Elämme universumissa, joka on maitokahvin värinen

Avaruuden alati laajeneminen vaikuttaa maailmankaikkeuden väriin.
Tiede 6.6.2017 15:39

Maailmankaikkeuden väri muodostuu tähtien, kaasun ja pölyn yhteenlasketusta säteilystä. © BABAK TAFRESHI / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Minkä värinen on maailmankaikkeus?

Äkkiseltään kysymys vaikuttaa pöljältä, sillä jokainen tietää, että maailmankaikkeus on sysimusta. Eiväthän taivaankannella tuikkivat tähdet pysty mitättömän pieninä ja himmeinä valopisteinä värjäämään avaruutta minkään väriseksi.

Väärin. Tyhjä avaruus on ehkä väritön, mutta maailmankaikkeudella on tietty väri eikä se suinkaan ole musta. Se ei ole myöskään sinertävänvalkea, vaikka suurin osa tähdistä näyttääkin siniseen vivahtavan valkoisilta.

Todellisuudessa tähtiä on monenvärisiä, mutta ihmissilmä ei erota värejä, jos valoa on liian vähän. Siksi vain kaikkein kirkkaimmat yötaivaan tähdet näyttävät paljain silmin katsottuna selvästi punaisilta, oransseilta, keltaisilta tai sinisiltä.

Maailmankaikkeuden ”virallisen” värin määrittivät Johns Hopkins -yliopiston tähtitieteilijät Karl Glazebrook ja Ivan Baldry.

Kaksikko lähti 2000-luvun alussa tekemään laajaa galaksitutkimusta. Heidän tarkoituksenaan oli selvittää yli 200 000 tähtijärjestelmän spektrien perusteella, kuinka vanhoja tarkastelun kohteena olevat galaksit ovat.

Odotusten mukainen tulos oli väärä.

Tutkijat eivät aikoneet tiirailla jokaikistä galaksia erikseen, vaan he käyttivät hyväkseen Anglo-Australian Observatoryn mittavaa galaksikartoitusta. Siding Spring -vuorella sijaitsevalla 3,9-metrisellä peilikaukoputkella pystyttiin määrittämään samanaikaisesti 400 kohteen spektrit.

Tähtien ja galaksien spektreissä näkyy tummia viivoja, jotka kertovat kohteiden ominaisuuksista, kuten koostumuksesta, lämpötilasta ja liikkeestä. Tähtien kehittyessä niiden alkuainekoostumus muuttuu, samoin lämpötila: nuoret tähdet ovat kuumia, vanhat tähdet viileämpiä.

Galaksien iän ohella tutkimus selvittäisi, mihin tahtiin eri-ikäisissä galakseissa syntyy uusia tähtiä. Ikääntyessään valtaosa tähdistä muuttuu vuosimiljoonien ja -miljardien kuluessa sinisistä punaisiksi.

Spektritutkimus paljastaa sinisten ja punaisten tähtien suhteen. Mitä enemmän jossain galaksissa on punaisia tähtiä, sitä iäkkäämpi sen täytyy olla. Asiaan vaikuttaa myös galaksin rakenne ja siinä olevan tähtienvälisen aineen määrä, mutta pääpiirteissään tilanne on tämä.

Varsinaisen tutkimuksen ohessa tähtitieteilijäkaksikko päätti huvin vuoksi selvittää, minkä väristä olisi kaikissa 200 000 galaksissa olevien kaikkien miljardien miljardien tähtien yhteenlaskettu valo.

Turkoosia, oli laskelman tulos.

Se ei ollut mitenkään yllättävää. Nuoret, siniset tähdet säteilevät voimakkaasti, joten niiden vaikutus ”maailmankaikkeuden väriin” olisi luonnollisesti suurempi kuin vanhuuttaan punertuneiden, jo himmeiksi käyneiden tähtien.

Odotusten mukainen tulos oli kuitenkin väärä.

Beessi. Voiko enää tylsempää väriä olla?

