Universumi: Kosmos, Joka On 95% Näkymätön

Katso ylös kirkkaalla yöllä ja jokainen tähti, planeetta ja säteilevä sumu, jonka näet, kuuluu pieneen vähemmistöön. Pimeä aine muodostaa 85% universumin kokonaismassasta, kun taas pimeä aine ja pimeä energia yhdessä muodostavat 95% sen kokonaismassa-energian sisällöstä. Tavallinen aine – kaikki, joka koostuu atomeista, mukaan lukien jokainen tähti ja tämän sivun jokainen lukija – on vertailussa pyöristysvirhe.

Universumi on kaikki: kaikki aine, energia ja rakenteet, jotka ne muodostavat, subatomipartikkeleista galaktisiin säikeisiin. Se on laajentunut 13,8 miljardia vuotta, alkaen tiheästä tulipallosta alkuräjähdyksessä, ja kosmologit ovat viimeksi kuluneet vuosisadan ottaen selvää siitä, kuinka outoa tuo laajeneminen ja sen sisältö todellisuudessa ovat.

Osa universumista, jonka voimme todella havaita, on Maan päällä keskitetty pallo. Oikea etäisyys Maan ja havaittavan universumin reunan välillä on 46 miljardia valovuotta, mikä tekee koko kuplasta noin 93 miljardia valovuotta leveän. Tämä luku yllättää ihmisiä, jotka olettavat, että "13,8 miljardia vuotta" pitäisi rajoittaa näkyvän universumin säteen 13,8 miljardiin valovuoteen.

Ratkaisu on siinä, että valo ja avaruus tekevät kahta eri asiaa. Valo havaittavan universumin reunalta on matkustanut lähes universumin 13,8 miljardin vuoden ikää, mutta oikea etäisyys tuohon reunaan on suurempi, koska reuna ja Maa ovat jatkaneet etääntymistään, kun avaruus itse laajeni matkan aikana. Valo on vanha; avaruus, jonka se ylitti, on jatkanut venymistään sen alla.

Kukaan ei tiedä, kuinka suuri kokonaisuudessaan universumi on – vain, kuinka paljon siitä voimme nähdä täältä. 93 miljardi valovuotta -luku on horisontti, ei seinä.

Tuon horisontin sisällä luvut muuttuvat melkein absurdeiksi. Havaittava universumi sisältää arviolta jopa 2 biljoona galaxia ja kaiken kaikkiaan arviolta 10^24 tähteä – enemmän tähtiä kuin kaikkia hiekanjyviä jokaisen rannan päällä Maassa.

Tämä vertailu ei ole retorinen liike; se on sellaisen luvun tyyppi, joka lakkaa merkitsemisen hetken, kun yrität sitä kuvitella. Kaksi biljoonaa galaxia on noin 250 galaxia jokaista nykyisin elävää ihmistä kohti, ja jokainen näistä galaxioista voi sisältää satoja miljardeja tähtiä. Linnunrata on yksi galaxia tuossa laskelmassa, kiertää mitään erityistä, missään erityisessä paikassa.

Tässä on osa, joka pitää fyysikot valveilla yöllä: suurin osa tästä massa-energiasta ei ole lainkaan atomeja. Universumin massa-energiatiheys on 68% pimeä energia, 27% pimeä aine ja 5% tavallinen aine – tähdet, planeetat ja ihmiset.

Pimeän aineen arvioidaan muodostavan 26,8% universumin kokonaismassa-energiasta, mutta 84,5% siinä olevan aineen kokonaismäärästä. Toisin sanoen, kun tähtitieteilijät puhuvat "aineesta" kosmisessa mielessä, viisi kuudesta yksiköstä on pimeää ainetta, ei atomeja. Se ei lähettä, absorboi tai heijasta valoa, ja sen läsnäolo päätellään kokonaan sen painovoimasta – se ei yksinkertaisesti näy siinä 5%:ssa, jonka voimme suoraan havaita.

Jopa "tavallinen aine" -merkintä 5% on harhaanjohtava, jos kuvittelet tähtiä. Suurin osa tavallisesta aineesta universumissa on näkymätöntä, koska näkyvillä olevat tähdet ja kaasu galaxioiden ja ryväiden sisällä muodostavat alle 10% tavallisen aineen panoksesta universumin massa-energiatiheyteen. Suurin osa olemassa olevista atomeista ei loista missään – se on hajanainen kaasu, joka on levittäytynyt galaxioiden välille ja ympärille, ei koskaan riittävän tiheä syttymään.

Fysiikka ennustaa, että alkuräjähdys olisi pitänyt luoda ainetta ja antiainetta yhtä suurissa määrissä, jotka olisivat tuhonneet toisensa puhtaaksi energiaksi eivätkä olisi jättäneet mitään jäljelle – ei galaxioita, ei tähtiä, ei lukijoita. Ilmeisesti näin ei käynyt: universumissa on 10 miljardi kertaa enemmän ainetta kuin antiainetta.

