Mitä oli ennen universumin alkua, miten tyhjyys voi pamahtaa? Tutkija vastaa lukijoiden jatkokysymyksiin alkuräjähdyksestä ja pimeästä aineesta

Tommi Tenkasen mielestä kaikki kosmista inflaatiota tai sen loppuhetkiä kuvaavat uskottavat mallit johtavat päätelmään multiversumin olemassaolosta.

pimeä aine
Galaxy Cluster Abell 1689 ja Tommi Tenkanen
NASA, Laura Hyyti / Yle

Yle Uutisten tuore artikkeli pimeästä aineesta ja alkuräjähdyksestä herätti monen lukijan kiinnostuksen. Artikkelin keskusteluosiossa ja muualla netissä käydyissä keskusteluissa nousi esiin jatkokysymyksiä, joihin tutkija Tommi Tenkanen nyt vastaa. Yleisökysymyksiä on osin yhdistelty tai muuten muokattu.

1. Mitä oli ennen alkua? Jostain siihenkin on tultu. Voiko sieltä saada mitään tietoa?

Ei tiedetä, millainen havaittavan maailmankaikkeutemme alkutila oli – jos sellaista on ollutkaan. Toistaiseksi ei ole mahdollista sanoa, voiko alkutilasta edes periaatteessa saada mitään tietoa, vai jääkö se ikuiseksi arvoitukseksi.

2. Miten tyhjä voi paukahtaa? Jos kosminen inflaatio oli ensin, niin mikä sai sen liikkeelle?

Ei tiedetä, mikä käynnisti kosmisen inflaation, miten ja milloin se tarkkaan ottaen tapahtui, tai miksi se päättyi. Selitysvaihtoehtoja on useita ja ne kaikki sisältävät tietyt peruspiirteet, jotka pohjautuvat havaintoihin ja jotka siksi tekevät vaihtoehdon kosmisesta inflaatiosta uskottavaksi. On mahdollista, että myös ennen kosmista inflaatiota oli tapahtumia.

On mahdollista, että myös ennen kosmista inflaatiota oli tapahtumia.

3. Eikö inflaatio itse ole alkuräjähdys? Eli voisiko tämän tulkita niin, että oli kaksi alkuräjähdystä: ensin pimeän aineen, sitten tavanomaisen aineen ja energian?

Ei. Vaikka alkuräjähdyksellä yleisessä kielenkäytössä viitataan usein "ajan alkuun" eli hypoteettiseen alkusingulariteettiin, kosmologien keskuudessa on vakiintunut tavaksi viitata "kuumalla alkuräjähdyksellä" tilaan, jossa maailmankaikkeuden aine oli niin sanotussa lämpökylvyssä. Tästä lämpökylvystä kiehuivat esiin muun muassa kevyimpien alkuaineiden ytimet ja se jätti jälkeensä kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn, jonka ominaisuuksia mittaamalla voimme sanoa näin tapahtuneen.

Kosmisen inflaation aikana maailmankaikkeus laajeni niin hurjasti, että aine ei pystynyt muodostamaan sellaista lämpökylpyä, joka kuuman alkuräjähdystilan aikana vallitsi. Lämpökylpy muodostui vasta kosmisen inflaatio päätyttyä.

4. Tapahtuiko muun aineen synnyttänyt ”kuuma alkuräjähdys” laajentuneen maailmankaikkeuden joka pisteessä samaan aikaan?

Tarkoin kokein varmennetun yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika on suhteellista, eli riippuu havaitsijoiden keskinäisestä liiketilasta ja paikallisesta painovoimakentästä. Käsitettä "samaan aikaan" ei ole olemassa. On myös tärkeä huomata, että "kuuma alkuräjähdys" ei ole hetki – aika-avaruuden piste –, vaan pitkä ajanjakso.

Jokainen maailmankaikkeuden alue kävi alkuräjähdyksen aikana kuitenkin läpi suurin piirtein samanlaiset kehitysvaiheet ja tietyissä koordinaateissa on mielekästä puhua esimerkiksi siitä, mitä tapahtui "ensimmäisen sekunnin" kohdalla.

On myös tärkeä huomata, että "kuuma alkuräjähdys" ei ole hetki - aika-avaruuden piste -, vaan pitkä ajanjakso.

5. Voiko ajatuksiasi liittää jotenkin teorioihin universumin syklisyydestä tai multiversumista?

Syklisyyteen en ota kantaa, sillä se riippuu siitä, miten ja miksi kosminen inflaatio alkoi ja tätä emme tiedä, mutta käytännössä kaikki kosmista inflaatiota tai sen loppuhetkiä kuvaavat uskottavat mallit johtavat luontevalla tavalla päätelmään multiversumin olemassaolosta.

Tällä tarkoitetaan sitä, että kosmisen inflaation aikana universumiin muodostui alueita, jotka eivät ole kausaalisessa yhteydessä toisiinsa. Kosmologit sanovat, että alueet sijaitsevat oman horisonttimme ulkopuolella niin kuin toinen manner sijaitsee meren takana. Ne ovat ikään kuin omia maailmankaikkeuksiaan, jotka yhdessä muodostavat "multiversumin".