Määrittäessään, miten ihmissilmä aistisi yhteenlasketun valon värin, Glazebrook ja Baldry käyttivät vertailukohtana valkoista, joka ei ollutkaan valkoinen vaan hieman pinkahtava. Se sai laskelman värimaailman siirtymään voimakkaasti kohti vihreää.

Kun tietokoneohjelmassa ollut virhe korjattiin, tulokseksi saatu väri muuttui radikaalisti: raikkaasta turkoosista tulikin nuhjuinen beige.

Beessi. Voiko enää tylsempää väriä olla? Se on kuin tuulahdus menneiden vuosikymmenten sisustus- ja muotimaailmasta. Osuvaa tietysti sikäli, että kyse on vanhimmillaan yli kahden miljardin vuoden ikäisestä valosta.

Universumin ominaissävyllä on tarkat arvot eri väriavaruuksissa.

Universumin ominaissävyllä on tarkat arvot eri väriavaruuksissa.

Kun Washington Post uutisoi tähtitieteilijöiden määrittäneen maailmankaikkeuden värin, jutussa haastateltu Glazebrook kertoi toivovansa sille vetävämpää nimeä kuin ankea beige.

Peter Drum, tähtitieteilijä itsekin, luki sanomalehteä Starbucksissa maitokahvia siemaillen ja huomasi juomansa muistuttavan jutun yhteyteen painettua maailmankaikkeuden väriä.

Lehden keräämien nimivaihtoehtojen – mukana sellaisia kuin Astronomer Almond, Skyvory ja Univeige – joukosta Glazebrook ja Baldry mieltyivät Drumin ehdotukseen Cosmic Latte eli ”kosminen latte”.

Värillä on myös täsmällisempiä määritelmiä. joiden avulla sen voi halutessaan loihtia vaikka tietokoneen ruudulle. HTML-värikartassa se on #FFF8E7, sRGB-profiilissa sen arvo on (255, 248, 231). Mutta beessi mikä beessi.

Jos siis haluaa huoneeseen aitoa avaruudellista tuntua, seiniin ja kattoon ei kannata valita tummanpuhuvia sävyjä, vaan aavistuksen ruskeaan taittuva valkoinen väri.

Maailmankaikkeus ei kuitenkaan yötaivaalle katsoessa näytä edelleenkään sen paremmin turkoosilta kuin beigeltäkään, joten mistä universumin väri kertoo?

”Beige on aika lähellä valkoista, joten tähtien säteilemässä valossa on kaikkia spektrin värejä suunnilleen siinä suhteessa kuin valkoisen värin aistimukseen tarvitaan”, toteaa Helsingin yliopiston kosmologian professori Kari Enqvist.

”Aurinkokin on väriltään kellanvalkoinen, joten tuo beige vivahdus kertoo, että värissä on mukana hieman enemmän punaista kuin pelkästään Auringon kaltaisten tähtien säteilyssä. Siihen saattaa vaikuttaa myös tähtienvälinen pöly, joka saa lävitseen kulkevan valon hieman punertumaan.”

 

Huolimatta siitä, että Glazebrook ja Baldry käyttivät mittavaa havaintoaineistoa, heidän tarkastelemansa galaksit ovat vain mitätön murto-osa kaikista maailmankaikkeuden lukemattomista tähtijärjestelmistä. Värinmääritykseen on siksi syytä suhtautua vähintäänkin varauksella.

”Ei se kovin luotettava ole, sillä 400 000 galaksia on melkoisen pieni otos”, Enqvist sanoo.

”Esimerkiksi parin vuoden kuluttua laukaistava Euclid-avaruusteleskooppi mittaa noin miljoonan galaksin spektrit.”

Epävarmuutta lisää se, että tutkimuksessa tarkastellut galaksit ovat erilaisilla etäisyyksillä Maasta. Kaukaisimpien ja lähimpien välillä on matkaa pari miljardia valovuotta.

Vaikka tähtitieteessä käytetty valovuosi ei olekaan ajan vaan etäisyyden yksikkö, tarkoittaa se silti myös ajallista eroa.

Näemme kahden miljardin valovuoden etäisyydellä olevan galaksin sellaisena kuin se oli kaksi miljardia vuotta sitten. Puolet lähempänä olevasta galaksista tuleva valo kertoo miljardi vuotta nuoremmasta tähtijärjestelmästä.

