Kirjauutuus: Alkuräjähdyksen aikaan

Dan Hooper

Kaiken alku – universumin ensimmäiset sekunnit

2020 Ursa ry.

ISBN 978-952-5985-83-2

Suomentanut Tuukka Perhoniemi

Alkuteos At the Edge of Time – Exploring the Mysteries of Our Universe’s First Second. Princeton University Press.

 

Mitä tapahtui maailmankaikkeuden ensimmäisinä hetkinä? Tätä kysymystä tutkivat hyvin monet kosmologit ympäri maapallon. Tutkijoiden määrästä huolimatta, tietämys kaiken alun tapahtumista karttuu hitaasti, sillä suoria havaintoja on lähes mahdoton tehdä. Kosminen taustasäteily, josta muutama avaruuskaukoputki on tehnyt uraauurtavaa kartoitustyötä, on selkeä raja mutta sekin sijoittuu noin 380 000 vuoden ikäiseen maailmankaikkeuteen. Tapahtumista sitä ennen ei ole saatavissa informaatiota ainakaan sähkömagneettisen säteilyn avulla.

Voisiko kaiken alun tapahtumista saada havaintoja jollakin muulla keinoin kuin fotonien avulla? Aivan varmaa vastausta kysymykseen on vaikea antaa, mutta ehkä gravitaatioaallot voivat paljastaa jotakin, jos vain pystyisimme hyvin matalilla taajuuksilla etenevän gravitaatioaaltorintaman havaitsemaan. Nämä aallot kun voisivat kertoa jotakin siitä, mitä tapahtui ensimmäisen sekunnin aikana. Tätä vaihetta tutkimuksessa joudumme kuitenkin odottaman vielä ainakin vuosikymmenen ennekuin avaruusobservatorio LISA saadaan toimintakuntoon.

Dan Hooper on pimeän aineen tutkija. Pimeä aine kulkeekin koko kirjan läpi ja kirjoittajan tarkastelee sitä eri kanteilta sen mukaan mitä asiaan maailmankaikkeuden alusta on esillä. Milloin, aivan tarkasti, pimeä aine syntyi ja mitä se oikeastaan on? Siinäpä kysymyksiä, joihin tutkijakaan ei pysty vastaamaan. Sen sijaan hän kyllä kuvailee niitä olosuhteita, joita nykyisin eri teorioiden mukaan maailmankaikkeuden alussa olisi voinut olla.

Kirjaa lukiessani koin parikin heureka-hetkeä. Yksi näistä on kosmisen inflaation ymmärtäminen: täydellisen tyhjyyden maailmankaikkeudessa, jossa on vain maailmakaikkeutta laajentava pimeä energia toimi universumia laajentavana tekijänä. Universumin laajetessa myös pimeän energian määrä lisääntyy ja jossakin vaiheessa tultiin siihen pisteeseen, jolloin ainetta ja siten myös gravitaatioaaltoja alkoi syntyä. Inflaatio päättyi ja maailmankaikkeus oli hirvittävän kuuma, tiheä ja valonopeudella laajeneva.

Luultavasti pimeä aine syntyi ensimmäisen sekunnin murto-osan aikana kosmisen inflaation päätyttyä. Dan Hooper pohtii pimeän aineen olemusta sillä pätevyydellä, jolla parin vuosikymmenen tutkijan ura mahdollistaa. Onko pimeä aine wimppejä, siis heikosti vuorovaikuttavia eksoottisia hiukkasia? Vastaus on savolainen: ehkä on, ehkä ei!

