit voisivat asettua mukavasti ytimien ympärille, jolloin ensimmäiset täydelliset vety- ja heliumiatomit muodostuisivat. Tuolloin hullu-voimakas säteily kulki esteettömästi vasta ohut ja läpinäkyvä maailmankaikkeus. Ja kun maailmankaikkeus laajeni, valo, joka alkoi kirjaimellisesti valko-kuuma, olisi jäähtynyt, jäähtynyt, jäähtynyt vain muutamiin asteisiin absoluuttisen nollan yläpuolelle asettamalla aallonpituudet tiukasti mikroaaltoalueelle.
Ja kun osoitamme mikroaaltoteleskooppimme taivaalle, mitä me näemme? Taustasäteilykylpy, joka ympäröi meitä kaikilta puolilta ja on lähes täysin tasainen (yhdeksi osaksi 100 000!) Kaikkiin suuntiin. Vauvakuva maailmankaikkeudesta. Postikortti pitkästä kuolleesta ajasta. Valoa ajasta, joka on lähes yhtä vanha kuin itse maailmankaikkeus.
# 5: Se on alkuainetta
Työnnä kelloa taaksepäin vielä enemmän kuin kosmisen mikroaaltotaustan muodostuminen, ja jossain vaiheessa asiat ovat niin voimakkaita, niin hulluja, että edes protoneja ja neutroneja ei ole olemassa. Se on vain keitto heidän perusosistaan, kvarkeista ja gluoneista. Mutta jälleen kerran, kun maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi olemassaolonsa frenettisistä ensimmäisistä minuutista, kevyimmät ytimet, kuten vety ja helium, hiipuivat ja muodostuivat.
Meillä on nykyään melko hyvä tapa käsitellä ydinfysiikkaa, ja voimme käyttää tätä tietoa ennustamaan maailmankaikkeuden kevyimpien elementtien suhteellista määrää. Ennustus: Kypsentävän keiton olisi pitänyt kutua suunnilleen kolme neljäsosaa vetyä, yksi neljäsosa heliumia ja "muun" sotkeutuminen.
Haaste menee tähtitieteilijöille, ja mitä he löytävät? Universumi, joka koostuu karkeasti kolmesta neljäsosasta vetyä, neljäsosasta heliumia ja pienemmästä prosenttimäärästä "muuta". Bingo.
Tietysti on myös enemmän todisteita. Mutta tämä on vain lähtökohta modernille Big Bang -kuvallemme kosmosta. Useat riippumattomat todistuslinjat osoittavat kaikki samaan johtopäätökseen: Universumimme on noin 13,8 miljardia vuotta vanha, ja kerralla se oli persikan kokoinen ja sen lämpötila oli yli biljoona astetta.
Lisätietoja kuuntelemalla jaksoa "Mitä tapahtuu, kun galaksit törmäävät yhteen?" Ask A Spaceman -podcastissa, joka on saatavana iTunesissa ja Webissä osoitteessa http://www.askaspaceman.com. Kiitos Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla ja Patrick D. tämän aiheeseen johtaneista kysymyksistä! Esitä oma kysymys Twitterissä käyttämällä #AskASpaceman tai seuraamalla Paul @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter. Seuraa meitä @Spacedotcom, Facebook ja Google+. Alkuperäinen artikkeli Space.com-sivustolla.
