Kosmologia – maailmankaikkeus suurennuslasin alla

Kosmologia sanana tulee muinaisen kreikan kielestä sanoista ”kosmos” – kaikkeus ja ”logia” – oppi, ja sitä se onkin, kaikkeuden tutkimista. Kosmologia ei ole keskittynyt vain yhteen osa-alueeseen, kuten esimerkiksi tähtitieteeseen tai fysiikkaan, vaan tutkii maailmankaikkeutta kokonaisuutena. Kaikkeuden alkuperä on yksi kosmologian keskeisiä kysymyksiä. Kosmologiaan liittyy myös keskeisiä teorioita, kuten suhteellisuusteoria ja alkuräjähdysteoria, joihin tutustutaan tässä artikkelissa tarkemmin muiden aiheiden lisäksi.

Aurinkokeskinen maailmankuva

Aurinkokeskisellä- eli heliosentrisellä maailmankuvalla tarkoitetaan tähtitieteen teoriaa, jonka mukaan taivaankappaleet kiertävät aurinkoa kuun kiertäessä samalla maata. Tätä teoriaa on ehdotettu jo antiikin aikana, ja mahdollisesti sitä ennen jo pythagoralaisten toimesta 300 eaa., mutta merkittävä henkilö teorian tunnetuksi tekemisessä oli 1500-luvulla elänyt puolalainen tutkija Nikolaus Kopernikus. Hänen planeettateoriansa julkaistiin samana vuonna, kun hän kuoli 1543, mutta julkaisu joutui myöhemmin kirkon kieltämäksi.

Myöhemmin italialainen Galileo Galilei, jota on kutsuttu myös tieteen isäksi, vaikkakin joidenkin mielestä ei niin ansaitusti, toi aurinkokeskistä teoriaa tunnetuksi eurooppalaisissa tiedepiireissä yhdessä Johannes Keplerin, Tyko Brahen ja Isaac Newtonin kanssa. 1700- luvulta alkaen uusien tutkimustulosten ilmentyessä alettiin havaita, että aurinkokeskinen teoria ei ole lopullinen. Uusien galaksien ja galaksiryhmien löytyminen viitoitti tietä sille, että kaikkeuden keskipistettä ei ole mielekästä määrittää fysikaalisesti.

Suhteellisuusteoria

Suhteellisuusteoria pohjaa suhteellisuusperiaatteeseen, jossa fysiikan teoriat ja luonnonlait ovat kaikissa tilanteissa samat. Suhteellisuusteoria pitää sisällään kaksi fysiikan teoriaa; erityisen, ns. suppean suhteellisuusteorian sekä yleisen suhteellisuusteorian. Erityisen suhteellisuusteorian julkaisi Albert Einstein 1905 aikakauskirjassa Annalen der Physik otsikolla “Liikkuvien kappaleiden elektrodynamiikasta”. Erityisessä suhteellisuusteoriassa muuttumattomalla nopeudella liikkuva kappale on inertiaalikoordinaatistossa, eli kiihtyvässä liikkeessä ainoastaan siihen kohdistuessa jonkin nettovoiman. Erityinen suhteellisuusteoria ei ota huomioon painovoimaa.

Yleinen suhteellisuusteoria on nimenomaan painovoimaa kuvaava erityisen suhteellisuusteorian laajennus, ja niin ikään Einsteinin kehittelemä. Siinä kappaleiden välillä havaittu painovoima muuttaa avaruuden geometriaa avaruuden kaareutumisella. Yleinen suhteellisuusteoria on yksi modernin tähtitieteen tärkeimpiä teorioita tarjoten tämänhetkisen ymmärryksen mustille aukoille, ja ollen perustana myös alkuräjähdysteorialle. Yleistä suhteellisuusteoriaa tulkitaan neliulotteisessa aika-avaruudessa, johon kuuluu avaruudellisina ulottuvuuksina pituus, leveys ja syvyys ja näiden lisäksi aikaulottuvuus.

Alkuräjähdysteoria

Nykyään myös suosittuna tv-sarjan nimenä tunnettu Big Bang Theory eli alkuräjähdysteoria on teoria maailmankaikkeuden syntymisestä ja kehittymisestä. Maailmankaikkeuden muodostuminen onkin yksi kosmologian keskeisiä osa-alueita ja siihen liittyy toisistaan poikkeaviakin tutkimustuloksia. Alkuräjähdyksen ajankohdan on sanottu olleen n. 14 miljardia vuotta sitten. Kyseessä ei kuitenkaan ole varsinainen räjähdys, vaan kaikkeuden voimakas laajeneminen hyvin nopeassa ajassa ja erittäin korkeassa lämpötilassa sekä paineessa.