Ikäeroa kuvastaa se, että miljardi vuotta sitten maapallolla oli vasta meressä uiskentelevia yksisoluisia eliöitä.

Kosminen latte koostuu siis hyvin eri-ikäisistä värisävyistä. Miten se vaikuttaa tulokseen?

”Siinäpä se. Halutaanko väri määrittää jollakin tietyllä yhteisellä ajanhetkellä, jolloin galaksit ovat keskenään ’samanikäisiä’, vai sillä hetkellä, kun säteily – olipa se minkä ikäistä tahansa – tavoittaa Maan? Toisaalta kun galaksiotoksen koko on näin pieni eivätkä ne ole valtavan erilaisilla etäisyyksillä, sillä ei ole kovin suurta merkitystä.”

Miljardi vuotta on meidän näkökulmastamme pitkä aika, mutta maailmankaikkeuden mittakaavassa siinä ajassa ei vielä kovin mullistavia muutoksia ehdi tapahtua. Esimerkiksi Auringolla on ikää noin viisi miljardia vuotta ja se on loistanut jokseenkin nykyisellään valtaosan tuosta ajasta.

Punasiirtymien avulla on mahdollista määrittää galaksien etäisyyksiä.

Vasta jos maailmankaikkeuden väri määritettäisiin vaikkapa kymmenen miljardin valovuoden etäisyydellä sijaitsevista galakseista, tulos todennäköisesti poikkeaisi Glazebrookin ja Baldryn määrittämästä sävystä. Tai jos aineistona käytettäisiin Euclid-avaruusteleskoopin runsaslukuisia mittauksia.

Sen lisäksi, että säteilyn väriin vaikuttaa galaksien etäisyys ja sen myötä niiden ikä, väri muuttuu myös universumin vanhentuessa ja kasvaessa kokoa.

Maailmankaikkeuden laajeneminen todettiin liki 90 vuotta sitten, kun Edwin Hubble mittasi galaksien punasiirtymiä.

Samalla tavalla kuin lähestyvän hälytysajoneuvon ääni on korkeampi kuin loittonevan, meihin nähden liikkuvan galaksin säteilemän valon aallonpituus muuttuu. Vaikka ääniaallot ja sähkömagneettinen säteily, myös valo, ovat luonteeltaan erilaisia, periaatteessa ilmiö on samanlainen.

Lähestyvien galaksien valossa tapahtuu sinisiirtymä, etääntyvien galaksien valossa punasiirtymä. Nimensä nämä muutokset ovat saaneet siitä, että tähtijärjestelmien spektreissä havaitut tummat viivat siirtyvät liikkeen suunnasta riippuen kohti spektrin sinistä tai punaista päätä.

Hubble totesi, että punasiirtymä on sitä suurempi mitä kaukaisemmasta galaksista on kyse. Mitä kauempana jokin galaksi meistä on, sitä nopeammin se meistä etääntyy. Selityksenä on maailmankaikkeuden laajeneminen.

Koska punasiirtymät kasvavat säännönmukaisesti etäisyyden myötä, niiden avulla on mahdollista määrittää galaksien etäisyyksiä.

Juuri siihen perustui esimerkiksi Glazebrookin ja Baldryn käyttämä galaksikartoitus: punasiirtymät kertovat galaksien etäisyydet ja niistä pystytään määrittämään galaksien jakauma ja ryhmittyminen eri suunnissa.

Taivaankappaleiden spektreissä näkyvät tummat viivat paljastavat myös kohteiden liikkeen. Esimerkkinä Arcturus-tähden kirjo.

Taivaankappaleiden spektreissä näkyvät tummat viivat paljastavat myös kohteiden liikkeen. Esimerkkinä Arcturus-tähden kirjo.  © N. A. Sharp / NOAO / AURA / NSF

Avaruuden laajeneminen on kaiken lisäksi kiihtyvää. Havainto tehtiin 1990-luvun lopulla, ja se tuli yllätyksenä. Aiemmin oli otaksuttu, että maailmankaikkeuden massa hidastaisi gravitaatiollaan alkuräjähdyksen seurauksena alkanutta laajenemista.