6. Mitä ovat galaksit, joissa ei ole lainkaan pimeää ainetta? Miten sellainen on mahdollista?

Tämä on hyvä kysymys, sillä tyypillisesti galaksit muodostuvat juuri sinne, missä pimeää ainetta on paljon. Toistaiseksi on löydetty kaksi galaksia, joissa ei ole lainkaan pimeää ainetta. Tämä on avoin ongelma, jota tutkitaan aktiivisesti, mutta astrofysiikka on tyypillisesti monimutkaista.

Molemmat galaksit sijaitsevat suuremmassa galaksijoukossa, jonka jäsenten välinen dynamiikka on voinut repiä tähdet ja tähtienvälisen kaasun pimeästä aineesta erilleen. Kysymys voi olla vain hyvin erityislaatuisesta galaktisesta naapurustosta.

Toistaiseksi on löydetty kaksi galaksia, joissa ei ole lainkaan pimeää ainetta. Tämä on avoin ongelma.

7. Voisiko olla, että inflaatio olisi ollut edellisen epookin loppu, ja pimeä aine menneen maailmankaikkeuden lopussa yli valonopeudella lajenneen avaruuden auki repimiä mustia aukkoja?

Maailmankaikkeuden laajenemisella ei ole nopeutta, eikä mikään voi edetä yli valonnopeudella. Toisinaan kosmisesta inflaatiosta puhutaan tällaisena aikakautena, mutta todellisuudessa tämä on vain tutkijoiden epäonnistunut kuvaus siitä, että inflaation aikana havaittava horisontti pienenee. Mustille aukoille se tuskin tekee mitään, sillä ne ovat painovoiman paikallisesti yhteen sitomia otuksia, joihin horisontin muuttuminen ei vaikuta.

8. Jutussa mainitaan, että "... ensin tapahtui pimeän aineen synnyttänyt kosminen inflaatio. Sitä seurasi välittömästi kuuma alkuräjähdys, joka synnytti tavallisen aineen." Jotta asiat voisivat tapahtua järjestyksessä, niin voitaneen olettaa, että asioiden tapahtuessa aika on olemassa. Miten teoria suhtautuu aikaan? Onko aika mahdollisesti ollut olemassa jo ennen inflaatiota vai syntyikö aika inflaation yhteydessä?

Kosmologiaa kuvataan yleisellä suhteellisuusteorialla, joka on käytännössä joukko aika-avaruuden paikallista ja globaalia geometriaa kuvaavia yhtälöitä. Aika ei tässä ole riippumaton avaruudesta ja sen ainesisällöstä tai toisin päin. Mikäli esimerkiksi inflaation aikaisia tapahtumia haluaa kuvata yleistä suhteellisuusteoriaa käyttäen, aika-avaruudesta ei pääse eroon. Siinä mielessä aika tosiaankin on ollut aina olemassa.

Pimeälle aineelle kuvaavampi nimi olisi "painava mutta läpinäkyvä, toistaiseksi tuntematon aine" ja pimeälle energialle osuvampi nimi olisi "tuntematon asia, joka näyttää kiihdyttävän maailmankaikkeuden laajenemista tällä hetkellä".

9. Onko pimeällä aineella ja pimeällä energialla mitään tekemistä toistensa kanssa? Vain se, että molemmista tiedetään vähän?

Melko lailla juuri näin. Pimeälle aineelle kuvaavampi nimi olisi "painava mutta läpinäkyvä, toistaiseksi tuntematon aine" ja pimeälle energialle osuvampi nimi olisi "tuntematon asia, joka näyttää kiihdyttävän maailmankaikkeuden laajenemista tällä hetkellä". Kumpikaan ei siis ole varsinaisesti pimeää.

Niillä tuskin on tekemistä keskenään, vaikka silloin tällöin näkeekin tällaisen olettamuksen tekeviä laskelmia. Havainnot eivät kuitenkaan tue tätä mahdollista yhteyttä.

10. Kuvaako sana ”alkuräjähdys” huonosti prosesseja? Onko sille mietitty vaihtoehtoa?

Kieltämättä – ottaen huomioon, ettei alkuräjähdys ollut alku eikä räjähdys.

Alun perin termi "Big Bang" oli vain tähtitieteilijä Fred Hoylen keksimä pilkkanimi teorialle, jota hän ei kannattanut, mutta joka myöhemmin osoitettiin paikkansapitäväksi. Tutkijat ovat kuitenkin kääntäneet tämän vahvuudeksi ja termi on tänä päivänä niin vakiintunut ammattitutkijoidenkin kielenkäyttöön, että siitä tuskin ollaan lähiaikoina luopumassa.

Johns Hopkins Universityn Physiikan ja astronomian laitoksen tutkijaprofessori Tommi Tenkanen esittelee kehittämäänsä kaavaa Helsingin Yliopiston Physicumissa 2019 elokuussa
Tutkija Tommi Tenkanen esittää, että ennen alkuräjähdystä tapahtui pimeän aineen synnyttänyt kosminen inflaatio.Laura Hyyti / Yle

Lue myös:

Kosmos - maailmankaikkeus viidessä minuutissa: Mitä on pimeä aine?

"Alkuräjähdys ei ollut alku eikä räjähdys" – suomalaistutkijan mukaan pimeää ainetta oli jo ennen alkuräjähdystä