Ehkä suurin keksintö universumista, jonka teimme viime vuosisadan lopulla, kun löysimme yhden outoimmista kosmisista totuuksista: kaukana olevat galaksit eivät vain lentä meiltä ajan myötä eteenpäin, vaan myös lentävät nopeammin. Löytäminen maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajentumisesta osana Supernova-kosmologiaprojektia High-z Supernova -työryhmän avulla ansaitsi tutkijoille fysiikan Nobel-palkinnon. Vaikka tämä on yksi omituisimmista ja epätavallisimmista ilmiöistä maailmankaikkeudessa.
Tosiasia on, että maailmankaikkeus ei aina kiihtynyt, lentäen pois meistä. Miljardien vuosien ajan laajentuminen on hidastunut, ja jollekin kymmenen miljardia vuotta sitten elävälle henkilölle saattaa vaikuttaa siltä, että se supistuu. Mitä tapahtui?
1920-luvulla esitettiin neljä todistusaineistoa - kolme havaittavissa olevaa ja yksi teoreettinen - maailmankaikkeuden laajenemisesta. Täällä he ovat:
1. Huomasi, että yötaivaan spiraalimutot olivat todellisia galakseja tai "saareuniversioita", jotka sisälsivät miljardeja tähtiä ja sijaitsevat kaukana Linnunradan ulkopuolella.
2. Vesto Sliferin suorittama näiden galaktien punaisten ja bluesin siirtymien mittaus osoitti, kuinka nopeasti nämä galaksit joko siirtyvät meistä (punasiirtymä) tai lähestyvät meitä (blueshift), ja suurin osa noudatti ensimmäistä skenaariota.
3. Etäisyysmittaukset kuhunkin näistä galakseista suorittivat Edwin Hubble ja hänen avustajansa Milton Humason. Yhdistettynä Slipherin havaintoihin, ne paljastivat selkeän suhteen: mitä kauempana galaksi oli, sitä nopeammin se näytti siirtyvän meistä.
4. Lopuksi, voimakas teoreettinen harppaus, joka on tehty Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ansiosta: Huomaa, että maailmankaikkeuden, joka on täynnä suunnilleen saman tiheyden galaksia kaikissa suunnissa, on oltava epävakaa, ellei se laajene tai supistu.
Tämä johti kuvaan vuoden 1929 maailmankaikkeudesta: se oli kuumempi, tiheämpi ja laajeni aiemmin nopeammin, ja sitten tuli kylmemmäksi, vähemmän tiheäksi ja laajeni hitaammin ajan myötä.
Mainosvideo:
Tämä on varsin loogista ison räjähdyksen kannalta. Kuvittele isoa räjähdystä suuren avaruuskilpailun aloituspistoolina, kisana, joka oli aluksi erittäin nopea toisen puolen laajennuksen ja toisella puolella olevan painovoiman välillä, joka vetää kaiken yhteen. On helppo kuvitella kolme eri vaihtoehtoa, joista jokainen johtaa erilaiseen maailmankaikkeuden tahtiin:
1. Suuri puristus. Ehkä alkuperäinen laajentumisaste oli melko korkea, mutta painovoima oli vahvempi. Laajenemisen tulisi hidastua ja pysähtyä. Universumin on saavutettava maksimikoko ja alkaa kutistua. Ja lopuksi sen on romahtanut uudelleen, palaaen tilaan ennen isoa iskua.
2. Suuri jäätyminen. Tämä on päinvastainen skenaario edelliselle: jossa laajennus alkaa nopeasti ja painovoima hidastaa sitä, mutta ei tarpeeksi. Laajentuminen kestää ikuisesti, painovoima hidastaa sitä koko ajan, mutta ei voi pysäyttää sitä. Tätä skenaariota kutsutaan maailmankaikkeuden lämpökuolemaksi: Suuri jäätyminen.
3. Kriittinen maailmankaikkeus. On myös mahdollista, että joudut keskeltä, kun laajentumisnopeus ja painovoima tasapainottavat toisiaan, ja laajenemisnopeus hidastuu ajan myötä. Yksi hiukkanen vähemmän, yksi enemmän hiukkasia maailmankaikkeudessa - ja saat ensimmäisen tai toisen skenaarion. Mutta tätä partikkelia ei ole olemassa. "Kriittisen maailmankaikkeuden" skenaario johtaisi hitaimpaan mahdolliseen kuolemaan.
