Maailmankaikkeuden kaikki energia ja aine syntyi sekunnin murto-osan kuluessa
Kaiken historia alkaa sieltä missä maailman kaikki aine syntyi, ja missä maailman kaikki fysikaaliset parametrit määräytyivät – eli maailmankaikkeuden syntyhetkistä. Tämä tapahtui 13,78 miljardia vuotta sitten. Nykyisin vallalla olevan standardimallin mukaisesti maailmankaikkeus syntyi tuolloin alkuräjähdyksessä – prosessissa, jossa pieni lähtökohta laajeni hyvin nopeasti – alle sekunnissa – nuoreksi maailmankaikkeudeksi. Tämä prosessi synnytti samalla kaiken aineen ja energian mitä maailmassa on. Alkuräjähdyksen tapahtumista todistaa selkeästi se että maailmankaikkeus yhä laajenee joka suuntaan, ja se että avaruudessa on joka suunnalla havaittavissa himmeä mikroaaltotaustasäteily, joka on saanut alkunsa kuumasta alkuräjähdyksestä.

Keskeisiä teorioita kosmoksen ymmärtämisessä ovat olleet Albert Eisteinin luoma yleinen suhteellisuusteoria (1915). Tämän jälkeen Alexander Friedmann, Georges Lamaitre ja Edwin Hubble, 1920-luvulla muotoilivat sen matemaattiseksi malliksi joka tunnetaan Alkuräjähdyksen standardimallina, 2000-luvun puolella taas jo tarkemmin muotoiltuna LDCM (Lamda- dark cold matter) mallina. Standardimallin parametreja ja yksityiskohtia ovat sittemmin hioneet sadat hiukkasfyysikot ja kosmologit, joiden työ on perustunut hiukkaskiihdyttimien, tai COBE, WMAP ja Planck satelliittien tuottamien tulosten analysointiin.
Kosminen mikroaaltotaustasäteily on tarkkaan kartoitettu, on havainnoitu galakseja ja galaksijoukkoja, ja näiden etääntymistä toisistaan. Näiden parametrien perusteella on voitu laskea maailmakaikkeuden keskitiheys, sen laajenemisnopeus ja ikä, sekä lämpötila siinä vaiheessa kun valo lähti etenemään vasta syntyneestä kuumasta maailmankaikkeudesta. Hiukkas- ja kvanttifysiikan avulla on taas pystytty selvittämään miten kaikki maailmankaikkeuden aine – alkeishiukkaset – ovat käyttäytyneet maailmankaikkeuden alkuhetkien hyvin kuumissa ja tiheissä olosuhteissa.

Yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttifysiikan avulla kosmologit ymmärtävät maailman synnyn alkuhetkiä ja varhaista kehitystä jotakuinkin yksiselitteisesti, jo hyvin lähelle sen alkuhetkeä, mutta eivät selitä sen alkua eivätkä sen syntymisen syitä tai edeltävää tilannetta. Alkuräjähdyksen ensimmäinen vaiheen eli inflaation aikana syntymässä oleva maailmankaikkeus laajenee valoa nopeammin. Inflaatiota ajava voima oli tyhjön energia. Tässä prosessissa syntyi kaikki (tulevan) maailmankaikkeuden energia, ja osa siitä muuttui inflaation päättyessä aineeksi. Syntyprosessissa on myös jo voimassa kaikki energiaa välittävät voimat, jotka alkuräjähdyksen kuluessa eriytyivät gravitaatioksi, heikoksi ja vahvaksi vuorovaikutukseksi, ja sähkömagneettiseksi vuorovaikutukseksi. Ei tiedetä, olivatko kaikki nuo voimat alussa yhdistyneet yhdeksi ja samaksi kvanttigravitaatio-voimaksi. Jos näin oli, erosi gravitaatio tuosta voima-yhteydestä ensimmäisenä.

13720kaks

Universumin kehitys viimeisen 13,7 miljardin vuoden aikana. Vasemmalla on esitetty varhaisimmat hetket alkuräjähdyksen jälkeen. Tätä seuraa inflaatio, jonka aikana Universumi kasvoi eksponentiaalisesti. Universumin laajeneminen hidastui vähitellen (suppilon koko ei kasva yhtä nopeasti kuin alussa). © NASA / WMAP Science Team

Maailman syntyprosessin varsinaista alkuunpanevaa tekijää ei tunneta. Kuitenkin, heti tuon alun jälkeen koko maailman alkuräjähdys eteni hyvin nopeasti, mutta vaiheittain. Inflaatio tapahtui hyvin nopeasti: se päättyi jo kun sen (ja maailman) alusta oli kulunut noin 10 -32 sekuntia. Tämä aikaväli on käsittämättömän lyhyt – se on yksi sekunti jaettuna luvulla jos ykkösen perässä on 32 nollaa. Tänä aikana maailma oli laajentunut noin 10 28 -kertaiseksi, eli noin metrin laajuiseksi palloksi.

