Maailmankaikkeuden historia tarkentui

Maailmankaikkeuden kehitys uusimman tiedon valossa.
 Kuva ESA/Planck Collaboration.

Vuonna 2013 toimintansa päättänyt Panck-avaruusobservatorion kokoaman datan tutkiminen on alkanut tuottaa uusia tuloksia. Nämä tulokset ovat nyt muuttamassa tai paremminkin tarkentamassa maailmankaikkeutemme historiaa sen alun osalta. Uusia tieteellisiä tuloksia on saavutettu niin ensimmäisten tähtien syntymisajankohdasta kuin oman Linnunratamme magneettikentästä.

Merkittävä uusi tutkimustulos on se, että maailmankaikkeuden ensimmäiset tähdet syntyivät noin 140 miljoonaa vuotta myöhemmin kuin aikaisemmin oli päätelty^[1]. Ero saattaa tuntua pieneltä jos sitä vertaa maailmankaikkeutemme 13,8 miljardin vuoden ikään, mutta näin ei ole. Sataneljäkymmentä miljoonaa vuotta myöhemmin syntyneet tähdet poistavat ongelmat mm. siitä, että ei tarvita mitään aikaisemmin tuntematonta energialähdettä maailmankaikkeuden uudelleen ionisoitumiseen.

Ajatus tuntemattomasta energialähteestä oli syntynyt Hubble avaruuskaukoputken ottamien erittäin syvä taivaan kuvien myötä. Kuvat osoittavat, että reionisaatio^[2] olisi pitänyt käynnistyä ensimmäisten galaksien syntyessä noin 300–400 miljoonaa vuotta maailmankaikkeuden alun jälkeen. Ongelma oli siinä, että silloin galakseissa ei ollut riittävää puhtia reionisaation käynnistämiseen. Galaksien ja ensimmäisten tähtien synty satamiljoonaa vuotta myöhemmin poistaa eksoottisen energialähteen tarpeen.

Planckin tekemien havaintojen perusteella on laskettu uusia lukuja maailmankaikkeudelle

• Maailmankaikkeuden ikä on 13,799±0,038 miljardia vuotta
• Hubblen vakio T₀ on 67,8±0,9 km/s/megaparsek^[3]
• Pimeän energian osuus on 69,2± 1,2 % koko massaenergiasta.

Planckin kokoamasta aineistosta on pystytty määrittämään myös mikroaaltotaustasäteilyn tiheydenvaihtelun muutos kulmamittakaavan funktiona (n_s) josta on myös käytetty ilmaisua ”skalaarispektrin indeksi”. Indeksi kuvaa inflaation lopun tilannetta. Planckin havainnoista on indeksille johdettu arvo 0,968, joka merkitsee sitä että suuren mittakaavan vaihtelun voimakkuus on hitusen voimakkaampaa kuin mitä on ennustettu useimmissa inflaatiomalleissa.

Tähtienvälisen avaruuden pöly pilvien ja Linnunradan magneettikentän rakenteen välinen vuorovaikutus näkyy Planckin tekemissä havainnoissa hyvin selvästi. Mikroskooppisen pienent pölyhiukkaset kääntävät pidemmän akselinsa kohtisuoraan magneettikenttään vastaan. Hiukkasista emittoitunut sähkömagneettinen säteily polarisoituu hiukkasista ja näin polarisaatiosuunnan määrittäminen kertoo magneettikentän suunnan ja pölyhiukkasten tiheyden. Kuvan värit kertovat säteilyn voimakkuudesta: tummanpunainen voimakkainta ja tumman sininen heikointa. Kuva ESA/Planck Collaboration.

Huomautukset

[1] 420 miljoonan vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa

[2] Uudelleen ionisoituminen (engl. reionization) on maailmankaikkeuden sisältämän (vety) kaasun ionisoitumista tähtien säteilemän uv-valon vaikutuksesta.

Noin 380 000 vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa protonit ja heliumytimet vangitsivat elektronit orbitaaleille (rekombinaatio), jolloin aineesta tuli sähköisesti neutraalia. Maailmankaikkeuden lämpötila oli tällöin noin 3000 K ja aine säteili voimakkasti valoa. Rekombinaation seurauksena sähkömagneettinen säteily pääsi etenemään vapaasti ja me havaitsemme sen nyt mikroaaltotaustasäteilynä (CMB).

Maailmankaikkeuden laajetessa sen lämpötila laski jatkuvasti ja koska tähtiä ei vielä ollut syntynyt, se oli myös pimeä. Tämä ajanjakso oli ensimmäinen kosminen pimeä aika ja sen on ajateltu kestäneen ensimmäiset 500 miljoona vuotta. Pimeä aika päättyi ensimmäisten kirkkaiden tähtien ja galaksien syntymisen myötä. Tähtien säteilemän voimakkaan uv-valon vaikutuksesta tähtiin sitoutumaton kaasuatomit (uudelleen) ionisoituivat ja muodostivat plasmaa.  Luonnollisesti ionisoituminen ei tapahtunut kaikkialla samaan aikaan vaan se vaati aikaa lähes 500 miljoonaa vuotta ennen kuin reionsaatio oli edennyt kaikkialle maailmankaikkeuteen. Tässä vaiheessa hieman alle miljardin vuoden ikäisen maailmankaikkeuden täytti harva ionisoitunut vety, joka ei pystynyt estämään sähkömagneettisen säteilyn etenemistä.

[3] Megaparsek on miljoona parsekia ja yksi parsek on 3,26 valovuotta (206 265 au). Etäisyys on se, josta Maan radan säde (1 au) näkyy yhden kaarisekunnin mittaisena. Tähtitieteilijät käyttävät parsekia (pc) laskuissaan etäisyysmittana, koska se tekee niistä helpompia, usein jopa päässä laskettavia.