Kysymys siitä, kuinka maailmankaikkeus sai alkunsa ja kuinka se loppuu, on askarruttanut ihmiskuntaa vuosituhansien ajan. Muinaiset kreikkalaiset ja monet muut sivilisaatiot uskoivat, että maailmankaikkeudella ei ole alkua eikä loppua. Aristoteles oli yksi ensimmäisistä, joka ajatteli toisin — hän ehdotti, että maailmankaikkeus on rajattu siihen, mitä hän kutsui "taivaalliseksi sfääriksi". Kaikkien yllätykseksi 1930-luvulla havaittiin, että maailmankaikkeus ei ole äärettömän vanha vaan sillä on rajallinen ikä. Tähtitieteilijä Edwin Hubble teki hämmästyttävän havainnon, että kaikki galaksit liikkuvat poispäin toisistaan. Siksi täytyy olettaa, että ne olivat lähempänä toisiaan 1 000 vuotta sitten kuin nykyään, vielä lähempänä miljoona vuotta sitten ja niin edelleen. Lopulta jossakin vaiheessa menneisyydessä, noin 13,7 miljardia vuotta sitten, kaiken maailmankaikkeuden aineen on täytynyt olla puristettuna äärimmäisen suureen tiheyteen ja lämpötilaan.

Alkuräjähdys. Kuvan lähde: Counterbalance Foundation

Koska laajeneminen tästä alkutilasta tapahtuu kuin valtava räjähdys, tämä teoria tuli nopeasti tunnetuksi alkuräjähdyksenä. Alunperin nimeä "alkuräjähdys" käytettiin ironisesti ja sen keksivät alkuräjähdysteorian vastustajat, koska 1930-luvulla monille ihmisille tuntui käsittämättömältä, ettei maailmankaikkeus ole äärettömän vanha. Alkuräjähdys-nimeä on kuitenkin käytetty siitä lähtien, koska se on vallannut sekä tiedemiesten että maallikoiden mielikuvituksen.

Tällä hetkellä alkuräjähdysteoria on hyväksytyin teoria maailmankaikkeuden synnystä — mutta se on kaukana täydellisestä. Alkuräjähdysteoria selittää, miten maailmankaikkeus on saattanut kehittyä sen synnyn jälkeen, mutta kosmologisia kysymyksiä on paljon enemmän. Kuinka alkuräjähdys tapahtui? Ja jos maailmankaikkeudella laajenee, mihin se laajenee? Osa näistä kysymyksistä on jännittäviä uusia haasteita tähtitieteilijöille, kun taas toiset ovat yksinkertaisesti hämmentäviä. Tiedämme esimerkiksi, mitä maailmankaikkeudelle tapahtui murto-osasekunnin kuluttua alkuräjähdyksestä, mutta emme pysty täysin selittämään ensimmäistä murto-osasekuntia, jolloin avaruus ja aika syntyivät. Joten jos kysytään, mitä oli ennen alkuräjähdystä? No, ei mitään, koska avaruutta ja aikaa ei ollut olemassa ennen alkuräjähdystä, joten alkuräjähdyksellä ei ole ennen-hetkeä eikä paikkaa, jossa mikään olisi voinut olla.

Alkuräjähdysteoria sanoo, että kaikki aine oli olemassa heti alusta alkaen, mutta se oli kaikki samassa paikassa. Ennen alkuräjähdystä ei ollut aikaa eikä avaruutta. Hubble havaitsi, että galaksit liikkuvat poispäin toisistaan, mikä johti laajentuvan avaruuden ajatukseen. Tämä tarkoittaa, ettei galaksien oma liike vie niitä poispäin toisistaan. Avaruus itse liikuttaa galakseja erilleen.

Albert Einsteinin yleisessä suhteellisuusteoriassa hän selittää, kuinka jokainen avaruuden kohde on upotettuna avaruuteen ja avaruus itse laajenee kasvattaen kohteiden välisiä etäisyyksiä. Kaikki aineen ja avaruuden pisteet olivat yhdessä pisteessä ennen alkuräjähdystä, mikä tarkoittaa, että alkuräjähdys tapahtui kaikkialla.

