Miksi yöllä on pimeää?

’Mikä typerä kysymys!’ Joku voisi ajatella. Aurinko on laskenut, se siitä. No, vastaus kuulostaa todella järkevältä, mutta kuten aina ennenkin, onko siinä kaikki?

Maailman yöt ovat luonnostaan pimeitä. Se on siistiä. Voimme nukkua tai tehdä muita pimeässä tehtäväksi sopivia asioita. Pimeä taivas antaa meille myös mahdollisuuden tarkastella suurta maailmankaikkeutta ja ihmetellä, miten kaikki on syntynyt. Vastaus kysymykseen ”Miksi yö on pimeä?” ei ole niin yksinkertainen kuin ”Koska aurinko on alhaalla”. Se liittyy tuntemamme maailmankaikkeuden syntyyn. Ei yksinkertaista, mutta kaunista.

Paradoksi

Jos maailmankaikkeus olisi staattinen, äärettömän laaja, ikuinen ja täynnä ääretön määrä tähtiä, taivaan pitäisi aina loistaa, kun kaikki tähdet loistavat. Tähtien valot kulkisivat joka suuntaan ja koskettaisivat lopulta maailmankaikkeuden jokaista kolkkaa. Jokaisen planeetan, myös meidän maapallomme, pinnan jokainen kohta paistaisi lopulta koko ajan tähtien valossa. Yön ei pitäisi silloin olla pimeä. Sana ”yö” tarkoittaisi silloin jotain aivan muuta. Kaikki tämä olisi totta, jos vain todellisuus ei olisi sitä, mitä se on ja on aina ollut: taivas on yöllä pimeä. Miksi? Saksalainen lääkäri-tähtitieteilijä esitti tämän kysymyksen jo aiemmin vuonna 1823, ja asia tuli hänen nimensä mukaan tunnetuksi ”Olbersin paradoksina.”

Staattisen maailmankaikkeuden mallissa ehdotettiin myös maailmankaikkeuden olevan homogeeninen. Valtavassa mittakaavassa sama määrä tähtiä täyttäisi samansuuruisen määrän maailmankaikkeutta mistä tahansa paikasta käsin. Kuvitellaanpa tämän mallin mukaan, että jos maailmankaikkeus viipaloitaisiin osiin tai kuoriin, joista kukin on yhden valovuoden paksuinen ja jotka on erotettu toisistaan miljardin valovuoden etäisyydellä (tähtitieteellisesti kaukana), havaitsijasta kauempana olevissa kuorissa on yhä enemmän tähtiä.

Kaukaisempien kuorien valo olisi luonnollisesti himmeämpää kuin havainnoitsijaa lähinnä olevan kuoren valo, mutta kaukaisemmissa kuorissa olisi enemmän tähtiä. Näin ollen havaitsija näkisi saman määrän valoa kuoresta nro 2 kuin kuoresta nro 1. Jokainen kuori osallistuisi valoyksikön tuottamiseen, ja näin saataisiin aikaan kaikki se valo, jonka havaitsija näkisi. Kun kuoria olisi ääretön määrä, kaikki olisi häikäisevän kirkasta.

Maailman yöt olisivat tosiaan yhtä kirkkaita kuin päivät vain, jos oletus siitä, että maailmankaikkeus on avaruudellisesti ja ajallisesti ääretön ja staattinen, pitää paikkansa. Tämän mallin mukaan maailmankaikkeudella ei olisi alkua eikä loppua.

Universumi voi olla äärettömän laaja, mutta se ei ole äärettömän vanha. Oli aika, jolloin kaikki syntyi. Tämä käsitys selittää lopulta syyn siihen, miksi yö on pimeä.

Valo kulkee nopeasti noin 1080 miljoonaa kilometriä tunnissa. Mikään maailmankaikkeudessa ei voi kulkea valoa nopeammin. Mutta valolta kestää silti aikaa ylittää valtavia etäisyyksiä. Yksi syy siihen, että taivas on yöllä pimeä, on se, että alusta lähtien jotkut kaukaisista tähdistä tulleet valot eivät ole vielä päässeet luoksemme, kuten Edgar Allan Poe järkeilee vuoden 1848 esseessään Heureka.

