Universumimme aine oli alussa miltei tasaista. Nyt näemme satojen miljoonien valovuosien kokoisia galaksiseinämiä ja valtavia tyhjiä onkaloita. Tämänkin evoluution aiheutti sattuma




Mitä yhteistä on pesusienellä, saippuakuplilla, tahkojuustolla ja kohokuvioisella pitsipeitolla? Niillä kaikilla on kuvailtu universumin suuren mittakaavan rakennetta, joka on osoittautunut suunnattomaksi, riekaleiseksi galaksikudelmaksi.

Satojen miljoonien valovuosien kokoisia seinämiä ja valtavia, tyhjiä onkaloita sisältävä rakenne kehittyi alle 14 miljardin vuoden kuluessa pikkuriikkisistä epätasaisuuksista, joita jostakin syystä ilmaantui maailmankaikkeuteen heti alkuräjähdyksen jälkeen. Miten kaikki oikein tapahtui?

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen kosmologian lehtori Hannu Kurki-Suonio jakaa kysymykseni kahteen osaan: kuinka alkuperäiset tihentymät eli galaksien siemenet syntyivät, ja millä tavalla niistä seurasi maailmankaikkeuden nykyinen rakenne.

- Itse asiassa kosmologinen tutkimus pyrkii vastaamaan kaikkein suurimmalla mittakaavalla siihen, mistä tulemme, missä olemme ja mihin olemme menossa, Kurki-Suonio tiivistää.


Huikeat seinät hahmottuvat

- Osa galakseista kuuluu galaksijoukkoihin, joissa galaksit painovoiman vaikutuksesta kiertävät toisiaan. Nämä galaksijoukot puolestaan muodostavat superjoukkoja liittymällä löyhästi toisiinsa, Kurki-Suonio selittää.

Linnunrata on yksi piste useista tuhansista muista galakseista koostuvan superjoukon laidalla.

- Vielä suuremmassa mittakaavassa galaksien tihentymät muodostavat litteitä rakenteita. Niiden väliin jää alueita, joissa galakseja on erittäin harvassa.

Vuonna 1989 noin 200 miljoonan valovuoden päässä täältä löytyi suuri galaksiseinämä (Great Wall). Se on 500 miljoonaa valovuotta pitkä ja 300 miljoonaa leveä, mutta sen paksuus on vain 15 miljoonaa valovuotta. Linnunradan läpimitta on noin 100 000 valovuotta, eli seinämä on pituudeltaan 5 000 Linnunrataa!

Viitisen vuotta sitten galaksiavaruuden kartoitushankkeissa hahmottui vielä laajempi seinämä (Sloan Great Wall). Sen pituus on huikeat 1,4 miljardia valovuotta. Kurki-Suonion mukaan tämä seinämä koostuu kuitenkin pienistä rakenteista, jotka sattumalta osuivat peräkkäin.


Rangan kasvatti pimeä aine

Miten havaittu rakenne syntyi maailmankaikkeuden alun pienistä epätasaisuuksista?

- Tämä on se helpompi kahdesta kysymyksestämme. Alun aavistuksenomaiset tihentymät vetivät painovoimallaan itseensä lisää ainetta harvemmista alueista ja vetäytyivät lopulta kasaan muodostaen galakseja ja galaksijoukkoja. Yleisen suhteellisuusteorian avulla voidaan laskea tihentymien aikakehitys, Hannu Kurki-Suonio vastaa.

Mitään ei kuitenkaan olisi tapahtunut ilman pimeää ainetta.

Toistaiseksi tuntematonta pimeää ainetta oletetaan olevan peräti 23 prosenttia universumin koko massasta. Tavallista ainetta on alle 5 prosenttia. Loppu 72 prosenttia on niin sanottua pimeää energiaa.

Pimeällä aineella on vetovoimaa kuten tavallisella aineella, mutta säteilyyn se ei reagoi. - Säteilyn paine esti aluksi tavanomaisen aineen tihentymiä kasvamasta. Siksi nyt havaitsemamme rakenne ei olisi ehtinyt muodostua ilman pimeää ainetta. Sen tihentymät alkoivat kasvaa ensin ja vetivät mukaansa tavallisen, atomeista koostuvan aineen, Kurki-Suonio selittää.