Miljardien vuosien ajan näytti, että kriittinen vaihtoehto voittaa. Katsot, kun asut maailmankaikkeudessa ja katsot erilaisia galakseja, et voi mitata vain nykyistä laajentumisnopeutta, vaan katsomalla kaikkein kaukaisimpia galakseja, voit myös mitata laajentumisnopeutta maailmankaikkeuden historian alussa.
Tämä kuva näyttää galakseista, joita meille ei ole jo saavutettu.
Miljardien vuosien ajan - tarkalleen ottaen noin seitsemän miljardia - näytti siltä, että eläisimme kriittisessä maailmankaikkeudessa. Laajentuminen alkoi säteilyn aikakaudella (fotonit ja neutrinot), ja sitten kaikki jäähtyi tarpeeksi, jotta aineen aikakausi (sekä tavallinen että tumma) alkaisi. Kun maailmankaikkeus jatkoi laajentumistaan, aineen tiheys laski ja putosi, kun aineen tilavuus kasvoi ja massa pysyi samana.
Mutta jossain vaiheessa aineen tiheys laski niin alhaiseen arvoon, että ilmaantui toinen, hienovaraisempi tekijä maailmankaikkeuden energiatiheyteen: tumma energia. Noin seitsemässä miljardissa vuodessa tumman aineen arvo oli useita prosentteja kokonaisenergiatiheydestä, ja siihen mennessä, kun maailmankaikkeus oli 7,8 miljardia vuotta vanha, tumman energian tiheys oli saavuttanut tärkeän arvon: 33% maailmankaikkeuden kokonaisenergian tiheydestä. Tämä on tärkeätä, koska sitä määrää tummaa energiaa tarvitaan, jotta laajenemisnopeus alkaa nousta.
Siitä lähtien, noin 6 miljardia vuotta sitten, aineen tiheys alkoi laskea, kun taas pimeä energia pysyi vakiona. Nykyisin pimeä aine muodostaa noin 68% maailmankaikkeuden kokonaisenergiasta ja aine on pudonnut 32%: iin (27% pimeästä ja 5% tavallista ainetta). Ajan myötä tulevaisuudessa aineen tiheys laskee edelleen, kun taas pimeän energian tiheys pysyy vakiona, pimeä energia on yhä yleisempi.
Energiatiheys universumissa eri aikoina sen menneisyydessä
Yksittäisissä galakseissa tämä tarkoittaa, että galaksi, joka alkoi siirtyä pois meistä Ison räjähdyksen aikaan nopeammin kuin muut, osoittaa nopeuden selvän laskun (meidän näkökulmasta) ensimmäisen 7,8 miljardin vuoden aikana. Tällöin hidastuvuusluku lakkaa laskemasta ja pysyy muuttumattomana jonkin aikaa. Sitten se alkaa kasvaa, ja galaksi alkaa siirtyä meistä jopa nopeammin kuin ennen, koska tila meidän ja kaukaisten galaksien välillä laajenee valtavalla nopeudella. Jossain vaiheessa - ja tämä on pelottavaa, koska se koskee 97% galaktikoista näkyvässä universumissamme - jokainen paikallisen ryhmämme ulkopuolella oleva galaksi siirtyy pois valon nopeutta suuremmalla nopeudella, jolloin tulee fyysisten rajoitusten takia ulottumattomissamme.
Keltaisella linjalla on näkyvän maailmankaikkeuden nykyinen koko: 46 miljardia valovuotta; Saatava koko on vaaleanpunainen: 14,5 miljardia valovuotta
Sikäli kuin voimme kertoa, maailmankaikkeudella on aina ollut niin paljon tummaa energiaa, joka sillä on luonnostaan itse kosmossa. Mutta kesti 7,8 miljardia vuotta tai koko maailmankaikkeuden historiaa puolitoista miljardia vuotta ennen kuin aurinkokuntamme muodostui, jotta aineen tiheys laski sellaiselle tasolle, että tumma energia otti maailmankaikkeuden laajentumisen. Sittemmin kaikki paikallisen ryhmämme ulkopuolella olevat galaksit ovat poistuneet meistä ja jatkavat taantumistaan, kunnes viimeinen katoaa. Universumi on laajentunut viimeisen kuuden miljardin vuoden aikana, ja jos olisimme ilmestyneet aikaisemmin, emme ehkä ole ylittäneet näitä kolmea intuitioomme tarjoamaa vaihtoehtoa. Parhaimmillaan voimme vain arvata, mikä maailmankaikkeus tarkalleen on. Ja se olisi suurin palkkio.