Katsotaanpa teleskoopilla mihin suuntaan tahansa, maailmankaikkeus näyttää kutakuinkin samanlaiselta. Kirjaimellisesti pitkällä tähtäyksellä galaksien nähdään jakautuvan tasaisesti avaruudessa. Tämä kuva kuuluu universumin ominaisuuksia koskeviin perusoletuksiin. Niinpä kun brittiläinen tähtitieteen opiskelija Alexia Lopez erotti avaruudesta otetusta kuvasta idästä länteen kulkevan kapean galaksijuovan, hän tuskin uskoi silmiään. Hänestä vaikutti siltä, että kaikkeus hymyili hänelle.
Opiskellessaan englantilaisessa Keski-Lancashiren yliopistossa Alexia Lopez tutki miljardien valovuosien päässä Maasta sijaitsevien galaksien jakautumisessa mahdollisesti esiintyviä malleja. Kun hän havainnoi taivasta entistä laajemmalta alueelta, hän huomasi jotain järkyttävää.
Lopez äkkäsi älyttömän ison ja melkein säännöllisen galaksikaaren, jonka pituus on yli 3,3 miljardia valovuotta. Löydössä oli kyse yhdestä suurimmista avaruudesta erotetuista rakenteista. Maan ja valtavan kuvion välinen etäisyys on noin 9,2 miljardia valovuotta, ja jos se nähtäisiin paljain silmin, se peittäisi näkökentästä yhtä ison osan kuin 20 rinnakkaista täysikuuta.
Löydöstä tekee merkittävän se, että galaksikaaren kokoiset rakenteet ja kaikkeuden ominaisuuksia koskeva teoria, jonka mukaan kaikkeus on kauttaaltaan tasalaatuinen, eivät ole täysin sopusoinnussa keskenään.
20 rinnakkaisen täysikuun levyisenä näkyisi kaari taivaalla, jos se erotettaisiin paljain silmin.
Toisin sanoen kosminen hymiö on liian iso: se kyseenalaistaa olemassaolollaan oletukset maailmankaikkeuden laajenemistavasta ja iästä.
Aineen pitää jakautua tasaisesti
Jo toista sataa vuotta vallalla olleen käsityksen mukaan universumi on tasalaatuinen joka suunnassa. Se tarkoittaa, että pitkillä etäisyyksillä aine jakautuu tasaisesti niin, että avaruus näyttää samanlaiselta, tarkastellaanpa sitä mistä päin tahansa.
Äkkiseltään voi tuntua oudolta, että universumin oletetaan olevan kauttaltaan tasalaatuinen. Onhan helppo huomata, ettei asia ole näin. Ei tarvitse kuin katsoa itseään ja ympäristöään.
Kosmologisen periaatteen mukaan kaikkeus on homogeeninen ja isotrooppinen, eli aine jakautuu pitkillä etäisyyksillä niin tasaisesti, että kaikkeus näyttää samanlaiselta joka suunnassa.
Meillä ihmisillä on suurempi tiheys kuin meitä ympäröivällä ilmalla, ja elinpaikkamme Maa on massaltaan vielä suurempaa palloa, Aurinkoa, lähes täydellisessä tyhjiössä kiertävä kiviplaneetta.
Aurinkokunta kuuluu galaksiin, joka on vain yksi miljardeista universumin tähtikeräymistä. Siksi ei ole äkkipäätä helppo uskoa, että aine jakautuu tasaisesti maailmankaikkeudessa.
Kosmologisen periaatteen mukaan aineen tiheys ei kuitenkaan saa vaihdella universumin eri osien välillä. Kun asiaa tarkastellaan riittävän pitkillä etäisyyksillä, aine siis jakautuu tasaisesti eikä keräydy kokkareiksi.
Kaikkeutta yksinkertaistettiin
Kotigalaksimme Linnunrata sisältää 100–400 miljardia tähteä, joista monilla on planeettoja kiertolaisina. Linnunrata on vain yksi parista biljoonasta havaittavan universumin galaksista. Galaksit kiertävät toisiaan galaksijoukoissa, jotka puolestaan voivat muodostaa superjoukkoja.
Galakseista syntyy isoja kokonaisuuksia
Kun katsotaan kauas, paljastuu, että kotigalaksimme Linnunrata (nuoli) on vain pieni maailmankaikkeuden osa. Jokainen piste kuvassa on galaksi.
1. Kotipaikkana kierteisgalaksi
Aurinkokunta, johon Maa kuuluu, sijaitsee Linnunrata-nimisessä keskisuuressa kierteisgalaksissa, joka sisältää noin 100–400 miljardia tähteä. Monella niistä on planeettoja. Linnunradan läpimitta on yli 100 000 valovuotta.
2. Galakseja ryhminä ja joukkoina
Muun muassa Linnunrata, Andromedan galaksi ja Kolmion galaksi kuuluvat Paikalliseen ryhmään, jonka läpimitta on 10 miljoonaa valovuotta. Suurempia galaksirykelmiä nimitetään joukoiksi. Noin 54 miljoonan valovuoden päässä sijaitsee Neitsyen galaksijoukko.