Vuonna 2007 valmistuneesta, epäsuoriin mittauksiin perustuvasta pimeän aineen kartasta käykin ilmi, että näkyvä aine myötäilee pimeästä aineesta kehkeytynyttä rankaa. Näkymättömät rakenteet ovat kuin maailmankaikkeuden luusto, johon näkyvän aineen tihentymät kiinnittyvät.


Alussa arvottiin tihentymät

Vetovoima kasvatti alun tihentymistä nykyisen suuren mittakaavan rakenteen - mutta mistä galaksien siemenet ilmestyvät alun tasaisuuteen?

- Vastaus on vielä spekulatiivisessa vaiheessa, mutta yksi selitys on inflaatio, Kurki-Suonio sanoo.

Alkuräjähdysteoriaan lisätään tätä nykyä niin sanottu inflaatiovaihe. Se kesti vain silmänräpäyksen, mutta sen aikana universumi laajeni hurjaa vauhtia. Tämä superlaajeneminen olisi tapahtunut heti aikojen alussa.

- Vauhdikkaalla laajenemisella on sellainen vaikutus, että mikroskooppisen skaalan kvanttimekaaniset värähtelyt venyvät ja lakkaavat samalla värähtelemästä, jolloin ne ilmenevät juuri ainetiheyden vaihteluina, Hannu Kurki-Suonio selittää.

- Kvanttimekaaniset värähtelyt ovat satunnaisprosessi, eräänlainen arvonta. Jo inflaation aikana luonto siis arpoi, mihin kohtaan maailmankaikkeutta tulee tihentymiä, mihin harventumia. Sen jälkeinen rakenteiden kehitys on ollut fysiikan lakien, pääasiassa vetovoiman määräämää.

Universumin nykyinen rakenne määräytyi siis heti alkuräjähdyksen jälkeen. Siksi voimme lähestyä alkua myös nykytilanteesta: kaikkeuden rakennetta kartoittamalla saadaan tietoa siitä, mitä alussa tarkalleen ottaen tapahtui. Samalla opitaan lisää pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta. Varsinkin jälkimmäinen vaikuttaa ratkaisevasti universumin tulevaan rakenteeseen.


Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.


Tieteen päivät 7.-11.1.2009
Helsingin yliopisto, päärakennus

Dosentti Hannu Kurki-Suonio puhuu Tieteen päivillä aiheesta Rakenteen synty. Seminaari Kosminen evoluutio, keskiviikkona 7.1.2009 klo 12-14.


Suuren mittakaavan rakenne kirkastui äskettäin





























1910-luku  Taivaalla havaitut tähtisumut paljastuvat erillisiksi galakseiksi.
1920-luku   Huomataan, että galakseista muodostuu joukkoja. Universumin päätellään laajenevan.
1965 Kosminen taustasäteily löytyy; alkuräjähdysteoria vahvistuu.
1977-1983  Tehdään ensimmäinen laaja kolmiulotteinen kartta lähiavaruuden galakseista (CfA Redshift Survey). Aletaan puhua solukkomaisesta rakenteesta.
1989  Galaksijoukoista koostuva suuri seinämä hahmottuu CfA:n jatkokartoituksessa.
1992 Cobe-satelliitin mittaamassa kosmisessa taustasäteilyssä nähdään viitteitä universumin ensimmäisistä epätasaisuuksista eli galaksien siemenistä.
2003  WMAP-satelliitti mittaa tarkemmin aineen jakautumisen universumin alussa. (Satelliitin tuoreimmat tulokset julkaistiin 2008.)
2000-2005   Sloan Digital Sky Survey (SDSS) kartoittaa galaksiavaruutta aina kahteen miljardiin valovuoteen asti. Galakseista muodostuu seinämiä, jotka rajaavat tyhjiä onkaloita.
2007 Cosmos-hanke julkaisee pimeän aineen kartan.