Jos tähtien peräkkäisyys olisi loputonta, taivaan tausta näyttäisi meille tasaista valovoimaisuutta, jollaista galaksimme näyttää – koska koko tuossa taustassa ei voisi olla yhtään pistettä, jonka kohdalla ei olisi olemassa tähteä. Ainoa tapa, jolla voisimme tällaisessa tilanteessa käsittää ne tyhjiöt, joita kaukoputkemme havaitsevat lukemattomissa suunnissa, olisi siis olettaa, että näkymättömän taustan etäisyys on niin valtava, ettei yksikään siitä lähtevä säde ole vielä ehtinyt saavuttaa meitä lainkaan. – Edgar Allan Poe, Eureka

The Big Bang Theory and the Expansion of the Universe

On asioita, joita staattinen maailmankaikkeusmalli ei voi selittää. Uuden teknologian avulla tiedemiehet ja tähtitieteilijät ovat löytäneet yhä enemmän paljastavia todisteita siitä, että maailmankaikkeus ei ole staattinen. Havainnot ovat viitanneet siihen, että maailmankaikkeus laajenee. Ja vieläpä hyvin nopeasti. Jonkin on täytynyt aiheuttaa tämä laajeneminen kauan sitten. Ehkä suuri räjähdys? Poen intuitiivinen näkemys maailmankaikkeudesta, jolla on rajallinen ikä, tuki myös tätä spekulaatiota, koska se viittaa siihen, että sillä on alku. Siihen astuu alkuräjähdysteoria.

Alkuräjähdysteoria sanoo, että maailmankaikkeus oli jossain vaiheessa hyvin kuuma paikka. Maailmankaikkeuden kuumin paikka (duh!) Se oli myös hyvin tiheä. Sitten tapahtui pamaus. Kaikki aine ”kosmisessa alkukeitossa”, joka muodostui pian pamauksen jälkeen, alkoi jäähtyä. Sitten aine tiivistyi muodostaen subatomisia hiukkasia, sitten atomeja – tähtien rakennuspalikoita – ja kaikkea muuta.

Lähes alussa maailmankaikkeus oli oletettavasti hyvin kirkas, mutta läpinäkymätön, koska vapaat elektronit eivät päästäisi valoa kulkemaan niin kauas. Jäähtyessään maailmankaikkeus muuttui yhä läpinäkyvämmäksi. Samalla maailmankaikkeus laajeni. Kaikki sen sisällä alkoi siirtyä kauemmas toisistaan. Laajeneminen oli niin nopeaa, että maailmankaikkeudessa aiemmin muodostuneiden tähtien ja galaksien valot venyvät. Tätä ilmiötä kutsutaan ”kosmologiseksi punasiirtymäksi”. Termi ’punasiirtymä’ tulee siitä, että kun valon aallonpituus venyy maailmankaikkeuden laajentuessa ja jäähtyessä, valon väri muuttuu punaisemmaksi, kun sen aallonpituus pitenee ja putoaa infrapuna-alueelle, jolloin sen energia vähenee maailmankaikkeuden jäähtymisen seurauksena.

Kun katsomme tähtiä tai galakseja, katsomme niiden menneisyyteen. Tämä johtuu siitä, että valolla kestää vuosia kulkea näistä kohteista meihin. Kosmologisesta punasiirtymästä tutkijat havaitsivat myös, että mitä kauempana tähti tai galaksi on meistä, sitä nopeammin se etääntyy. Kaukaisin havaittava taivaankappale näkyy vain sähkömagneettisen spektrin infrapuna-alueella. Kun Hubble-teleskooppi kuvasi eXtreme deep field (XDF) -kuvaa, se teki sen infrapuna-antureiden avulla paljastaakseen tähdet ja galaksit maailmankaikkeuden kaukaisimmissa kolkissa niin kaukana kuin nykyisellä teknologialla pystymme havainnoimaan.

Toinen alkuräjähdysteoriaa tukeva todiste on tiedemiesten vuonna 1965 epähuomiossa havaitsema kosminen taustasäteily, joka on maailmankaikkeudelle levinnyttä jäännössäteilyä mikro- ja radioaaltojen muodossa. Nämä säteilyt ovat niin venytettyinä paljon enemmän kuin kaukaisimpien havaittavissa olevien tähtien ja galaksien valot. Niiden aallonpituudet ovat pidempiä kuin infrapuna-alueilla. Kosminen taustasäteily on toisin sanoen alkuräjähdyksen aikaan vapautuneen säteilyn jäähdytetty versio. Se on vanhinta havaittavaa säteilyä. Voimme ajatella tätä säteilyä myös tilannekuvana maailmankaikkeudesta alkuräjähdyksen tapahtuma-aikaan eli noin 14 miljardia vuotta sitten.

Lyhyt vastaus kysymykseen ”Miksi yöllä on pimeää?”

Kotiin otettava viesti on, että yötaivaamme on pimeä, koska emme näe kaukana olevien tähtien ja galaksien valoja, sillä ne etääntyvät meistä niin nopeasti, että niiden valot venyvät ja muuttuvat infrapunavaloiksi. Kaikki maailmankaikkeuden kaikkien tähtien valot eivät lopulta saavuta meitä myöskään meidän elinaikanamme, yksinkertaisesti siksi, että ne ovat liian kaukana. Mutta itse asiassa koko ”havaittavissa oleva maailmankaikkeus” on yhtä aikaa valaistu kaikenlaisilla säteilyillä, jotka ovat silmillemme näkymättömiä ja silti täynnä ihmeitä, jotka odottavat löytämistään.