On ehkä helpompi ajatella kumipalloa. Pallo edustaa avaruutta (tässä tapauksessa kaksiulotteisena). Pallon päälle sijoitetaan satoja merkkejä edustamaan galakseja. Kun pallo puhalletaan täyteen, merkit näyttävät liikkuvan poispäin toisistaan, mutta todellisuudessa pallon pinta jokaisen merkin välillä on venynyt ja siirtänyt kaikki "galaksit" kauemmaksi toisistaan.

Edwin Hubble ymmärsi, että kaikki galaksit liikkuvat poispäin toisistaan, tarkkailemalla valoa erittäin kaukaisista lähteistä. Hän havaitsi, että tämä valo oli siirtynyt kohti näkyvän spektrin punaista päätä. Tämä voidaan selittää Doppler-ilmiöllä, jonka mukaan havaitsijaansa nähden liikkuvan lähteen lähettämä valo havaitaan matalammalla taajuudella.

Matalampi taajuus tarkoittaa, että havaittu valo näyttää punaisemmalta kuin lähteen lähettämä valo, ja tätä ilmiötä kutsutaan punaiseksi siirtymäksi.

Doppler-ilmiön havainnollistus. Kuvan lähde: epicphysics.com

Doppler-ilmiö pätee kaikkiin aaltoihin, mutta sitä on helpointa selittää äänen avulla. Kuvittele moottoripyörä, joka liikkuu kohti tarkkailijaa B. Sen moottori lähettää ääniaaltoja (melua) kaikkiin suuntiin, mutta moottoripyörän liikkuessa eteenpäin se ottaa kiinni aiemmin lähettämiään ääniaaltoja, mikä tarkoittaa, että peräkkäisten aaltorintamien väli pienenee. Tämä kasvattaa ääniaalojen taajuutta, joten B kuulee korkeampaa ääntä. Moottoripyörän takana vaikutus on päinvastainen: aaltorintamien väli kasvaa moottoripyörän poistuessa tarkkailijasta A, joka kuulee matalampaa ääntä.

Valo kokee samanlaisen vaikutuksen. Kohti tarkkailijaa liikkuvien valolähteiden kohdalla aallot puristuvat yhteen, mikä tarkoittaa korkeampaa taajuutta ja lyhyempiä aallonpituuksia, jotka näyttävät sinertäviltä. Meistä poispäin liikkuvien galaksien valossa aallonpituus kasvaa (taajuus pienenee) ja valo näyttää punaisemmalta.

Tämä kuva osoittaa, että kaukaisten galaksien valo on punaista eikä keltaista, koska ne liikkuvat poispäin meistä. Lähde: ESA/NASA

Teoriat siitä, millainen hyvin varhainen maailmankaikkeus oli, ovat erittäin spekulatiivisia, sillä on hyvin vaikea tietää yksityiskohtaisesti 13,7 miljardia vuotta sitten tapahtuneista asioista.

Tiedämme, että maailmankaikkeuden alussa lämpötila oli niin korkea, että kaikki aine oli liuennut alkeishiukkasiksi, kuten kvarkeiksi, elektroneiksi ja fotoneiksi. Atomiytimiä, atomeja, kiinteitä aineita, planeettoja tai tähtiä ei ollut. Tässä vaiheessa vain alkeishiukkaset pystyivät olemassa.

Noin millisekunnin kuluttua alkuräjähdyksestä lämpötilat olivat jäähtyneet tarpeeksi, jotta protoneja ja neutroneja pystyi muodostumaan kolmen alkeiskvarkin yhdistellessä.

On olemassa kuusi erilaista kvarkkilajia. Kaksi niistä muodostaa lähes kaiken aineen: ylä- ja alakvarkki. Kolme kvarkia voi liittyä muodostaen joko protonin (2 ylä + 1 ala) tai neutronin (1 ylä + 2 ala).

