Katso, ihme!

Kaiken tutkimisen jälkeen maailmankaikkeudessa on paljon sellaista, mitä tiede ei täysin ymmärrä. Tässä seitsemän universumin ihmettä.

Näemme vain viisi prosenttia universumin massasta, loppu on tuntematonta ainetta tai energiaa. © NASA / ESA

”Maailmankaikkeudessa on käsittämättömintä, että pystymme ymmärtämään sitä.”

Näin totesi suhteellisuusteoriat kehittänyt Albert Einstein. Hän kuitenkin liioitteli, ymmärrämme vain osan maailmankaikkeudesta ja sen ilmiöistä. Ymmärrettäviltä osiltaankin universumi vaikuttaa edelleen varsin omituiselta.

Vaikka vuosituhannen vaihteessa ounasteltiin ”tieteen loppua” ja tieteellisen tutkimuksen rajoittumista jatkossa pelkkään pikkuseikkojen viilaamiseen, on työtä vielä riittämiin.

Jos maailmassa on seitsemän ihmettä, maailmankaikkeudessa niitä on ainakin saman verran.

 

1. Mustat aukot – avaruuden imurit

Mustien aukkojen olemassaoloa ounasteltiin jo 1700-luvulla. John Michell päätteli Sir Isaac Newtonin gravitaatiolain pohjalta, että avaruudessa voi olla ”pimeitä tähtiä”. Suunnattoman vetovoimansa takia ne eivät säteile lainkaan valoa.

Mustien aukkojen todelliseen luonteeseen päästiin käsiksi vasta 1900-luvun alkupuolella yleisen suhteellisuusteorian myötä.

Kun jättiläistähden ”polttoaine” eli vety loppuu, mikään ei enää vastusta suunnatonta vetovoimaa, joten tähti luhistuu ja räjähtää supernovana.

Jäljelle jää laajeneva kaasupilvi, mutta mahdollisesti myös auringon massainen, ainoastaan kymmenen kilometrin läpimittainen neutronitähti tai mystinen musta aukko.

Periaatteessa musta aukko on taivaankappale siinä missä muutkin avaruuden kohteet, mutta sen gravitaatio on niin suuri, että edes valo ei pääse pakenemaan sen kahleita. Mystisyys tulee vastaan mustan aukon sisällä.

Mustan aukon sisuksista nykytiede ei pysty sanomaan mitään varmaa. Sieltä ei pääse ulos mitään, mikä voisi kertoa pohjattoman kuilun olosuhteista.

 

Taiteilijan näkemys kvasaarista, joka saa valtaisan energiansa kaksi miljardia kertaa Aurinkoa massiivisemmalta mustalta aukolta.

Taiteilijan näkemys kvasaarista, joka saa valtaisan energiansa kaksi miljardia kertaa Aurinkoa massiivisemmalta mustalta aukolta. © ESO / M. Kornmesser

2. Kvasaarit – kosmiset teinit

Kvasaarit eli pistemäiset tähdenkaltaiset kohteet ovat käsittämättömän kaukana. Se merkitsee, että niiden täytyy olla hyvin kirkkaita, jotta ne ylipäätään näkyvät miljardien valovuosien päästä.

Mistä niin suuri määrä energiaa voi olla peräisin? Mustista aukoista. Se voi kuulostaa nurinkuriselta, sillä mustat aukot eivät säteile lainkaan.

Kvasaarin voimanlähde ei olekaan jättiläistähden raato vaan valtava musta aukko, joka on massaltaan satojatuhansia tai jopa miljardeja kertoja Aurinkoa suurempi.

Nykykäsityksen mukaan käytännössä jokaisen galaksin, myös oman kotigalaksimme Linnunradan, keskellä on tällainen hurjimus.

Kun mustaan aukkoon syöksyy ainetta, sen ympärille muodostuu kertymäkiekko, jossa vinhasti vispaava aine kuumenee hurjasti. Kiekko säteilee voimakkaasti eri aallonpituusalueilla ja saa galaksin loistamaan kirkkaana kvasaarina.

Kvasaarit ovat kuitenkin kaukaisia ja siten vanhoja kohteita, ne liittyvät galaksien varhaisiin kehitysvaiheisiin. Kun galaksi ikääntyy, mustalta aukolta loppuu ”ruoka” ja se hiljenee.