Olisiko se supersymmetrisiä hiukkasia? Sekin on mahdollista, mutta tällä hetkellä kaikkein tehokkain hiukkasten kiihdytin-tömäytin LHC Cernissä ei ole pystynyt tuottamaan olosuhteita, jossa mahdolliset supersymmetriset hiukkaset ilmaantuisivat tutkijoittemme iloksi. LHCn ansioluettelossa on Higgsin bosonin löytyminen, mutta sen jälkeen vuosiin ei ole löydetty mitään uutta. Kysymys kuuluukin, että mahtaako niitä supersymmetrisiä hiukkasia olla oikeasti olemassa? Jos on, niin niiden löytäminen vaatii ehkä LHCtä tehokkaamman törmäyttimen rakentamista.

Kirjan teksti on asiapitoista ja hieman kuivahkoa. Luultavasti kirja pitää lukea uudelleen ennen kuin se täysin avautuu maallikolle. Kirjan sisältö voisi olla hieman enemmän jäsennelty, sillä paikka paikoin se vaikuttaa aivan ajatusvirralta. Näistä luettavuuteen vaikuttavista tekijöistä huolimatta kirjan lukeminen on suositeltavaa, sillä parhaimmillaan se avaa aivan uudenlaisen näkemyksen näin maailmankaikkeuden alun tapahtumien ymmärtämiseen.

Kari A. Kuure

 

Havainto- ja kuvausvinkki: Jupiterin ja Saturnuksen konjunktio

 Kari A. Kuure

Artikkelia on päivitettu 19.12.2020

Kuun ja jonkin planeetan konjunktio ei ole mikään harvinaisuus, ei myöskään kahden planeetan välinen konjunktio. Niitä tapahtuu kuukausittain hyvin monta kertaa. Jupiterin ja Saturnuksen välinen konjunktio ei sekään ole mikään harvinaisuus, vaikka ei niitä kovin useinkaan tapahdukaan – kerran kahdessa vuosikymmenessä.

Jupiter ja Saturnus ovat vain 0,1° etäisyydellä toisistaan 21. joulukuuta. Tapahtuma näkyy iltataivaalla auringonlaskun jälkeen. Kuva © Kari A. Kuure.

Konjunktio

Palataanpa alkuun. Planeetat kiertävät Aurinkoa kunkin omilla radoillaan. Aurinkokunnan syntymiseen johtaneet tapahtumat ovat olleet sellaisia, että kaikkien planeettojen radat ovat suunnilleen samassa tasossa. Vaikka aikaa onkin kulunut yli 4,5 miljardia vuotta, planeettojen radat ovat edelleen suunnilleen samassa tasossa, vain pieniä eroja on matkan varrella ja ajan kuluessa syntynyt.

Planeettojen ratojen etäisyys määrittää myös sen, kuinka nopeasti kukin planeetta kiertää Aurinkoa. Maapallon nopeus on suunnilleen 30 km/s mutta matka on sen verran pitkä, että yhteen kierrokseen kuluu yksi vuosi. Mars, joka on noin 1,5 kertaisen etäisyyden päässä Auringosta kuin Maa, kuluttaa yhteen kierrokseen lähes kaksi vuotta. Seuraava ulompi planeetta, Jupiter, matkaa avaruudessa lähes kaksitoista vuotta ennen kuin yksi kierros tulee täyteen. Ja näin on kaikkien planeettojen kohdalla: mitä etäämmällä ne ovat Auringosta sen pitempi aika kuluu yhteen kierrokseen.

Jos tarkastellaan Aurinkokuntaa kokonaisuutena, sisemmillä radoilla olevat planeetat kiertävät useamman kierroksen kuin ulommat jossakin tietyssä ajassa. Tämä muistuttaa tilannetta pikajuoksussa, jossa sisemmällä radalla olevat juoksijat kiiruhtavat uloimmilla olevien ohi, jotka pidemmän radan vuoksi ja hitaamman etenemisen vuoksi jäävät aina jälkeen. Tilanne toistuu seuraavilla kierroksilla.