Tähtitieteilijät pyrkivät mittaamaan koko maailmankaikkeuden massan selvittääkseen, mikä olisi universumin kohtalo. Laajenisiko se loputtomiin, mutta kaiken aikaa hitaammin ja hitaammin? Vai pysähtyisikö laajeneminen ennen pitkää ja kääntyisi mahdollisesti jopa supistumiseksi?

Silloin alkuräjähdystä seuraisi kymmenien tai satojen miljardien vuosien kuluttua loppurysähdys. Ja sitä mahdollisesti uusi alkuräjähdys. Ehkä nykyisen maailmankaikkeuden alkuräjähdystäkin edelsi aiemman universumin loppurysähdys.

Otaksumat olivat vääriä ja pyrkimykset turhia. Kosmos kasvaakin kaiken aikaa nopeampaa tahtia. Syytä siihen ei tiedetä, joten selitykseksi on kehitetty teoria pimeästä energiasta.

Mystisestä pimeästä aineesta, jota on maailmankaikkeudessa yli viisi kertaa enemmän kuin tavallista ainetta, ei tiedetä juuri mitään. Pimeästä energiasta tiedetään kuitenkin vielä vähemmän.

Ainoastaan se, että pimeä energia muodostaa yli kaksi kolmasosaa koko maailmankaikkeudesta, ja että se kumoaa niin näkyvän kuin pimeänkin aineen gravitaation vaikutuksen.

 

Joka tapauksessa avaruuden alati kiihtyvä laajeneminen vaikuttaa myös maailmankaikkeuden väriin.

”Maailmankaikkeuden laajeneminen venyttää valon aallonpituutta. Kun laajeneminen on kiihtyvää, tämä punasiirtymä kasvaa yhä kiivaammin. Lopulta koko universumi punasiirtyy näkymättömiin”, Enqvist sanoo.

Maailmankaikkeudella ei enää siinä vaiheessa ole mitään väriä. Kovin suurta syytä huoleen ei ole, koska siihen on aikaa vielä miljardeja ja taas miljardeja vuosia.

Maailmankaikkeus on ja pysyy beigenä vielä pitkään. Vaikka ei siltä näytäkään.

Yötaivaalle katsellessa ei saa vahvaa vaikutelmaa beigestä sävystä, mutta tyystin pois oikeasta tämä laskennallinen väri ei ole. Paljain silmin sitä ei pysty erottamaan, mutta jos katselee suurilla kaukoputkilla otettuja kuvia galakseista, sieltä se löytyy.

Galaksien keskusalueet ovat yleensä väriltään hyvin lähellä kosmista lattea. Valo on pääosin peräisin ikälopuista punaisista jättiläistähdistä.

Ihan sama kuin väittäisi: ”Tältä universumi kuulosti!” No ei kuulostanut.

Paitsi että värin määrittämiseen käytetty havaintoaineisto oli laajuudestaan huolimatta rajallinen, saatu tulos on pelkkä keskiarvo: maailmankaikkeus on vain keskimäärin beige.

Avaruudessa on väriltään beigejä tähtiä yhtä vähän kuin Suomessa perheitä, joissa on täsmälleen tilastojen mukaiset 2,77 lasta.

”Sitä paitsi laskelmassa on niin monta lopputulokseen vaikuttavaa tekijää, että parempi vertaus olisi töölöläisperheen keskimääräinen lapsiluku osapuilleen viimeisen sadan vuoden aikana.”

Enqvistin mukaan maailmankaikkeuden väriä koskevilla pohdinnoilla ei kiinnostavuudestaan huolimatta ole kuriositeettiarvoa kummempaa tieteellistä merkitystä.

”Ne ovat vähän saman henkisiä kuin gravitaatioaaltojen tai kosmisen mikroaaltotaustan muuntaminen jollakin algoritmilla korvin kuultaviksi ääniaalloiksi. ’Tältä universumi kuulosti!’ No ei kuulostanut.”