Näin on käynyt myös Linnunradassa, joka on nuoruudessaan käynyt läpi raivokkaan kvasaarivaiheen, eräänlaisen kosmisen teini-iän, mutta vanhemmiten se on rauhoittunut ja seestynyt – meidän onneksemme.

 

Kahden galaksijoukon kolari antaa vinkkejä pimeän aineen (merkitty sinisellä) olemassaolosta.

Kahden galaksijoukon kolari antaa vinkkejä pimeän aineen (merkitty sinisellä) olemassaolosta. © NASA / STScI / CXC / CfA / ESO / U. Arizona

3. Pimeä aine – universumin liima

Pimeän aineen jäljille pääsi Fritz Zwicky jo 1930-luvulla. Hän totesi, että galaksijoukkojen yksittäiset galaksit liikkuvat niin nopeasti, että niiden pitäisi oikeastaan karata avaruuteen, ellei joukoissa ole jotain näkymätöntä tai ”pimeää” ainetta, joka pitää ne vetovoimallaan aisoissa.

Ajatus unohtui vuosikymmeniksi. Vasta 1970-luvun loppupuolella Vera Rubin totesi, että sama ongelma koskee galakseja.

Ne pyörivät niin nopeasti, että teoriassa tähtien pitäisi sinkoilla niiden laitamilta kauas avaruuteen, ellei jokin tuntematon aine vedä niitä puoleensa ja pidä omilla radoillaan.

Näytti siltä, että galakseissa oli pimeää ainetta kymmenen kertaa enemmän kuin näkyvää ainetta eli tähtiä ja kaasua.Tai ei oikeastaan näyttänyt siltä, sillä nimensä mukaisesti pimeä aine ei säteile lainkaan valoa eikä mitään muutakaan.

Tutkijat ovat 400 vuoden uurastuksen tuloksena hukanneet yli 95 prosenttia maailmankaikkeudesta.

4. Pimeä energia – vetovoiman vastavoima

Pimeästä energiasta ei tiedetä sitäkään vähää kuin pimeästä aineesta.

Juuri ennen vuosituhannen vaihdetta todettiin, että vastoin aiempaa käsitystä maailmankaikkeuden laajeneminen ei hidastu, vaan nopeutuu. Avaruus kasvaa ja galaksit etääntyvät toisistaan kiihtyvällä vauhdilla.

Jokin vastustaa maailmankaikkeuden aineen gravitaatiota ja jopa kumoaa sen. Tutkijat päätyivät ehdottamaan syyksi pimeää energiaa, joka olisi eräänlainen poistovoima. Se toimisi vastapainona gravitaation aikaansaamalle vetovoimalle ja laajassa mitassa päihittäisi sen.

Tällä hetkellä arvioidaan, että maailmankaikkeuden massasta ja energiasta vain viitisen prosenttia on meille tuttua eli ”tavallista” ainetta. Pimeän aineen osuus on hieman alle 27 prosenttia ja pimeän energian peräti 68 prosenttia.

Jos varsinaisen tähtitieteellisen tutkimuksen alkupisteeksi määritellään kaukoputken käyttöönotto 1600-luvun alkuvuosina, reilun 400 vuoden uurastuksen tuloksena tutkijat ovat siis onnistuneet kadottamaan yli 95 prosenttia maailmankaikkeudesta.

 

WMAP-satelliitin kartoittama kosminen taustasäteily syntyi nuoressa maailmankaikkeudessa.

WMAP-satelliitin kartoittama kosminen taustasäteily syntyi nuoressa maailmankaikkeudessa. © NASA

5. Kosminen taustasäteily – lähetys aikojen alusta

Kosmisen taustasäteilyn vuonna 1965 löytäneet Arno Penzias ja Robert Wilson kuvittelivat viattomasti selvittävänsä radioyhteyksissä esiintyviä häiriöitä. Tasainen kohina vaikutti olevan yhtä voimakasta kaikissa suunnissa.

Kaksikko ei tiennyt vastaanottavansa maailman vanhinta radiolähetystä.

Alkuräjähdyksen jälkeen vastasyntynyt maailmankaikkeus oli niin kuuma, miljardeja kelvinejä, että se oli pelkkää läpinäkymätöntä tiuhaa hiukkaspuuroa.