Vuonna 1965 kaksi amerikkalaista tiedemiestä, Penzias ja Wilson, rakensivat uuden radiosatelliitin ennennäkemättömällä herkkyydellä satelliittisignaalien mittaamiseksi. He löysivät vahingossa mysteerisen mikroaaltosäteilyn, joka tuli kaukaa avaruudesta, mutta heillä ei ollut aavistustakaan sen alkuperästä. Myöhemmin selvisi, että tämä säteily syntyi alkuräjähdyksessä. Sitä kutsutaan kosmiseksi mikroaaltojen taustasäteilyksi ja se nostaa avaruuden lämpötilaa nollasta 2,7 K:iin. Säteily on lähes täysin tasainen kaikissa suunnissa.

Voit jopa itse havaita taustasäteilyn! Jokainen, joka on nähnyt analogisen television ennen kuin se on oikein viritetty, tietää, että ruudulla näkyy "lumisadetta". Noin 10 % näkyvästä välkkeestä johtuu taustasäteilystä. Digitaalisten televisioiden kohdalla tätä ei tietenkään tapahdu.

Mistä se tulee?

Ensimmäisten vetysekä heliumatomiydinten ja litiumjälkien muodostumisen jälkeen nämä kevyet alkuaineet jäivät elektronimerellä upotettuina, joka oli syntynyt vieläkin varhaisemmista maailmankaikkeuden historian hetkistä. Jokainen elektroni kantaa negatiivista sähkövarausta, kun taas jokainen protoni on positiivisesti varautunut. Nämä protonit ja elektronit vetävät toisiaan puolensa vastakkaisista varauksista johtuen ja elektronit yrittävät muodostaa pilviä protonien ympärille.

Korkea lämpötila kuitenkin hajotti pilvet heti ja lähetti protonit ja elektronit satunnaisille radoille. Kesti 300 000 vuotta, ennen kuin maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi riittävästi saavuttaakseen lämpötilan, jossa elektronipilvi pysyisi vakaana. Ytimet elektroneinen kanssa ovat sitä, mitä nykyisin kutsumme atomeiksi.

Fotonien (valohiukkasten) ratoja voivat muuttaa törmäykset sähkövarausten kanssa, mutta ne eivät ole vuorovaikutuksessa neutraalien atomien kanssa. Siksi alkuperäiset alkuräjähdyksen fotonit jatkoivat häiriintymättä radoillaan, kun kaikki elektronit oli liitetty atomeihin, ja me näemme nämä fotonit tänään kosmisena taustasäteilynä. Siten tämä säteily antaa tilannekuvan maailmankaikkeudesta sen 300 000 vuoden "vauva-iässä".

Kuvassa näkyy yksityiskohtainen koko taivaan kuva nuoresta maailmankaikkeudesta, joka on luotu yhdeksän vuoden WMAP-datasta. Kuvan eri värit osoittavat, että maailmankaikkeus 300 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen ei ollut samanlainen kaikkialla. Värierot osoittavat lämpötilavaihteluja, jotka vastaavat siemeniä, joista galaksit kasvoivat. Lähde: NASA/WMAP

Onko alkuräjähdysteorian tueksi todisteita? Teoria on tuettu seuraavilla havainnoilla:

1. Maailmankaikkeuden laajeneminen, jolloin galaksit liikkuvat poispäin toisistaan. Tämä tarkoittaa, että kaiken maailmankaikkeuden aineen on täytynyt olla puristettuna äärimmäisen suureen lämpötilaan ja tiheyteen alkuräjähdyksen aikaan.
2. Kevyiden ytimien ²H, ³He, ⁴He ja ⁷Li runsaus voidaan selittää vain olettamalla, että ne syntyivät ensimmäisten minuuttien aikana alkuräjähdyksen jälkeen.
3. Kosmisen taustasäteilyn havaitseminen kaukaa avaruudesta. Tämän säteilyn alkuperä voidaan selittää olettamalla, että se syntyi pian alkuräjähdyksen jälkeen.