Tämä nopea laajeneminen oli mahdollinen siksi että siinä ei laajennut mikään fysikaalinen kohde, mitään ei siirtynyt mistään mihinkään, mikään ei etääntynyt mistään – vain tyhjiö avautui tuon suuruiseksi tilaksi. Koska prosessi tapahtui valon nopeutta nopeammin, se ei lähettänyt ympäristöönsä mitään valoa tai säteilyä – prosessi oli kylmä ja pimeä. Tätä tapahtumaa ajoi valtava tyhjiön energia – ja laajeneminen olisi saattanut jatkua loputtomasti. Tyhjiön laajenemista ajava energia kuitenkin raukesi niin, että se muuttui äärimmäisen kuumaksi säteilyksi: Juuri syntynyt maailma täyttyi kaikilla standardimallin (SM) alkeishiukkasilla ja niiden antihiukkasilla, jotka kaikki liikkuivat valon nopeudella. Tilan energiataso oli ”äärimmäisen” kuuma, sillä näin korkeita lämpötiloja ja paineita ei ole tavattu mistään avaruuden olosuhteista enää koskaan tuon hetken jälkeen.

Inflaation päättyessä kaikki sen tuottamat alkeishiukkaset ja niiden antihiukkaset ovat termodynaamisessa tasapainossa – eli niitä syntyi ja hävisi saman verran hiukkasten ja antihiukkasten törmäillessä toisiinsa, ja muuttuessa gluoneiksi tai fotoneiksi, ja myös muiksi alkeishiukkas-antihiukkaspareiksi.

Inflaation jälkeen sen tuottama valtavan kuuma säteilykenttä laajeni edelleen – vaikka nyt jo valon nopeutta hitaammin. Tätä vaihetta kutsutaan kuumaksi alkuräjähdykseksi. Kun aika oli kulunut sekunnin biljoonas-osa (10-12 sekuntia) toisiinsa törmäilevät alkeishiukkaset ovat rauhoittuneet ja hidastuneet sen verran että eräs alkeishiukkanen – Higgsin partikkeli – alkaa kondensoitua, eli muuttua kiinteäksi; se härmistyy tyhjöön. Kun aika on kulunut 10-8 sekuntia alkuhetkestä, ja lämpötila on laskenut 1028 Kelvinasteesta 1015 Kelviniin, Higgsin bosoniin liittyvä vuorovaikutusvoima (Higgsin kenttä) täyttää koko olemassa olevan avaruuden. Tämä muuttaa avaruuden tiheämmäksi, ikään kuin viskoosiksi, ja vaikuttaa muiden partikkeleiden liikkeeseen siten että ne alkavat liikkua vaikeammin, ikään kuin niillä olisi massa. Tässä tilassa kaikki alkeishiukkaset – paitsi fotonit ja gluonit – saavat itselleen ”massa-ominaisuuden”.

Tässä vaiheessa partikkelit yhä lentelevät edes takaisin ja törmäilevät toisiinsa. Törmätessään omien antipartikkeleidensa kanssa ne yhä annihiloituvat energiaksi ja toisenlaisiksi (kevyemmiksi) partikkeli/antipartikkelipareiksi. Mutta koska partikkelit eivät enää liiku valon nopeudella, ne eivät pysty enää tuottamaan lisää raskaimpia partikkeleita. Tämän seurauksena ne, alkaen suurimmista partikkeleista – top-kvarkeista, W ja Z bosoneista ja näiden antihiukkasista – putoavat pois termisestä tasapinotilasta. Ne katoavat keskinäisissä törmäyksissään – ja koska niitä ei enää synny lisää, ne katoavat partikkelivalikoimasta. Ne muuttuvat ensin kevyemmiksi hiukkasiksi – ja lopulta suurin osa materiasta annihiloituu. Kun aikaa oli kulunut 10-8 – 10-6 sekuntia alkuhetkestä eteenpäin, ja lämpötila oli laskenut T > 1012 K asteeseen, nuoressa maailmankaikkeudessa oli jäljellä enää kuumaa kvarkkien, gluonien, leptoneiden ja fotoneiden puuroa.