Laajenemisen myötä tiheys pieneni, lämpötila laski, ja hiukkaset muodostivat atomeita. Elektronit sitoutuivat protoneihin ja kaikkeus muuttui läpinäkyväksi: säteily pääsi etenemään esteettä.

Maailmankaikkeudella oli tuolloin ikää noin 380 000 vuotta ja lämpötilaa enää 3 000 kelviniä. Sen jälkeen kosmos on laajentunut, lämpötila on laskenut ja tuolloin vapauteen päässeen säteilyn aallonpituus on venynyt.

Tällä hetkellä tasainen taustasäteily hohkaa vaimeasti millimetrialueella ja vastaa enää 2,7 kelvinin lämpötilaa.

Penzias ja Wilson tulivat vahingossa havainneeksi tämän kosmisen taustasäteilyn, joka on vankimpia todisteita alkuräjähdyksestä. Muut teoriat eivät pysty selittämään kaikista suunnista tulevaa, lähes täydellisen tasaista säteilyä.

 

Kun jättiläistähti luhistuu, syntyy gammapurkaus.

Kun jättiläistähti luhistuu, syntyy gammapurkaus. © Nicolle Rager Fuller / NSF

6. Gammapurkaus  – maailmankaikkeuden toiseksi suurin pamaus

Mikä on maailmankaikkeuden voimakkain räjähdys – siis alkuräjähdyksen jälkeen? Gammapurkausten jäljille päästiin 1960-luvun lopulla, kun ydinkoevalvonnassa käytetyt satelliitit havaitsivat voimakkaita gammasäteilyn pulsseja. Ne poikkesivat ydinräjähdyksissä syntyvistä purkauksista ja tulivat taivaalta, ei alhaalta Maasta.

Huippusalaisten satelliittien keräämät tiedot julkistettiin vasta 1970-luvun puolella. Sen jälkeen gammapurkauksia on tutkittu erilaisilla gamma-alueen ilmaisimilla. Nykyisin niitä havaitaan tapahtuvan eri puolilla taivasta keskimäärin kerran vuorokaudessa.

Gammapurkausten synnyn selittäminen osoittautui vaikeaksi, osittain sen takia, että niiden ominaisuudet vaihtelevat. Lyhyimmät purkaukset kestävät vain joitakin sekunnin tuhannesosia, pisimmät hehkuvat taivaalla tuntikausia.

Havaintotarkkuuden parantuessa ja instrumenttien kehittyessä gammasäteilyn ryöppyä todettiin usein seuraavan pidemmillä aallonpituuksilla esiintyvä jälkihehku. Kun sekin hiipui, saattoi samalla paikalla näkyä hyvin himmeä galaksi, jossa purkaus oli tapahtunut – tosin ensimmäisen kerran ”emogalaksi” onnistuttiin havaitsemaan vasta 1990-luvun lopulla.

Lyhyet ja pitkät gammapurkaukset syntyvät eri tavoin. Pikaiset säteilypulssit syntyvät, kun kaksi neutronitähteä, hyvin tiheää tähden jäännettä, törmää. Siitä on seurauksena räjähdys, ”kilonova”, jonka kirkkaus on kymmenes- tai sadasosa supernovasta, kuolevan jättiläistähden loppuleimahduksesta.

Pidemmät, yli kaksi sekuntia kestävät gammapurkaukset ovat seurausta jättiläistähtien räjähdyksistä, joissa tähden sisus luhistuu neutronitähdeksi tai mustaksi aukoksi.

Kaikkien voimakkaimmissa hypernovissa voi vapautua energiaa muutamassa sekunnissa saman verran kuin Aurinko säteilee koko elinikänsä eli noin 10 miljardin vuoden aikana.

Koko ajan löydetään uusia eksoplaneettoja. Niiden ominaisuuksien perässä ei pysy vilkkainkaan mielikuvitus.

 

Eksoplaneetta HD 80606b:lla tuuli puhaltaa 4 800 metrin sekuntinopeudella.

Eksoplaneetta HD 80606b:lla tuuli puhaltaa 4 800 metrin sekuntinopeudella. © NASA / JPL-Caltech / G. Laughlin et al.

