Tämän tuhannet suomalaiset halusivat tietää avaruudesta ja maailmankaikkeudesta – Esko Valtaoja ja Syksy Räsänen vastaavat suosituimpiin kysymyksiin

Mikä sinua mietityttää, kun katsot tähtitaivaalle? Kysyimme tätä suomalaisilta ja saimme tuhansia vastauksia. Kosmos-sarjassa etsimme tunnettujen tutkijoiden kanssa vastauksia suosituimpiin kysymyksiin.

Yle Tiede järjesti kyselyn, johon ihmiset saattoivat lähettää heitä mietityttäneitä kysymyksiä maailmankaikkeudesta ja avaruudesta. Paljastui, että suosituimmat kysymykset olivat myös vaikeimpia vastata. Tässä tutkijoiden vastaukset viiteen suosituimpaan kysymykseen:

Mitä oli ennen alkuräjähdystä? Onko maailmankaikkeus ääretön? Mitä on pimeä energia? Mitä on mustan aukon sisällä? Mikä on kosmologian vaikein kysymys?

Vastauksia myös sarjassa Kosmos - maailmankaikkeus viidessä minuutissa.

1. Mitä oli ennen alkuräjähdystä?

Mistä koko tämä meitä ympäröivä maailmamme on tullut? Maailmankaikkeuden alku kiehtoo ja hämmentää. Ehdottomasti eniten kysymyksiä tuli alkuräjähdyksestä ja etenkin ihmisiä mietitytti, mitä oli ennen alkuräjähdystä.

Kysyimme asiaa kosmologi Syksy Räsäseltä Helsingin yliopistosta.

Alkuräjähdys tapahtui 13,8 miljardia vuotta sitten ja sen jälkihehkusta on olemassa valokuva. Katso Areenassa!

- Alunperin alkuräjähdys eli big bang viittasi maailmankaikkeuden alkuun eli hetkeen, jona aika ja avaruus syntyy. Tässä mielessä ilmaisu ennen alkuräjähdystä ei tarkoita mitään.

- Se on sama kuin kysyisi, mitä on pohjoisnavalta pohjoiseen. Alkuhetkellä ainoa aikasuunta on tulevaisuuteen, aivan kuin pohjoisnavalla kaikki suunnat ovat etelään, Räsänen selventää.

Kysymykseen on kuitenkin toinenkin vastaus, joka saattaa tuntua saivartelulta.

Kosmologiassa alkuräjähdystä ei nimittäin pidetä kaiken alkuna. Kosmologeille alkuräjähdys oli ajanjakso maailmankaikkeuden alussa, jonka aikana maailmankaikkeus oli hyvin kuuma ja tiheä. Mutta tätä edelsi lyhyt vaihe nimeltä kosminen inflaatio.

- Kosminen inflaatio oli maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin murto-osien aikana tapahtunut äärimmäisen nopea laajenemisvaihe, Räsänen kertoo.

Kosmisen inflaation yksityiskohtia nykyfysiikka ei kykene aukottomasti selittämään. Tämän vuoksi se on hyvä erottaa alkuräjähdyksestä, jonka vaiheet tunnetaan läpikotaisin.

2. Onko maailmankaikkeus ääretön?

Monet ihmisten lähettämistä kysymyksistä tavoittelivat ajan ja avaruuden rajoja. Etenkin ajatus äärettömyydestä mietityttää monia.

Tähtitieteilijä Esko Valtaojan mukaan voimme havaita maailmankaikkeudesta vain osan. Siksi kysymys sen todellisesta koosta on hankala.

Valtaojan kertoo, että voimme nähdä 45 miljardia valovuotta meistä joka suuntaan. Niin pitkän taipaleen valo on ehtinyt kulkea maailmankaikkeuden olemassaolon aikana. Nykyhetkestä käsin voimme siis havaita halkaisijaltaan 90 miljardia valovuotta leveän alueen maailmankaikkeutta.

- Mutta ei kannata johonkin 90 miljardiin valovuoteen takertua. Pitää ajatella vähän suuremmassa mittakaavassa näitä hommia, Valtaoja opastaa.

Katso, miten Esko Valtaoja havainnollistaa maailmankaikkeuden kokoa liisteröimällä galaksin sellutehtaan seinään!

Tähdet ja galaksit jatkuvat pitkälle havaittavan maailmankaikkeuden horisontin taakse.