10-5 sekunnin ikäisessä hyvin tiheässä maailmankaikkeudessa kvarkit alkavat etääntyä liian kauaksi toisistaan. Niiden perusominaisuudet eivät salli tätä – ja nyt kvarkit sidotaan kiinni toisiinsa, ja niistä syntyy hadroneita, eli protoneita, neutroneja ja mesoneja. Protonit ja neutronit muodostuvat kumpikin kolmesta kvarkista, mesonit taas kahdesta, ja nämä pysyvät yhdessä gluoni-hiukkasten välittämän vahvan vuorovaikutuksen avulla. Baryonit edelleen törmäilevät toisiinsa. Mesonit annihiloituvat kokonaan pois. Myös suurin osa baryoneista ja antibaryoneista tuhoutuu keskinäisissä törmäyksissään, jotka tuottavat nyt paljon leptoneja (elektroneja, positroneja) – ja näistäkin suurin osa annihiloituu jatkossa; törmäyksissä muodostuu fotoneja eli valohiukkasia.

Yhden sekunnin ikäisessä maailmankaikkeudessa, lämpötilan pudottua 1012 Kelvin-asteeseen, baryonit eivät enää annihiloidu. Jäljelle jääneet baryonihiukkaset muodostavat kaiken maailmankaikkeuden näkyvän (baryonisen) massan. Neutronit ovat kuitenkin yksinään epästabiileja, ja näistä suuri osa hajoaa vielä seuraavien sekuntien aikana. Jäljelle jäävät protonit.

Tämän jälkeen elektronien ja positronien annihiloituminen jatkuu edelleen. Se päättyy lämpötilan laskiessa 1010K asteeseen, joka saavutetaan noin 10 sekunnin ikäisessä maailmankaikkeudessa. Tässä vaiheessa leptoneista on jäänyt jäljelle vain elektronit. Neutriinot ovat stabiloituneet jo aikaisemmin, ja nyt niiden vuorovaikutus muiden partikkelien kanssa loppuu ja ne pääsevät vapaasti etenemään avaruuteen. Syntyy neutriino-taustasäteily. Se on kuitenkin liian heikko havaittavaksi nykyisillä instrumenteilla.

Inflaatio-laajenemisen aikana syntyneet kvanttivärähtelyt myös laajenivat kosmisiin ulottuvuuksiin, ja sen päättyessä niiden epätasaisuudet jäivät vallitseviksi (ne ”jäätyivät”) nuoren maailmankaikkeuden massaenergiakenttään. Nämä epätasaisuudet näkyvät edelleen kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn pienenä epätasaisuutena tai ”rakeisuutena”. Jatkossa juuri nämä epätasaisuudet saavat maailmankaikkeuteen levittäytyvän massan kasaantumaan suuriin kosmisiin rakenteisiin.

Edellä kuvatun standardimallin mukaisesti koko maailmakaikkeuden alkuräjähdys lähti liikkeelle – jostakin. Tapahtui inflatorinen maailman laajeneminen, sitä seurasi kuuma alkuräjähdys, ja yhden sekunnin kuluessa nämä synnyttivät kaiken maailmankaikkeuden aineen ja energian. Sekunnin kuluessa alkuräjähdys tuotti noin 1010 K kuuman, ja säteeltään noin 300 000 km kokoisen pallomaisen tilan (valo kulkee tuon matkan sekunnissa). Tämä laajeni edelleen, mutta ei enää valon nopeudella. Se jäähtyi edelleen laajetessaan. Noin sadan sekunnin kuluessa suuri osa neutroneita on hajonnut, ja baryonien alkuperäisestä määrästä on jäänyt jäljelle protoneita ja neutroneita suunnilleen suhteessa 14:2. Nyt kaikki jäljellä olevat neutronit yhtyivät protoneihin ja muodostivat ensin 3He ytimiä, ja sitten edelleen 4He ytimiä eli alfa-hiukkasia. Kuhunkin alfa-hiukkaseen sitoutui 2 protonia ja 2 neutronia – tämä fuusio stabiloi jäljellä olevat neutronit. Täten jokaisesta 16 baryonista aina neljä sitoutui heliumytimiin – eli näihin sitoutui 25% koko olemassa olevasta baryonien massasta. Loppu, eli 75% massasta, jäi protoneiksi eli vety-ytimiksi. Tämä aineen jakautumis-suhde tulee jatkossa vaikuttamaan oleellisesti tähtien kehitykseen ja muiden raskaampien alkuaineiden syntyyn.