7. Oudot eksot – rautasade ja kuun kokoinen timantti

Eksoplaneetat eivät ole enää toviin olleet mikään ihme. Ensimmäiset Aurinkokunnan ulkopuoliset, jotain muuta tähteä kuin Aurinkoa kiertävät planeetat löydettiin jo vuonna 1992.

Siitä lähtien löytötahti on kaiken aikaa kiihtynyt. Tällä hetkellä eksoplaneettoja tunnetaan varmuudella jo lähes 3 800 ja vahvoja kandidaatteja on jonossa yli 2 700. Joidenkin arvioiden mukaan Linnunradassa saattaa olla eksoplaneettoja enemmän kuin tähtiä eli satoja miljardeja.

Ihmeellisintä ei kuitenkaan ole eksoplaneettojen suuri määrä vaan niiden valtaisa kirjo.

Aurinkokunnassa on periaatteessa vain kahdenlaisia planeettoja: maankaltaisia kivipalloja ja jättimäisiä kaasuplaneettoja. Ennen eksoplaneettojen löytämistä ajateltiin naiivisti, että oman Aurinkokuntamme planeetat ovat yleisiä myös muualla. Eivät ole.

Eksoplaneettojen ominaisuuksien perässä ei pysy vilkkainkaan mielikuvitus. Kiertoajat, etäisyydet tähdestä, lämpötilat ja muut olosuhteet vaihtelevat enemmän kuin fysiikan lait tuntuisivat sallivan.

Esimerkiksi SWEEPS 10 -planeetta käyttää yhteen kierrokseen aikaa ainoastaan kymmenen tuntia, kun taas GU Psc b kiertää oman tähtensä ympäri kerran 80 000 meikäläisessä vuodessa.

CoRoT-7b-planeetan etäisyys tähdestä on vain 2,5 miljoonaa kilometriä, joten sen pintalämpötila on mahdollisesti jopa 2 500 astetta. Todennäköisesti planeetan pinta on sulaa laavaa, mutta vain päiväpuolella.

Planeetan pyörimisliike on lukkiutunut siten, että se kääntää aina saman puolen kohti tähteä. Toisella puolella vallitsee ikuinen yö ja alhaisempi lämpötila, joten siellä laava on jähmettynyt kiinteäksi kuoreksi. Sitä repivät kuitenkin jatkuvasti voimakkaat tulivuorenpurkaukset.

Planeetalla saattaa olla harva kaasukehä, mutta se koostuu raudasta ja erilaisista mineraaleista. Hehkuvan kuuman planeetan pintaa peittävää laavamerta saattaakin aika ajoin piiskata rautainen sade.

PSR J1719-1438 b on vielä kovempaa kamaa – kauttaaltaan. Uranuksen kokoinen planeetta kiertää neutronitähteä, jonka vetovoima on haalinut itselleen suuren osan alkujaan planeetan aineesta.

Jäljelle on jäänyt vain hyvin tiivis ydinosa, jonka suunnaton paine on puristanut kasaan niin, että hiili on muodostanut timantille ominaisen kiderakenteen. Timantin läpimitta on 60 000 kilometriä.

Entä voiko jokin olla mustempaa kuin hiili, joka ei ole puristunut timantiksi? TrES-2b kiertää auringonkaltaista tähteä. Se on suunnilleen Jupiterin kokoinen kaasuplaneetta, jonka pilvikerros on niin sysimusta, että siihen lankeavasta valosta heijastuu takaisin alle prosentti.

Käytännössä planeetta imee itseensä kaiken siihen osuvan valon.

Jättiläisplaneetta kiertää tähteään noin viiden miljoonan kilometrin etäisyydellä, joten sen pintalämpötila on hyvin korkea, yli 1 800 astetta. Planeetan tummuuden arvellaan johtuvan kaasukehässä esiintyvästä höyrystyneestä natriumista tai kaliumista, tai kaasumaisessa olomuodossa olevasta titaanioksidista.

Vaikka läheskään kaikki tunnetut eksoplaneetat eivät ole näin äärimmäisen eksoottisia, ei ole mikään ihme, että toistaiseksi elämän kannalta suotuisiksi luokiteltavia planeettoja on löydetty hyvin niukalti. Eikä itse elämästä, etenkään älyllisestä, ole vielä nähty jälkeäkään.

Sisältö