Kun tarkastelemme tilannetta täältä maapallolta, havaitsemme, että Jupiter kulkee tähtien suhteen nopeammin kuin Saturnus, onhan Jupiter sisemmällä radalla kuin Saturnus. Silloin tällöin Jupiter sivuuttaa Saturnuksen kierroksella. Kun tarkastelemme näitä kilpakumppaneita lähes ratojen keskipisteestä, havaitsemme ne jonakin tiettynä hetkenä olevan samassa kohtaa radoillaan. Tätä kutsutaan konjunktioksi, määritelmän mukaan se on hetki, jolloin kahden kappaleen elliptinen longitudi (pituus) on sama.

Jos tarkastelisimme näiden kahden planeetan liikkumista Auringosta, niin silloin konjunktiot toistuisivat tarkasti 19,85 vuoden välein. Olemme kuitenkin maapallolla, joka myös kiertää Aurinkoa omalla radallaan. Tämän hieman muuttaa Jupiterin ja Saturnuksen konjunktion ajankohtaa puoleen tai toiseen. Välillä se nähdään hieman ennen ja välillä se nähdään myöhemmin kuin tuon 19,85 vuoden välein.

Otetaanpa sitten tarkasteluun planeettojen ratojen erilaiset kaltevuudet. Kaltevuudet lasketaan Maan ratatason suhteen ja sitä kutsutaan inklinaatioksi. Inklinaatio ilmoitetaan asteina. Jupiterin inklinaatio on 1,3° ja Saturnuksen 2,49°. Ei siis suuren suuri ero mutta se merkitsee sitä, että konjunktion aikaan näiden kahden planeetan välinen kulmaetäisyys toisistaan on hieman erilainen kuin edellisillä kerroilla.

On tapahtunut ennenkin

Edellisen kerran Jupiterin ja Saturnuksen välinen konjunktio oli 28.5.2000, jolloin niiden välinen etäisyys 1,1°. Hyvin lähellä toisiaan mutta tämä tapahtui meistä katsoen Auringon suunnalla ja kukaan ei sitä pystynyt näkemään. Sitä ennen, 31.12.1980 planeettojen välinen ero oli 1,0° ja ne näkyivät aamutaivaalla ennen auringonnousua. Lisäksi Jupiterin ja Saturnuksen seurana oli myös kirkas Venus, kaikki kolme alle 2° sisällä.

(päivitys alkaa) Tämä vuoden 1980 konjunktio tapahtui Jupiterin ja Saturnuksen opposition läheisyydessä: Ulkoplaneettojen oppositioon liittyy aina mielenkiintoinen ilmiö, jota kutsutaan taantuvaksi liikkeeksi. planeettojen etenevä liike on kohti itää suhteessa tähtiin. Taantuvan liikkeen aikana planeettojen liike tähtien suhteen on kuitenkin päinvastainen, siis kohti länttä. Tämä saattaa tuntua järjenvastaiselta, eihän planeetta voi noin vain muuttaa liikesuuntaansa! Planeetat eivät todellakaan muuta suuntaansa vaan jatkavat omaa kiertoaan Auringon ympäri aivan tavalliseen tapaan. Syy onkin maapallossa, joka menee ohi sisäradalla. Silloin ohitettava planeetta näyttää kulkevan päinvastaiseen suuntaan, siis kohti länttä.

Näin tapahtui vuoden 1980 opposition aikaan. Tuo 31.12.1980 oli konjunktiosta sarjan ensimmäinen. Seuraava tapahtui 4.3.1981 (kulmaetäisyys 1,06°) ja sen jälkeen vielä kolmannen kerran 24.7.1981 (1,1°). Tämä kolmen konjunktion sarja ei ollut ainoa 1900 – 2200 vuosien välillä. Järjestyksessä ensimmäinen kolmen konjunktion sarja esiintyi 7.8.1940, 19.10.1940 ja 15.2.1941, jolloin kulmaetäisyydet olivat 1,19°, 1,23° ja 1,29°. (päivitys päättyy)

