maanantai 14. joulukuuta 2015

Kysymyksiä avaruudesta

K: Mistä ja miten kaikki alkoi?

Maailmankaikkeus alkoi jostakin, syytä emme tiedä. Aikansa
laajennuttuaan, se päättyy jotekin, jota emme sitäkään tiedä.
Kuva Wikimedia Commons.
V: Maailmankaikkeus, jota kutsutaan myös universumiksi, alkoi alkuräjähdykseksi kutsutussa tapahtumassa noin 13,82 miljardia vuotta sitten. Varsinaisesti alkuräjähdyksellä ei ole mitään tekemistä räjähdyksen kanssa; maailmankaikkeuden laajeneminen oli vain niin nopeaa, että se helposti mielletään räjähdykseksi.

Kaiken alun jälkeen ensimmäisen sekunnin aikana syntyi aine (+pimeä aine) ja ensimmäisen kolmen minuutin aikana alkuaineet litiumiin ja booriin asti. Kaikki muut alkuaineet ovat syntyneet myöhemmin supernovien räjähdyksissä.

Laajetessaan hyvin kuuma maailmankaikkeus jäähtyi ja lopulta tultiin siihen pisteeseen (noin 380 000 vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa), jolloin elektronit pystyivät asettumaan atomiytimiä kiertäville orbitaaleille. Silloin maailmankaikkeuden täyttänyt plasma muuttui sähköisesti neutraaliksi kaasuksi ja valo pääsi etenemään vapaasti riippumatta aineen liikkeistä. Näin syntyi Kosminen mikroaaltotaustasäteily, jonka me näemme vieläkin kaikkialla maailmankaikkeudessa. Kutsumme sitä myös kolmen asteen säteilyksi, sillä taustasäteilyn aallonpituus on maailmankaikkeuden laajetessa kasvanut siten, että se vastaa 2,7 K lämpötilaisen kappaleen lähettämää mikroaaltosäteilyä.

K: Miten kaikki päättyy?

V: Emme tiedä. Tällä hetkellä on useita hypoteeseja, jotka pyrkivät selittämään maailmankaikkeuden tulevaisuutta:

Lämpökuolema. Aika erikoinen nimitys tapahtumalle, joka johtuu siitä, että lämpötilaeroja ja mitään muutakaan energialähteitä maailmankaikkeudessa ei enää ole. Entropian kasvu on poistanut kaikki energialähteet ja maailmankaikkeuden lämpötila lähestyy absoluuttista nollapistettä. Jo paljon ennen tätä vaihetta aine (protonit ja neutronit) olisivat toistensa vaikutuspiirin ulkopuolella epävakaina lakanneet olemasta. Aine siis katoaisi.

Loppurepeämä tai riipiytyminen. Maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen johtaa tilanteeseen, jossa pimeäenergia lopulta repii alkeishiukkasetkin toisistaan ja ne etenevät toistensa suhteen yli valonnopeudella, jolloin ne eivät myöskään vaikuta toisiinsa.

Loppurysähdys ei ole suljettu pois mahdollisista maailmankaikkeuden lopun malleista, vaikka se epätodelta vaikuttaakin juuri tällä hetkellä. Nykyinen maailmankaikkeus siis laajenee kiihtyvästi, mutta kuinka pitkään se jatkuu ja jos se joskus päättyy, mitä tapahtuu? Yksi vaihtoehto on, että jostakin syystä maailmankaikkeus alkaisikin luhistua ja lopulta kaikki aine päätyisi yhteen pisteeseen loppurysähdyksenä.

K: Onko avaruus ääretön?

V: Avaruus tai oikeammin maailmankaikkeus ei ole ääretön, vaikka rajoja sillä ei olekaan. Maailmankaikkeuden todellista kokoa emme kuitenkaan tiedä, sillä havaitsemamme maailmankaikkeus on vain osa koko universumista. Joitakin laskelmia kuitenkin voimme tehdä, jos rajoitumme meille näkyvään maailmankaikkeuteen.

Alun jälkeen valo on edennyt laajenevaan maailmankaikkeuteen niin, että meidät saavuttaessaan se on ollut matkalla 13,8 miljardia vuotta. Valon matkatessa näkemämme maailmankaikkeus on samanaikaisesti laajentunut aluksi hieman hidastuen mutta noin 7 miljardia vuotta sitten laajeneminen muuttui kiihtyväksi. Tällä hetkellä lasketaan näkemämme maailmankaikkeuden säteen olevan noin 45 miljardia valovuotta.

Maailmankaikkeuden laajeneminen aiheuttaa mielenkiintoisia ilmiöitä. Esimerkiksi kaukaiset galaksit etääntyvät meistä sitä nopeammin mitä kauempana ne ovat. Tästä on seurauksena se, että jossakin hyvin kaukana galaksien etääntymisnopeus ylittää valonnopeuden, jolloin niistä lähtenyt valo ei koskaan saavuta meitä. Näin ollen kaukaiset galaksit katoavat näkyvistä yksi toisensa jälkeen.
Hyvin kaukaisessa tulevaisuudessa maailmankaikkeuden laajeneminen johtaa tilanteeseen, että kaikki muut kuin paikalliseen galaksijoukkomme galaksit ovat kadonneet horisontistamme. Lopulta paikallinen galaksijoukkommekin laajenee niin suureksi, että emme näe sen jäseniä, vaan ainoastaan oman Linnunratamme ja Andromedan galaksin yhteen sulautumisessa syntyneen galaksin.