- Koko maailmankaikkeus vähintään miljoonia tai miljardeja kertoja suurempi kuin havaittava maailmankaikkeus, Valtaoja arvioi.

Mutta tämäkään ei vielä vastaa kysymykseen äärettömyydestä. Onko se ääretön? Vastaus riippuu maailmankaikkeuden muodosta.

Jos maailmankaikkeus on muodoltaan kaareutuva kuin pallo, sillä on rajat. Se ikäänkuin kaartuu takaisin itseensä ja muodostaa suljetun kokonaisuuden.

- Jos pallomaisessa maailmankaikkeudessa lähdet avaruusraketilla yhteen suuntaan painamaan, niin tulet lopulta toisesta suunnasta takaisin, Valtaoja viittoo.

Jos taas maailmankaikkeus on muodoltaan litteä, se on myös ääretön. Litteässä avaruudessa matka yhteen suuntaan voisi jatkua ikuisesti. Tähdet ja galaksit voisivat siis jatkua äärettömiin.

Tähän mennessä mittaukset kertovat, että maailmankaikkeus on hyvin litteä. Toisin sanoen maailmankaikkeus on ainakin todella suuri - ja mahdollisesti ääretön.

Sitä, onko maailmankaikkeus ääretön, ei ainakaan mittaamalla saa selville.― Esko Valtaoja, tähtieteilijä

Mutta lopullista vastausta emme kenties koskaan voi saada, sillä mittaukset eivät koskaan voi olla täydellisiä. On mahdollista, että maailmankaikkeuden kaarevuus on niin aavistuksenomaista, että se mahtuu tarkimpienkin mittausten virhemarginaaliin.

- Sitä, onko maailmankaikkeus ääretön, ei ainakaan mittaamalla saa selville. Kenties jokin teoria sen voisi meille kertoa, mutta sellaista teoriaa ei meillä vielä ole, Valtaoja toteaa.

3. Mitä on mustan aukon sisällä?

Mustat aukot herättävät mielikuvituksen. Etenkin mustien aukkojen sisältö oli mysteeri, jolle moni toivoi selvitystä.

Valitettavasti mustien aukkojen sisälmysten kaivelu on tutkijoille hankalaa, sillä niiden sisään ei voi nähdä. Mustan aukon reunat muodostaa tapahtumahorisonttina tunnettu rajapinta, jonka sisäpuolella painovoima on niin voimakas, että valokaan ei pääse pakenemaan sitä.

Mutta mustia aukkoja sisältöä voidaan kuitenkin tutkia teoreettisesti.

- Kun mennään syvemmälle mustaan aukkoon, siellä uskotaan olevan sellainen asia kuin singulariteetti. Se on äärettömän pieni, äärettömän massiivinen kohta, mustia aukkoja tutkiva Sissi Enestam Aalto -yliopiston Metsähovin radio-observatiolta kuvailee.

Kotigalaksimme Linnunradan keskustassa on havaittu supermassiivinen musta aukko. Katso voiko se nielaista meidät! Katso Kosmos Areenassa!

Mustan aukon sisällä nykyisin tuntemamme fysiikan teoriat eivät kuitenkaan toimi. Singulariteetin kaltaista pistettä ei voida selittää nykyisin tunnetun fysiikan puitteissa. Siinä suhteellisuusteoria ja kvanttifysiikka ovat ristiriidassa.

- Kyllä mustat aukot varmaan tottelee jotain luonnonlakeja, mutta me ei ymmärretä mitä luonnonlakeja, Enestam selittää.

Lyhyt vastaus on siis, ettemme tiedä, mitä mustan aukon sisällä on.

4. Mitä on pimeä energia?

1990-luvulla tutkijat tekivät hätkähdyttävän havainnon. Maailmankaikkeuden laajeneminen on viime vuosimiljardien aikana alkanut kiihtyä.

- Tämä oli suurin yllätys sitten 1920-luvun, jolloin ylipäätään havaittiin, että maailmankaikkeus laajenee, kertoo kosmologi Syksy Räsänen.

Vaikuttaa siltä, että jokin tuntematon voima on alkanut repiä maailmankaikkeutta. Siinä missä meille tuttu painovoima kokoaa ainetta yhteen, tämä tuntematon voima ajaa galakseja erilleen.

Tälle voimalle on annettu nimi pimeä energia.