Noin miljardin vuoden ajan alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus koostui vain kaasumaisesta vedystä ja heliumista. Tähtiä tai planeettoja ei ollut. Lopulta jotkut kaasupivet alkoivat romahtaa sisäänpäin muodostaen prototähtiä, jotka lopulta kuumenivat riittävästi syttyäkseen luoden aivan ensimmäiset tähdet. Tähdistä muodostuivat galaksit ja planeetat. Aurinkomme ei kuitenkaan muodostunut ennen kuin tähtiä oli syntynyt ja kuollut sukupolvien ajan, 8–9 miljardia vuotta alkuräjähdyksen jälkeen.

Yksittäinen pölyhiukkanen aurinkokunnan alkulta. Lähde: NASA

Ympäröivä pöly ja kaasu sulautuivat hitaasti yhteen painovoiman vaikutuksesta, kun suuremmat kappaleet houkuttelivat pienempiä. Kasvaessaan niiden paino teki niistä lopulta pallomaisia ja niistä tuli planeettoja.

Olemme onnekkaita, että aurinkokunnamme muodostui melko myöhään. Planeettamme on tehty kivestä, jota ei ollut olemassa maailmankaikkeuden varhaisempina aikoina. Nämä raskaat alkuaineet täytyi valmistaa muissa tähdissä ja sitten levittää avaruuteen tähtien kuollessa. Tämä aine keräytyi sitten aurinkomme ympärille muodostaen paitsi maan myös Merkuriuksen, Venuksen ja Marsin.

Aurinko ja planeetat muodostavan aurinkokunta syntyi kaasu- ja pölypilvestä, joka näytti jotakuinkin tältä. Lähde: NASA

Vaikka voidaan mitata, kuinka nopeasti galaksit liikkuvat poispäin toisistaan, on vaikea ennustaa, mitä maailmankaikkeuden tulevaisuudessa tapahtuu. Maailmankaikkeuden laajenemista ajaa ensisijaisesti alkuräjähdys, mutta maailmankaikkeuden aine voi vetää gravitaation avulla kaiken takaisin keskukseen.

On useita mahdollisuuksia, ja kaikki riippuu maailmankaikkeuden tiheydestä:

1. Jos maailmankaikkeuden tiheys on matala, maailmankaikkeuden aineen gravitaatiovoima ei pysty voittamaan laajenemista, joten maailmankaikkeus laajenee ikuisesti. Mitä matalampi tiheys, sitä nopeammin se voi laajentua. Tätä kutsutaan avoimen maailmankaikkeuden malliksi.
2. Jos maailmankaikkeuden tiheys on korkea, maailmankaikkeus laajenee jonkin aikaa mutta hidastuu saavuttaessaan maksimikoon. Sitten painovoima vetää kaiken takaisin, kunnes maailmankaikkeus romahtaa takaisin siihen singulariteettiin, josta se alkoi — niin kutsuttu Suuri Romahdus. Tätä kutsutaan suljetuksi maailmankaikkeudeksi, sillä sillä on rajallinen koko ja se voi johtaa uuteen alkuräjähdykseen, joka luo uuden maailmankaikkeuden.
3. Jos tiheys on täsmälleen kahden mallin rajalla, mitä kutsumme kriittiseksi tiheydeksi, maailmankaikkeus jatkaa laajenemistaan, mutta laajenemisvauhti hidastuu.

Kuva havainnollistaa kolmea maailmankaikkeuden laajenemisen mallia. Nykyiset havainnot näyttävät tukevan avoimen maailmankaikkeuden mallia.

Maa on noin 4 600 miljoonaa vuotta vanha. Alussa Maa oli niin kuuma, että kaikki oli sulaa. 500 miljoonan vuoden jälkeen Maa oli jäähtynyt tarpeeksi, jotta valtameret pystyivät muodostumaan ja planeetasta tuli asuttava. Sitten valtamerissä ilmaantui ensimmäisiä alkeellisia elämänmuotoja. Elämän kehittyminen ensimmäisistä alkeellisista elämänmuodoista kasveiksi, sitten eläimiksi ja lopulta ihmisiksi kesti hämmästyttävän pitkän ajan (noin 4 000 miljoonaa vuotta).