K: Kuinka kylmä avaruudessa on?

V: Lämpötila on aineen atomien ja molekyylien värähtelyliikettä. Avaruudessa olevaan kappaleeseen kohdistuu auringonsäteilyä, jonka imeytyminen ja uudelleen säteily määrää kappaleen lämpötilan. Lämpötila asettuu sellaiseen arvoon, jossa imeytynyt ja uudelleen säteillyt energia ovat yhtä suuria. Mikä se lämpötila on, määräytyy aineen pinnan ja muiden ominaisuuksien mukaan!

Hyvin kaukana tähdistä olevan kappaleen ainoa lämpötilaan vaikuttava tekijä on kosminen taustasäteily. Taustasäteily on peräisin 380 000 vuotta vanhasta maailmankaikkeudesta ja se tulee joka puolelta maailmankaikkeutta. Kun muita säteilylähteitä ei ole lähettyvillä, taustasäteily määrää kappaleen lämpötilan ja se on noin 2,7 K eli noin 2,7 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Tällöin kappaleeseen imeytynyt ja sen säteilemä energia ovat yhtä suuria.

K: Jos maapallolla ei olisi ilmakehää, mikä olisi sen lämpötila?

V: Jos maapallo olisi ilmakehätön, niin silloin planeettamme keskilämpötila olisi noin –20 °C. Tämä lämpötila on laskettu Auringon säteilemän energian ja kiviaineksen heijastumiskertoimen (albedo) perusteella. Maapallolla on kuitenkin hyvin lämpöä eristävä ja kasvihuoneilmiön aiheuttava ilmakehä, joten koko planeetan keskilämpötila on noin 35 °C korkeampi, eli noin +15 °C.

K: Miksi avaruusasemalla on painotonta?

V: Avaruusasemalla niin astronautit kuin irralliset esineet näyttävät leijuvan vapaasti ”painottomina”. Kyseessä ei ole varsinaisesti painottomuus, jolla ymmärrämme olemista gravitaatiokentän vaikutuspiirin ulkopuolella[1], vaan vapaan putoamisen aikaansaama illuusio painottomuudesta. Avaruusasema ja sen mukana oleva astronautti putoavat samalla nopeudella, joten ne säilyttävät keskinäiset asemansa ja ovat siis ”painottomia”.

Lyhytaikaisesti ”painottomuutta” voidaan jäljitellä lentokoneella sen lentäessä ns. ballistista rataa. Aluksi lentokone lentää tasaisella nopeudella, kunnes pilotit ohjaavat koneen ballistiselle radalle. Radalla lentokone tekee ylös–alas liikettä, jolloin matkustajat tuntevat olevansa ”painottomia” radan yläosassa. Vastaavasti matkustajiin kohdistuu radan alaosassa kaksinkertainen paino. Yhden jakson kesto on noin 40 sekuntia, josta noin puolet matkustajat kokevat olevansa ”painottomia”. Tällaisia lentokoneharjoituksia järjestetään astronautiksi kouluteltaville ja sen lisäksi avaruuteen lähetettävien testilaitteiden testaamiseen niitä kehitelleille tutkimusryhmille.

Vastaavia ”painottomuuden” tai paremminkin vapaa putoamisen hetkiä voi kokea tivolien tai huvipuistojen laitteissa kuten vuoristoradalla tai vastaavissa kieputtimissa. Niissä ”painottomuus” kestää yleensä korkeintaan sekunnin, mutta sehän on vain hauskaa ja kirpaisee vatsanpohjaa mukavasti.

Huomautukset

[1] Esineiden (ja ihmisten) paino on se voima, joka kohdistuu esineeseen toisen kappaleen, esimerkiksi maapallon aiheuttaman gravitaation vaikutuksesta. Paino on siis suoraan verrannollinen kappaleen massaan ja gravitaatiokentän voimakkuuteen. Historiallisista syistä johtuen, 100 kg massan painon sanotaan olevan 100 kg. Todellisuudessa kappaleeseen kohdistuu noin 981 N[2] voima silloin, kun kappale sijaitsee maanpinnalla. Kuun gravitaatiokenttä on noin 1/6 maapallon gravitaatiokentästä, joten 100 kg massa painaisi Kuussa vain 163,5 N (16,7 kg). Avaruudessa sama 100 kg massa ei paina mitään (ts. on painoton) jos se ei sijaitse minkään toisen kappaleen gravitaatiokentässä. Sen sijaan sen massa on säilynyt eli on 100 kg.

[2] Kappaleen paino lasketaan kaavalla G=mg, jossa

G On kappaleen paino
m on kappaleen massa
g on gravitaatiokentän aikaansaama putoamiskiihtyvyys, maapinnalla noin 9,81 m/s2, Kuussa noin 1,6 m/s2.