Ehdokkaita pimeäksi energiaksi on kolme.― Syksy Räsänen, kosmologi

Tutkijat eivät osaa selittää, mikä maailmankaikkeuden laajenemista kiihdyttää. Pimeän energian on sanottu olevan fysiikan suurin ratkaisematon arvoitus. Syksy Räsäsen mukaan ehdokkaita pimeäksi energiaksi on kolme.

- Yksinkertaisin ja luultavin selitys on, että tyhjällä tilalla on energiaa, jonka gravitaatiovaikutus on negatiivinen. Se on vähän kuin ainetta, jonka gravitaatiovaikutus ei ole puoleensavetävää, Räsänen kertoo.

Toinen selitys on, että käsityksemme painovoimasta on pielessä. On mahdollista, että painovoima toimii todella suurilla mittakaavoilla eri tavoilla kuin lähiavaruudessa. Kenties galaksien välisillä miljoonien valovuosien mittakaavoilla painovoima kääntyykin puoleensavetävästä hylkiväksi voimaksi.

Kolmas vaihtoehto on Syksyn oman tutkimuksen ytimessä. Hän selvittää, voisiko maailmankaikkeuden rakenteiden, kuten galaksien ja galaksirihmojen muodostuminen vaikuttaa laajenemisnopeuteen.

- Yks mun pääasiallisia tutkimusaiheita on se, voisiko näiden rakenteiden muodotuminen kiihdyttää maailmankaikkeuden laajenemista.

Mutta voidaanko pimeän energian arvoitukseen saada vastausta meidän elinikämme aikana?

- Jos kosmisen verkon muodostuminen on vastuussa kiihtyvästä laajenemista, se saadaan selville luultavasti aika pian. Mutta muita vaihtoehtoja voi olla hyvin vaikeaa erottaa toisistaan. Ne voivat näyttää hyvin samalta mittauksissa.

Pimeää energiaa ei pidä sekoittaa pimeään aineeseen. Mutta mitä on pimeä aine? Katso Kosmos Areenassa!

5. Mikä on vaikein kysymys, mihin kosmologeilla ei ole vastausta?

Moni halusi myös tietää, koska kosmologeilla menee sormi suuhun. Syksy Räsäsen ei tarvitse miettiä vastausta pitkään.

- Vaikein kysymys kvanttiteorian ja gravitaation yhdistäminen.

Fyysikot etsivät teoriaa, joka voisi yhdistää kvanttikenttäteorian ja painovoimaa eli gravitaatiota selittävän suhteellisuusteorian yhdeksi teoriaksi. Mutta vielä tällaista kaiken teoriaa ei ole löytynyt.

Nämä kaksi teoriaa toimivat todella hyvin erillään, mutta eivät yhdessä. Esimerkiksi mustia aukkoja tai maailmankaikkeuden alussa tapahtunutta inflaatiota ei voida ymmärtää, jos näiden menestyksekkään teorian ristiriitoja ei soviteta.

- Tämä on ongelma, jota on tutkittu ainakin 1950-luvulta ja nyt tiedämme, mikä ei toimi ja mitkä polut on vääriä, mutta siitä mikä on oikea suunta, siitä ei ole varmuutta.

Kvanttikenttäteoria kuvaa hyvin pienen mittakaavan tapahtumia, kuten alkeihiukkasten vuorovaikutuksia onnistuneesti. Suhteellisuusteoria taas selittää ilmiömäisen hyvin sen, miten gravitaatio eli painovoima toimii.

Kvanttigravitaatioteoriakaan ei välttämättä ole viimeinen sana maailmankaikkeudesta.― Syksy Räsänen, kosmologi

Tällä hetkellä ainoastaan maailmankaikkeuden alussa mahdollisesti tapahtunut kosminen inflaatio kyetään selittämään sekä kvanttikenttäteorian että suhteellisuusteorian avulla.

- Kosmologia on ainoa tieteenala, missä nämä kaksi teoriaa on edes jotenkuten pystytty yhdistämään niin, että on voitu tehdä testattavia ennusteita.

Mutta kvanttigravitaatioteoriakaan ei välttämättä ole viimeinen sana maailmankaikkeudesta.

- Voi myös olla, että löydämme jotain ihan uutta fysiikkaa, josta meillä ei ole toistaiseksi mitään aavistustakaan. Kaiken teoria, joka kuvaa kaikkea fysiikkaa maailmassa, voikin todellisuudessa olla paljon laajempi kuin pelkästään suhteellisuusteorian ja kvanttikenttäteorian yhdistelmä.