Big Bang -alkuräjähdys

Ari Brozinski, Teemu Karlsson

Miksi olemme?

Oletko koskaan käyskennellyt ulkona, katsonut taivaalle ja miettinyt miten kaikki alkoi? Entä oletko tullut pohtineeksi, miten maapallo syntyi tai vaikkapa miten kotoisan Suomi-neitomme muodot ovat kehittyneet? Saadaksemme vastauksen näihin kysymyksiin on meidän matkattava kauas, aina universumin syntyyn, ns. Big Bangiin saakka. Ainoastaan ymmärtämällä, miten maailmankaikkeus on kehittynyt, pystymme käsittämään oman planeettamme, Telluksen, synnyn, kehityksen ja täällä toimivat prosessit.

Ennen kaiken alkua

Meistä saattaa joskus tuntua, että universumi on ollut olemassa jo iät ja ajat. Kuitenkin tiedemiesten mukaan on olemassa aika, jolloin ei ollut edes itse aikaa, puhumattakaan maasta, auringosta, universumista tai muista tuntemistamme asioista. Tarkalleen ottaen rakennushiukkaset (atomit), joista kaikki materia rakentuu, eivät olleet vielä edes syntyneet. Ajattomassa tilassa oleva maailmankaikkeuden edeltäjä on eräiden teorioiden mukaan ollut nk. gravitationaalinen singulariteetti eli eräänlainen äärettömän kuuma ja tiheä piste.

Kaiken alku, Big Bang

Äärettömän kuuma ja tiheä piste räjähti noin 13,8 miljardia vuotta sitten ja maailmankaikkeuden eli universumin synty alkoi. Universumin alun myötä syntyivät aika, materia ja energia eli tapahtui ilmiö, johon usein viitataan termillä Big Bang – alkuräjähdys. Ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana universumin koko oli äärettömän pieni eli pieniä universumeita olisi mahtunut nuppineulan päähän satoja. Pieni koko oli kuitenkin ohimenevä ilmiö sillä tuore maailmankaikkeus alkoi laajeta kiihtyvällä nopeudella. Universumin laajeneminen ensimmäisillä hetkillä tunnetaan inflaationa. Tänä aikana universumin koko kasvoi eksponentiaalisesti lähes nollasta makroskooppiseen mittakaavaan silmänräpäyksessä, noin $10^{-36}$–$10^{-32}$ sekunnin kuluessa.

Nykytiedon mukaan universumin laajeneminen jatkuu edelleen. Laajeneminen vaikuttaa olevan yhä kiihtyvää, mahdollisesti pimeän energian vaikutuksesta. Laajenemisen tarkka nopeus on kuitenkin edelleen yksi modernin kosmologian keskeisistä tutkimuskohteista.

Supervoiman pirstoutuminen

Nopeasta laajenemisesta huolimatta, ehti maailmankaikkeuden 1-sekuntispäivää kuitenkin tapahtua monia asioita. Yksi merkittävistä tapahtumista oli luonnon perusvoimien erottuminen toisistaan. Perusvoimat olivat nk. supersäieteorian mukaan yhdistyneet yhdeksi supervoimaksi, joka käsitti painovoiman, elektromagneettisuuden, sekä heikon ja vahvan vuorovaikutuksen. Laajenemisen jatkuessa syntyi raskaampia alkuaineita ja universumi jäähtyi vähitellen. Siinä vaiheessa, kun varhaisen universumin ainesosille kertyi massaa, erottui painovoima muista voimista omaksi voimakseen.

Supervoiman eri osille on annettu seuraavanlaiset selitykset:

1. Painovoima pitää aurinkokunnat ja galaksit yhdessä, estää aurinkoamme räjähtämästä ulospäin sekä pitää huolen maan ja auringon keskinäisestä sijainnista. Lisäksi se huolehtii elämän ankkuroitumisesta maapallon pintaan.
2. Elektromagneettisuus on voima, joka vaikuttaa sähköisesti varautuneiden partikkelien välillä. Tämä voima tuottaa valon, magnetismin sekä sähkön.
3. Vahva vuorovaikutus sitoo protonit ja neutronit yhteen atomeissa ja se vaikuttaa pienellä alueella.
4. Heikko vuorovaikutus vastaa radioaktiivisesta hajoamisesta ja sekin vaikuttaa pienellä alueella.

Universumin rakenne

Universumin suuren mittakaavan rakenne ei ole sattumanvarainen. Se muistuttaa valtavaa kosmista verkkoa, joka koostuu galakseista, kaasusta ja pimeästä aineesta. Tämä verkko muodostuu solmuista (galaksijoukot), tyhjistä alueista (lähes aineettomat alueet) ja pitkistä, säiemäisistä rakenteista, jotka ulottuvat satojen miljoonien valovuosien päähän.

Kosmiset säikeet ovat universumin suurimpia tunnettuja rakenteita. Ne toimivat siltoina galaksijoukkojen välillä ja ohjaavat ainetta painovoiman avulla. Galaksit sijoittuvat usein näiden säikeiden suuntaisesti, ja ne näyttävät jopa pyörivän keskensä ympäri samaan suuntaan, mikä viittaa siihen, että säikeet vaikuttavat galaksien kehitykseen ja niiden pyörimisliikkeeseen.

Lopputulos on universumi, joka on järjestäytynyt valtavassa mittakaavassa, ei tasaiseksi ja yhtenäiseksi tilaksi, vaan monimutkaiseksi verkoksi, jota muovaavat painovoima, pimeä aine ja alkuräjähdyksestä peräisin olevat alkuperäiset vaihtelut aineen jakautumisessa.

Sekunneista vuosimiljardeihin

Universumin kehitys on ollut hyvin nopeaa ja toisaalta äärimmäisen hidasta. Ainoastaan yhden sekunnin kuluttua alkuräjähdyksestä oli muodostunut joukko alkuaineita, niitä muodostavat protonit, neutronit ja elektronit, sekä fysiikan lait. Toisaalta ensimmäiset tähdet muodostuivat vasta n. 400 miljoonaa vuotta myöhemmin ja ensimmäiset galaksit yli miljardi vuotta niiden jälkeen. Oma Aurinkokuntamme alkoi muodostua yli 4,5 milardia vuotta sitten. Alla olevassa kuvassa nähdään WMAP (Wilkinson Microwave Anistropy Probe) luotaimen keräämän datan pohjalta piirretty kuva universumin synnystä, siinä tapahtuneista ilmiöistä ja sen laajenemisesta.

Lähteet

Gasperini, M. & Veneziano, G. 2003: Physics Reports 373: 1-212.

Goldsmith, D. ja Owen, T. 2002:The Search for Life in the Universe, 3rd ed. University Science Books. USA.

Lopresto, J. 1990: The Big Bang in Conversation: Understanding the Big Bang. The Astronomy Quarterly 7: 87-94. https://doi.org/10.1016/0364-9229(90)90013-Q

Press, F., Siever, R., Grotzinger, J. ja Jordan, T.H. 2003: Understanding Earth, 4th ed. W.H. Freeman and Company. USA.

Trevors, J. T. 2006: The Big Bang, Superstring Theory and the origin of life on the Earth. Theory in Biosciences 124: 403-412. https://doi.org/10.1016/j.thbio.2005.04.002

Madalina N Tudorache, S L Jung, M J Jarvis, I Heywood, A A Ponomareva, A A Vărăşteanu, N Maddox, T Yasin, M Glowacki, A 15 Mpc rotating galaxy filament at redshift z = 0.032, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 544, Issue 4, December 2025, Pages 4306–4316, https://doi.org/10.1093/mnras/staf2005