Ihmiset ovat asuneet Maassa vain viimeiset 4 miljoonaa vuotta. Ja vain alle 100 vuotta ihmiskunnalla on ollut käsitys siitä, miten maailmankaikkeus on rakentunut ja miten se syntyi alkuräjähdyksessä.

Maan olosuhteet olivat juuri oikeat elämälle. Lämpötila on juuri sopiva nestemäiselle vedelle, riittävän lähellä Aurinkoa sen energian hyödyntämiseksi, happea hengittämiseksi ja Kuu ilmastomme vakauttamiseksi.

Tämä kuva esittää luonnonilmiöitä, jotka ovat luoneet elämän sellaisena kuin sen tunnemme Maassa. Lähde: California Space Institute

Monet tiedemiehet uskovat, että elämää on Maan ulkopuolella. Miljardien muiden tähtijärjestelmien kanssa tuntuu järjettömältä uskoa, että Maa on ainoa planeetta, joka voi ylläpitää elämää. Aurinkokunnossamme todennäköisimmät paikat, joissa alkeellinen elämä voisi olla olemassa, ovat Mars ja yksi Jupiterin kuista. Marsin pinnalla on todisteita siitä, että siellä on ollut vettä menneisyydessä, ja tiedemiehet uskovat, että Europan jään alla piilee valtava valtameri.

Vuodesta 2011 lähtien on löydetty yli 500 planeettaa aurinkokunnan ulkopuolelta ja lisää löydetään koko ajan. Joillakin niistä voisi olla juuri oikeat olosuhteet elämälle. Ehkä on olemassa teknisiä sivilisaatioita, jotka ovat paljon meitä edellä. Jotkut ihmiset kuitenkin kokevat, että jos siellä olisi niin paljon ulkoavaruuden asukkaita, olisimme jo nähneet jonkun. Tätä kutsutaan Fermin paradoksiksi, koska Enrico Fermi muotoili tämän ajatuksen ensimmäisenä. Yksi uskottavimmista selityksistä on, että eri kehittyneiden sivilisaatioiden väliset valtavat etäisyydet eivät salli yhteydenpitoa. Vaikka 1 000 kehittynyttä sivilisaatiota olisi olemassa, jos kaikki olemme 1 000 valovuoden päässä toisistamme, on epätodennäköistä, että joku tulee vierailulle Maahan.

Jotkut tiedemiehet kokevat, että on uskomattoman onnekas sattuma, että kaikista maailmankaikkeuden kehittymisen äärettömistä mahdollisuuksista se on kehittynyt luomaan juuri oikeat olosuhteet meidän selviytymisemme. Esimerkiksi alkuräjähdyksen aikaan maailmankaikkeudessa oli vain pieni ylijäämä (miljardisosa) ainetta antiaineen suhteen. Jos määrät olisivat olleet täsmälleen samat, kaikki aine ja antiaine olisivat tuhoutuneet ja muuntuneet säteilyksi, johtaen tylsään maailmankaikkeukseen ilman mitään kiinteää, mukaan lukien meidät itsemme. Jos aineen ylijäämä olisi ollut vain hieman suurempi tai pienempi todellisesta arvosta, elämä ei olisi ollut mahdollista. Jos se olisi ollut hieman suurempi, maailmankaikkeus olisi romahtanut gravitaatiovoiman vuoksi. Elämän kehittymiseen ei yksinkertaisesti olisi ollut tarpeeksi aikaa. Toisaalta, jos aineen ylijäämä olisi ollut vain hieman pienempi, laajeneminen olisi ollut niin nopeaa, etteivät sidotut rakenteet olisi voineet muodostua ja maailmankaikkeus sisältäisi vain alkeishiukkasia.