Lehtitietojen mukaan edellinen, tämän vuoden konjunktioon verrattava konjunktio on tapahtunut 5.3.1226 kello 7.37. Silloinkin planeettojen välinen kulmaetäisyys oli vain 0,1°. En tarkistanut tässä välillä tapahtuneita konjunktioita niiden suuren määrän vuoksi (noin 40), joten uskotaan näin olevan. Varmasti tähän joukkoon mahtuu konjunktioita, joissa planeetat ovat hyvin lähellä toisiaan. Esimerkiksi 19.2.1961 kello 1.31 tapahtunut konjunktio oli hyvin likeinen, kulmaetäisyys planeettojen välillä oli 0,2°. Tällöinkin planeetat olivat horisontin yläpuolella vain päivällä. 

(päivitys alkaa) Konjunktiot, joissa Jupiterin ja Saturnuksen välinen kulmaetäisyys on pienempi kuin 0,2° on tapahtunut ja tapahtuu vain silloin tällöin. Lähdetietojen mukaan näin on tapahtunut 1623, 1683, 2020, 20280 ja 2477.

Voisiko planeettojen kulmaetäisyys olla vieläkin pienempi kuin o,1° tai peräti, voisiko tapahtua jopa siten, että Jupiter peittäisi Saturnuksen? Kyllä, mutta äärimmäisen harvoin. Tällainen peittyminen tapahtuu vuonna 7541 kesäkuun 19 päivänä ja sen jälkeen vuonna 8674, 13340 ja 13738. (päivitys päättyy)

Jupiter ja Saturnus näkyvät lähes yhtenä matalalla iltataivaalla. Jos sää suosii, niin tapahtumaa voi havaita palajin silmin, mutta kiikari tai kaukoputki tuo kohteet selvemmin näkyville. Kuva © Kari A. Kuure.

Mitä tapahtuu?

Palataanpa tämän vuoden konjunktioon. Konjunktio tapahtuu 21.12.2020 kello 15.22, jolloin planeettojen välinen kulmaetäisyys on vain 0,1°. Kulma etäisyys ei kuitenkaan ole kaikkein pienin juuri tuolla hetkellä, vaan myöhemmin kello 22.10. Tuolloin planeetat eivät kuitenkaan näkyvissä, sillä Jupiter laskee horisontin alapuolelle kello 17.46 ja Saturnus 17.47. Paras aika havaita konjunktiota on kello 16.40, jolloin Aurinko on jo laskenut ja taivas hieman tummentunut. Silloin molemmat planeetat ovat noin 4° korkeudella suunnassa 209° (sunnilleen suunnassa SSE). 

(päivitys alkaa) Joulukuun säät harvoin mahdollistavat havaintojen teon: pilvisyyttä ja räntäsadetta riittää enemmän kuin tarpeeksi. Näin ollen, jos milloin tahansa pilvipeite rakoilee ja mahdollistaa planeettaparin katsomisen, se täytyisi käyttää hyväksi, sillä toista mahdollisuutta tuskin tulee. Havaintoja voi jatkaa aina tammikuun puolelle, sillä vaikka h-hetki onkin sivuutettu, niin silti planeetat ovat edelleen toistensa läheisyydessä. Tosin, elongaatio (kulmaetäisyys Aurinkoon) lyhenee vuorokausi vuorokaudelta, joten kovin pitkälle tammikuuta ei havaintoja pysty tekemään. (päivitys päättyy)

Toivottavasti sää mahdollistaa planeettojen havaitsemisen, sillä seuraavaa kertaa joudumme odottamaan aina 15.11.2039 asti. Silloin planeettojen välinen kulmaetäisyys on 0,6°. Seuraava yhtä lähellä tapahtuva konjunktio tapahtuu 15.3.2080, jolloin planeettojen välinen kulmaetäisyys on myös 0,1°. Itse konjunktio tapahtuu kello 3.29 mutta planeetat ovat horisontin yläpuolella päiväaikaan.