Tämä epätasapainoinen suhde on yksi kosmologian avoimista arvoituksista, ja se on myös syy siihen, miksi mitään ylipäätään on olemassa. Jopa aineen kymmenen miljardiin yhteen -edulla, tuloksena oleva universumi on silti huomattavan harva. Universumin keskimääräinen tiheys, levitettynä kaiken avaruuden yli, on noin 1 protoni 200 litrassa – tyhjempi kuin paras ikinä Maassa rakennettu tyhjiökammio.

Kosminen mikroaaltosäteily tai CMB on lähimpänä mitä kosmologia pääsee vauvan valokuvaan. Se on jääntösäteily, joka jäi noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, kun universumin lämpötila putosi ensimmäisen kerran siihen pisteeseen, jossa ytimillä voitiin yhdistyä elektronien kanssa neutraalien atomien muodostamiseksi, jolloin valo pystyi matkustamaan vapaasti ensimmäistä kertaa.

Tuo jääntösäteily on jäähtynyt sen jälkeen. Tänään CMB:llä on lämpö-mustakappaleen spektri lämpötilassa 2,72548±0,00057 K – muutama aste absoluuttisen nollan yläpuolella, yhtenäinen koko taivaalla.

Se löydettiin melkein vahingossa. CMB:n löytäminen vuonna 1964 amerikkalaisilla radioastronomeilla Arno Allan Penzias ja Robert Woodrow Wilson oli 1940-luvulla aloitetun työn huipentuma; he yrittivät poistaa radioantennia häiriöistä ja löysivät sen sijaan alkuräjähdyksen itsensä jääntölämpöä.

CMB on myös lähes, mutta ei aivan, täydellisen tasainen. Se on isotrooppinen noin yhdellä osalla 25 000:sta, ja neliöjuurikeskiarvopoikkeamat ovat hieman yli 100 μK, kun oman liikkeen aiheuttama dipolimomentti on vähennetty. Tämä dipolimomentti itse on seikka, jonka arvoinen tietää: se aiheutuu Auringon omasta erityisestä nopeudesta 369,82±0,11 km/s suhteessa liikkuvaan kosmiseen lepokehykseen, kun Aurinkokunta ajautuu kohti Kauhua-tähdistöä Leijonan rajan lähellä. Vaikka seisoisit paikallaan Maassa, sinut kuljetetaan universumin vanhimman valon läpi tuolla nopeudella.

Pimeä energia on sekoituksessa oudoin ainesosa, juuri siksi, että se on niin ohut. Pimeän energian tiheys on erittäin alhainen, noin 7×10−30 g/cm3, paljon alhaisempi kuin tavallisen aineen tai pimeän aineen tiheys galaxioissa. Yksittäinen galaxia pakkaa huomattavasti enemmän massaa tilavuuteensa kuin pimeä energia tekee samalla tilalla.

Ja kuitenkaan se hallitsee universumin kokonaisenergiabudjettia, koska toisin kuin aine se ei laimennu avaruuden laajetessa – se täyttää jokaisen avaruuden kuutiometrin samalla alhaisella tiheydellä, ja avaruus jatkaa kuutiometrien tekemistä. Todiste siitä, että tämä työntö on todellinen, ei teoreettinen, tuli vuonna 1999: Supernova Cosmology Project löysi näyttöä sille, että universumin laajeneminen kiihtyy sen sijaan, että se hidastui oman painovoiman alaisena, kuten tähtitieteilijät olivat olettaneet. Jokin työnnettävä painovoimaa vastaan suurimmassa mittakaavassa, ja se on voittanut sen jälkeen.

Havaittavan universumin ulkorajalla istuu nykyinen etäisyyden ennätystenhaltija: kauimpana tunnettu tähtitieteellinen kohde on galaxia MoM-z14, punaissiirtymällä 14,44. Sen valo lähti kotoa, kun universumi oli pieni murto-osa nykyisestä iästään, ja on matkustanut meidän puoleemme siitä lähtien.

Loitonna takaisin galaxiryppäiden ja supergalaksiryppäiden mittakaavalle, ja universumin rakenne lopulta loppuu. Mittakaavoissa 30 ja 200 megaparsecin välillä näyttää siltä, ettei universumissa ole jatkuvaa laajamittaista rakennetta, ilmiö, johon viitataan Suuruuden Loppuna – tämän koon ylityksellä kosminen säikeisten ja tyhjiöiden verkko antaa tietä universumille, joka näyttää tilastollisesti identtiseltä joka suuntaan. Rakenteella on katto; yhdenmukaisuudella ei.

• Wikipedia: Universe
• Wikipedia: Observable universe
• Wikipedia: Cosmic microwave background
• Wikipedia: Dark energy
• Wikipedia: Dark matter