Kaikkeuden syntyyn liittyy myös termi kosminen inflaatio, eli maailmankaikkeuden äkillisesti tapahtunut alkuräjähdystä seurannut laajeneminen, joka tapahtui valoa nopeammin. Kosmisesta inflaatiosta on esitetty uusia tutkimustuloksia, jonka mukaan inflaatioita olisikin voinut olla kaksi. Muita uusia tutkimustuloksia universumin syntyyn liittyen on esimerkiksi Physical Rewiew Letterin julkaisema tutkimus, jonka mukaan kaikkeus ei olisikaan saanut alkuaan alkuräjähdyksestä, vaan jo 1922 esitetty teoria alkuponnahduksesta olisikin totta.

Mustat aukot, pimeä aine ja pimeä energia

Kosmologian yksi erittäin monesta mielenkiintoisesta ja tutkijoille päänvaivaa aiheuttaneista, ja edelleen aiheuttavista asioista on pimeä aine. Pimeän aineen sanotaan olevan joistakin tuntemattomista hiukkasista koostuvaa näkymätöntä ainetta, joka vaikuttaa painovoimallaan maailmankaikkeuden kehitykseen, joten sen tutkiminen on erittäin tärkeää. Nykykäsityksen mukaan universumimme laajenee koko ajan, vaikka laskelmien mukaan sen tulisi kutistua, ellei mukana olisi pimeää energiaa. Pimeästä energiasta tiedetään toistaiseksi vähän.

Mustien aukkojen olemassaolosta on tiedetty jo yleisen suhteellisuusteorian ajoilta. Kesti kuitenkin vuosikymmeniä, ennen kuin ensimmäinen musta aukko löydettiin 1971. Nimitys musta aukko tulee siitä, että mustia aukkoja ei voi nähdä, sillä ne imevät sisäänsä kaiken valon. Näin ollen niitä voidaan havainnoida vain tarkkailemalla muutoksia niiden ympäristössä. Mustat aukot syntyvät tähtien luhistuttua oman painovoimansa vaikutuksesta. Mustia aukkoja arvellaan olevan olemassa lukuisia.

Kosmologian tutkimusvälineet ja -tavat

Kosmologiassa on erilaisia tapoja ja keinoja tehdä tutkimuksia. Havaitsevassa kosmologiassa käytetään hyväksi mm. erilaisia kaukoputkia, joiden avulla pystytään havaitsemaan taivaankappaleista lähtevä sähkömagneettinen säteily. Maan ilmakehän vaikutuksen vuoksi laitteistoja viedään avaruuteen ja näin muodostuu avaruustutkimusasemia. Ensimmäinen kosmista mikroaaltosäteilyä mittaava satelliitti oli nimeltänsä COBE, Cosmic Background Explorer. COBE aloitti matkansa avaruuteen marraskuussa 1989 ja sillä oli merkittävä rooli alkuräjähdysteorian tutkimisessa.

Kosmista taustasäteilyä ja sen ominaisuuksia on tutkittu myös miehittämättömillä biometreillä varustetuilla ilmapalloilla, jotka ovat kohonneet yli 42 000 metrin korkeuteen. NASA ja Princetonin yliopisto keräävät tietoa kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn epätasaisuudesta, joka auttaa maailmankaikkeuden kehityksen tilan arvioinnissa n. 370 000 vuotta alkuräjähdyksestä. WMAP:ksi kutsuttu satelliitti laukaistiin kesäkuussa 2001 tarkoituksenaan toimia 2 vuotta, jonka jälkeen aikaa kuitenkin jatkettiin vielä kahdella vuodella.

Mistä tietoa kosmologiasta?

Kuten artikkelista käy ilmi, on kosmologia erittäin laaja tieteenala ja kysymykset kaikkeudesta mielenkiintoisia. Uutta tietoa saadaan jatkuvasti teknologian kehittyessä, joten tutkittavaa riittää. Tähtitieteellisestä yhdistyksestä Ursasta saa tietoa halutessaan, ja se järjestää myös erilaisia tapahtumia ja kursseja kosmologiaan liittyen. Mediassa melko tuttu näky, kosmologi Syksy Räsänen on antanut lukuisia haastatteluja sekä kirjoittanut kosmologiaa käsitteleviä kolumneja. Hänen videoitaan on katsottavissa myös YouTubessa.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *