Kuka tahansa, joka on joskus kokenut sen, ei epäile, etteikö yötaivas itse asiassa olisi pimeä. Mutta… tämän yksinkertaisen tosiasian selittäminen, jos sitä ajattelee syvällisesti, herättää paljon kysymyksiä, joita on käsiteltävä.
Wikimedia Commonsin käyttäjä ForestWander
Meidän näkökulmastamme täällä aurinkokunnassa on täysin intuitiivisesti ymmärrettävää, miksi näemme sen, mitä näemme päivällä ja miksi yöllä. Päivällä auringonvalo tulvii ilmakehäämme joka suunnasta, ja sekä suora että heijastunut auringonvalo saapuu meille kaikkialta, minne voimme nähdä. Yöllä auringonvalo ei tulvi ilmakehään, ja siksi taivaalla on pimeää kaikkialla siellä, missä ei ole valopistettä, kuten tähteä, planeettaa tai kuuta.
Mutta saatat alkaa miettiä hieman syvällisemmin. Jos maailmankaikkeus on ääretön, eikö näköyhteytemme pitäisi lopulta törmätä tähteen riippumatta siitä, mihin suuntaan katsomme? Kun otetaan huomioon, että tuolla ulkona on triljoonia galakseja, ja että teleskoopit pystyvät näkemään niitä heikkoja galakseja, joita silmämme eivät pysty näkemään, miksei kaikkien niiden valo yhdessä valaise jokaista taivaankohtaa? Kysymykseen ei ole helppo vastata, mutta tiede pystyy vastaamaan haasteeseen.
Linnunrata lähellä Grand Canyonia, sattumalta ensimmäinen paikka, jossa itse näin Linnunradan… mikä tapahtui vasta parikymppisenä, koska kasvoin kaupunkialueilla. Linnunradan taso näyttäytyy tummana, siluettina taustatähtiä vasten, jotka sijaitsevat galaksimme tasossa.
Bureau of Land Management, cc-by-2.0-lisenssillä
Tämä arvoitus on askarruttanut tutkijoita vuosisatojen ajan. Jos mietit sitä syvällisesti, siinä ei ehkä ole edes järkeä. Kyllä, on totta, että ilmakehämme täällä maapallolla on suurelta osin läpinäkyvä näkyvälle valolle, minkä ansiosta voimme yöllä nähdä syvän avaruuden valtavaan kuiluun. Sijaintimme galaksissa tarkoittaa sitä, että vain galaktinen taso on peittynyt etualan pölyn ja kaasun takia, jotka estävät Linnunradan keskialueelta tulevan valon.
Mutta sen ulkopuolella voisit olettaa näkeväsi valoa joka suunnassa ja joka paikassa, johon pystyisit katsomaan. Loppujen lopuksi, jos maailmankaikkeus on todella ääretön, syvän avaruuden tyhjyys jatkuu ikuisesti. Mihin tahansa suuntaan voit kuvitella, lopulta näköyhteytesi törmää loistavaan valopisteeseen.
XDF:n täydellinen UV-näkyvyys-IR-komposiitti; suurin koskaan julkaistu kuva kaukaisesta… Universum. Alueelta, joka on vain 1/32 000 000 taivaankappaleesta, on löydetty 5 500 tunnistettavaa galaksia, mikä on Hubble-avaruusteleskoopin ansiota. Silti jopa tässä uskomattoman syvässä näkymässä, joka paljastaa maailmankaikkeuden, jossa on satoja miljardeja (tai enemmän) galakseja, avaruus näyttää edelleen pimeältä.
NASA, ESA, H. Teplitz ja M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) ja Z. Levay (STScI)
Jos tämä olisi totta, yötaivas ei olisi lainkaan pimeä, vaan sitä valaisisi jokainen tähti, jonka valopolku teki pitkän matkan Maahan.
Mutta jopa silloin, kun katsomme tyhjältä vaikuttavan avaruuden syvimpiin syvyyksiin, joissa ihmissilmät tai edes tavanomaiset teleskoopit eivät näe yhtään tähteä tai galaksia, tehokkaimmat observatoriomme paljastavat niin paljon, että siellä on niin paljon valoa, mutta se on silti vain muutama valopiste tyhjän avaruuden mustaa taustaa vasten.
Todellakin maailmankaikkeus on täynnä tähtiä ja galakseja. Kyllä, ne ovat valtavilla etäisyyksillä: miljoonien, miljardien tai jopa kymmenien miljardien valovuosien päässä. Tähtien valo kulkee maailmankaikkeuden läpi ja saavuttaa parhaat havaintolaitteemme, paljastaen rikkaan maailmankaikkeuden, jonka laajuus on valtava. Mutta valtava, olipa se kuinka suuri tahansa, on kaukana, kaukana äärettömästä.
Voi olla mahdollista, että maailmankaikkeus on todella ääretön, jossa on ääretön määrä tähtiä ja… galakseja joka suuntaan. Mutta jos näin olisi, odottaisit täysin, että näköyhteytesi risteäisi lopulta jonkun valovoimaisen kohteen kanssa. Jos näin olisi, pimeys olisi mahdotonta.
Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons
Tieteellisesti on vielä epäselvää, onko maailmankaikkeus äärellinen vai ääretön; emme yksinkertaisesti tiedä. Sen kuitenkin tiedämme, että sen osan maailmankaikkeudesta, joka on havaittavissa, täytyy olla äärellinen. Vaikka emme tienneet käytännössä mitään maailmankaikkeuden laajamittaisesta rakenteesta ennen 1900-luvun jälkipuoliskoa, tiesimme silti, että äärettömän suuri havaittavissa oleva maailmankaikkeus oli yksinkertaisesti mahdottomuus.
Takaisin 1800-luvulla Heinrich Olbers pani merkille matemaattisen paradoksin. Jos olisi ääretön maailmankaikkeus, jossa tähtien ja/tai galaksien tiheys olisi vakio, näkisit lopulta äärettömän määrän valoa joka suunnasta, johon katsoisit. Näet kaikki lähellä olevat tähdet, ja sitten tähtien välissä näet kauempana olevat tähdet. Näiden tähtien välissä näkyisi vielä enemmän tähtiä, jotka olisivat yhä kauempana. Riippumatta etäisyydestä – miljoonista, miljardeista, biljoonista, triljoonista, kvadriljoonista valovuosista jne. – lopulta, minne ikinä katsoitkin, törmäsit tähteen.
Tähtiä muodostuu monenlaisia kokoja, värejä ja massoja, mukaan lukien monia kirkkaita sinisiä tähtiä, jotka ovat… kymmeniä tai jopa satoja kertoja massiivisempia kuin Aurinko. Tämä näkyy tässä avoimessa tähtijoukossa NGC 3766, joka sijaitsee Kentauruksen tähdistössä. Jos maailmankaikkeus olisi ääretön, edes tällaisessa tähtijoukossa ei näkyisi ”aukkoja” tähtien välillä, sillä kaukaisempi tähti täyttäisi lopulta nämä aukot.
ESO
Ajattele asiaa vaikka matemaattisesti. Jos tähtien lukumäärän tiheys on vakio koko avaruudessa, niin löydettävien tähtien kokonaismäärä on yhtä suuri kuin tähtien tiheys kerrottuna maailmankaikkeuden tilavuudella. Mitä kauempana tähti on, sitä himmeämpänä se näkyy: sen kirkkaus vähenee käänteisenä etäisyyden neliönä (~1/r2).
Mutta tietyllä etäisyydellä näkyvien tähtien kokonaismäärä liittyy pallon pinta-alaan, joka kasvaa etäisyyden neliöllä. (Pallon pinta-alan kaava on 4πr2.) Kun tähtien lukumäärä kerrotaan kunkin tähden kirkkaudella, saadaan vakio. Kirkkaus tietyllä etäisyydellä on tietty arvo: sanotaan sitä B. Kaksinkertaisella etäisyydellä kirkkaus on myös B. Kolminkertaisella etäisyydellä? Edelleen B. Neljä? Taas B.
Kuvitus Olbersin paradoksista ja siitä, kuinka tasaisen tiheässä maailmankaikkeudessa törmäämme… äärettömään määrään tähtien valoa mihin tahansa suuntaan.
Wikimedia Commons -käyttäjä Htkym
Laskekaa nyt yhteen tuo sarja: B + B + B + B + B + ….. ja niin edelleen. Huomaatko, mihin tämä johtaa? Vastaus on valitettavasti kohti ääretöntä. Ellei tuossa sarjassa ole jotain katkaisua, saat äärettömän arvon yötaivaan kirkkaudelle joka suuntaan.
Taaksepäin 1800-luvulla Olbers käytti tätä päättelytapaa päätelläkseen, että havaittavissa oleva maailmankaikkeus ei voi olla ääretön, mutta hän ei voinut olla varma. Olihan olemassa muitakin tähtitieteellisiä huolenaiheita. Yksi yleisistä vastaväitteistä oli, että tämä naiivi analyysi ei ottanut huomioon kaikkea sitä valoa estävää pölyä, jota oli selvästi olemassa ja jonka saattoi nähdä vain katsomalla Linnunradan tasoa. Jopa nykypäivänä monet kuuluisimmista tähtitieteellisistä nähtävyyksistä ovat täynnä valoa estävää pölyä.
Tummat, pölyiset molekyylipilvet, kuten tämä Linnunratamme sisältä löytyvä, luhistuvat ajan mittaan ja… synnyttävät uusia tähtiä, ja niiden tiheimmät alueet muodostavat massiivisimmat tähdet. Vaikka sen takana on paljon tähtiä, tähdenvalo ei kuitenkaan pääse läpäisemään pölyä, vaan se absorboituu.
ESO
Viimeisessä maailmankaikkeudessa tuo pöly voi kilpailla tähtien valon kanssa, sillä pölyyn osuva näkyvä valo absorboituu ja säteilee uudelleen pienemmillä energioilla. Mutta jos maailmankaikkeus olisi todella ääretön, Olbersin paradoksin ongelma ilmenisi jokaisen pölyhiukkasen kohdalla: jokaisen hiukkasen täytyisi absorboida ääretön määrä tähtien valoa, kunnes sekin säteilisi samassa lämpötilassa kuin kaikki absorboimansa valo!
Muilla sanoilla, jokin oli pielessä. Universumimme ei voinut olla staattinen, ääretön ja täynnä ikuisesti loistavia tähtiä. Jos näin olisi, yötaivas olisi ikuisesti ja ikuisesti kirkas, kaikissa paikoissa ja kaikissa suunnissa. Tässä on selvästikin jotain muuta tekeillä.
Havainnoitavissa oleva maailmankaikkeus saattaa olla 46 miljardia valovuotta kaikkiin suuntiin meidän näkökulmastamme katsottuna,… mutta sen takana on varmasti enemmän, havaitsematonta maailmankaikkeutta, kenties jopa ääretön määrä, aivan kuten meidänkin. Maailmankaikkeus voi olla ääretön, mutta me näemme vain valoa, joka on kulkenut 13,8 miljardia vuotta: sen verran aikaa on kulunut alkuräjähdyksestä lähtien.
Frédéric MICHEL ja Andrew Z. Colvin, kommentoinut E. Siegel
Meidät pelastava tosiasia, jota Olbers ei voinut aikoinaan tietää, ei ole se, että maailmankaikkeus ei ole laajuudeltaan ääretön (se voisi edelleen olla), vaan se, että se ei kulje nykyisessä muodossaan äärettömän pitkän ajan. Nykyisellä maailmankaikkeudella oli alku: päivä ilman eilistä. Tuo alku tunnetaan alkuräjähdyksenä, joka asettaa lähtökohdan kaikelle aineelle, säteilylle, energialle ja valolle, joka mahdollisesti on olemassa havaittavassa maailmankaikkeudessa.
Universumi ei ole ollut olemassa ikuisesti, ja siksi voimme havaita vain tähtiä ja galakseja, jotka ovat tietyn ja rajallisen etäisyyden päässä. Siksi voimme vastaanottaa niiltä vain rajallisen määrän valoa, lämpöä ja energiaa, eikä yötaivaallamme voi olla mielivaltaisen paljon valoa.
Taiteilijan logaritmisella asteikolla tehty käsitys havaittavasta maailmankaikkeudesta. Galaksit väistyvät suuren mittakaavan… rakenteen tieltä ja alkuräjähdyksen kuuman, tiheän plasman äärestä. Yritys selvittää, kuinka monta galaksia näkyvässä maailmankaikkeudessa on olemassa, on yksi aikamme suurista kosmisista etsinnöistä.
Wikipedia-käyttäjä Pablo Carlos Budassi
Mutta tämä tuo esiin toisen palapelin palasen. Jos maailmankaikkeus oli kuuma ja tiheä ja täynnä ainetta ja säteilyä jossakin varhaisessa vaiheessa, kuten alkuräjähdys väittää, niin tuon varhaisen ajan säteilyn pitäisi lopulta päästä silmiimme. Minne ikinä katsommekin, kaikkiin suuntiin, tuolta säteilyltä ei pitäisi voida välttyä.
Itse asiassa nykypäivän havaintojen perusteella voimme itse asiassa laskea, kuinka monta alkuräjähdyksestä jäljelle jäänyttä fotonia täyttää nykyään maailmankaikkeuden, ja vastaus on 411 fotonia jokaista avaruuden kuutiosenttimetriä kohti. Jos kysyt, miksi emme havaitse sitä, vastaus on, että havaitsemme, ja havaitsemme koko ajan. Jos ottaisitte hyvin vanhanmallisen television, jossa on kaninkorva-antenni, syvälle galaksienväliseen avaruuteen, kauas kaikista tähti- tai maanpäällisistä radiolähteistä, voisitte virittää sen kanavalle 3. Silloin näkyisi yhä noin 1 % Maassa näkyvästä ”lumesta”; se on alkuräjähdyksestä peräisin olevaa säteilyä.
Tässä vanhanajan televisiovastaanottimessa on vanhan koulukunnan antennit, joita käytetään… televisiosignaalien poimimiseen. Täällä maapallolla pieni murto-osa tuosta ”lumisignaalista”, noin 1 %, johtuu alkuräjähdyksestä peräisin olevasta säteilystä.
Getty
Tosiasiassa me vastaanotamme tätä alkuräjähdyksestä peräisin olevaa valoa, ja sitä on kaikkialla taivaalla väistämättä. Ainoa syy siihen, ettemme näe sitä paljain silmin, on se, että maailmankaikkeus on laajentunut kosmisen historian kuluessa, ja niinpä tämä kerran näkyvä valo on nyt siirtynyt niin pitkille aallonpituuksille, että silmämme eivät voi nähdä niitä, ihomme ei voi tuntea niitä eikä kehomme voi havaita niitä.
Mutta mikroaalto- ja radioantennimme pystyvät havaitsemaan ne. Itse asiassa näin tämä säteily löydettiin ensimmäisen kerran ja näin alkuräjähdys vahvistettiin ensimmäisen kerran: jättimäisen radioantennin avulla, joka havaitsi tämän signaalin riippumatta siitä, milloin tai minne sitä käyttäneet tiedemiehet katsoivat. Jos silmämme olisivat sopeutuneet näkemään mikroaalto- tai radiovaloa, näkisimme itse asiassa yötaivaan, joka olisi tasaisen kirkas joka suuntaan, eikä missään olisi tummia kohtia.
Penziasin ja Wilsonin alkuperäisten havaintojen mukaan galaktinen taso säteili joitain… astrofysikaalisia säteilylähteitä (keskellä), mutta ylä- ja alapuolella säilyi vain melkeinpä täydellinen tasainen säteilytusta. Tämän säteilyn lämpötila ja spektri on nyt mitattu, ja yhdenmukaisuus alkuräjähdyksen ennusteiden kanssa on poikkeuksellinen. Jos voisimme nähdä mikroaaltovalon silmillämme, koko yötaivas näyttäisi kuvassa näkyvän vihreän soikion kaltaiselta.
NASA / WMAP Science Team
Tarvitaan kaksi tosiasiaa, jotka yhdessä selittävät, miksi yötaivas on tumma. Ensimmäinen on se, että maailmankaikkeus on ollut olemassa vain rajallisen ajan, mikä rajoittaa meille tällä hetkellä havaittavan säteilyn laajuutta ja määrää. Toinen on se, että voimme nähdä valoa vain rajoitetussa osassa sähkömagneettista spektriä: optisessa osassa.
Jos voisimme sen sijaan tarkastella taivasta mikroaaltovalossa, taivas näyttäisi kirkkaalta kaikissa suunnissa kaikkina aikoina. On hieman ironista, kun ajattelee, että vain meidän hyvin inhimilliset rajoituksemme saivat yötaivaan näyttämään ylipäätään kiinnostavalta paikalta tutkittavaksi. Nykyään olemme rakentaneet satelliitteja, jotka on suunniteltu mittaamaan tätä säteilyä erinomaisesti, ja ne ovat opettaneet meille paljon enemmän maailmankaikkeutemme alkuperästä ja ominaisuuksista kuin mitä voisimme koskaan saada selville käyttämällä vain rajallisia aistejamme. Yötaivas voi tuntua meistä pimeältä, mutta valo, joka on aina siellä, on opettanut meille tämän kosmisen paradoksin lopullisen ratkaisun.