3. Superjoukossa 100 000 galaksia
Paikallinen ryhmä (nuoli) sijaitsee superjoukko Laniakean laidalla. Läpimitaltaan 520 miljoonaa valovuotta olevaan Laniakeaan kuuluu kaikkiaan noin 100 000 galaksia, ja Neitsyen superjoukko on sen osa.
4. 1,5 miljardia valovuotta pitkä muuri
Laniakean superjoukko liittyy vielä suurempaan rakenteeseen, Kalojen–Valaskalan superjoukkoryhmään, jonka pituudeksi on arvioitu noin miljardi valovuotta. Sloanin galaksimuuri (SGW) on 1,37 miljardia valovuotta pitkä.
5. Selittämättömiä jättiläisiä
Vuonna 2021 löytynyt valtava kaari (kehystetty) on yli 3 miljardia valovuotta pitkä. Se on Sloanin galaksimuurin tavoin niin suuri, ettei sen olemassaoloa voida selittää, jos aine jakautuu kaikkeudessa tasaisesti kuten oletetaan.
Isot galaksijoukot ovat toki kosmologisen periaatteen mukaisia, mutta koska aineen pitää jakautua tasaisesti, rakenteet eivät voi olla kuinka suuria tahansa. Matematiikan keinoin enimmäiskooksi on määritetty 1,2 miljardia valovuotta, mikä vastaa 11:tä miljardia kilometriä. Alexia Lopezin havaitsema valtava kaari on kuitenkin melkein kolme kertaa niin pitkä.
Jos kosmologinen periaate ei päde, tutkijat joutuvat korjaamaan kosmologian standardimallia, joka perustuu Einsteinin vuonna 1915 esittämään yleiseen suhteellisuusteoriaan.
Suhteellisuusteorian mukaan painovoima on ymmärrettävissä aika-avaruuden kaareutumiseksi, jonka aiheuttaa eri puolilla maailmankaikkeutta oleva aine – tai yleisemmin energia.
Einsteinin yhtälöitä on vaikea käsittää, mutta 1920- ja 1930-luvuilla fyysikot Aleksandr Friedmann, Georges Lemaître, Howard P. Robertson ja Arthur G. Walker onnistuivat osoittamaan matemaattisesti, kuinka suhteellisuusteorialla voidaan kuvata koko maailmankaikkeus ja sen kehitys.
Onnistuminen oli sen ansiota, että neljä fyysikkoa pitivät universumia tasaisena hiukkaskastikkeena. He pystyivät kehittämään maailmankaikkeuden mallin ainoastaan jättämällä huomioimatta sen, että kastikkeen ainekset itse asiassa kokkaroituvat.
Yksinkertaistamalla asioita kosmologinen periaate ei vain helpottanut Einsteinin yhtälöiden parissa työskentelyä, vaan se myös vaikutti järkevältä sillä perusteella, että aineen voitiin odottaa jakautuneen suhteellisen tasaisesti maailmankaikkeuden laajentuessa.
”Kaari on niin iso, että sitä on vaikea selittää nykyisillä teorioilla.” Astrofyysikko Alexia Lopez, Keski-Lancashiren yliopisto
Sittemmin melko yksinkertainen maailmankaikkeuden malli on ollut astrofyysikoiden työn perusta. He ovat kuitenkin kohdanneet ongelmia: rakenteita, jotka sotivat kosmologista periaatetta vastaan.
3D-kartta paljastaa isoja rakenteita
Valtavat galaksikeräymät tulevat esiin vain silloin, kun maailmankaikkeutta kartoitetaan laajalta alueelta kolmiulotteisesti. Mittavin kartoitus on nimeltään Sloan Digital Sky Survey, ja se on 20 vuoden tiedonkeruun tulos. Hankkeessa käytettiin New Mexicossa toimivaa Apache Pointin observatoriota.
Miljoonien galaksien ja kvasaareiksi kutsuttujen säteilevien galaksien ytimien luettelo palvelee kaiken maailman tähtitieteilijöitä, ja he ovat löytäneet nimenomaan siitä havaittavan universumin suurimpia rakenteita.
Jo vuonna 2003 kartoitus paljasti 1,37 miljardin valovuoden pituisen ”galaksiseinämän”, joka tunnetaan tätä nykyä nimellä Sloanin galaksimuuri. Se muodostuu useista superjoukoista, jotka sijaitsevat noin miljardin valovuoden päässä Maasta.
Jos Sloanin galaksimuuri olisi ollut ainutlaatuinen, luottamus kosmologiseen periaatteeseen olisi tuskin alkanut horjua, mutta muut Sloan Digital Sky Survey -hankkeen ansiosta tehdyt löydöt, kuten kosminen hymiö, ovat mittasuhteidensa vuoksi tutkijoille kova pala purtavaksi.
Magnesium kavalsi valtavan kaaren
Alexia Lopez löysi suuren kaaren avaruudesta uudella kaukaisten galaksien paikannusmenetelmällä. Galaksit sijaitsevat niin kaukana, että niitä on hyvin vaikea havaita tavallisilla teleskoopeilla, mutta tuhansien vielä etäämpänä olevien galaksien, kvasaarien, valo mahdollisti niiden paikantamisen.
Kvasaarit lähettävät valoa
Kaukaiset kvasaarit ovat voimakkaasti säteileviä galaksien ytimiä, jotka loistavat kirkkaasti – myös Maan suuntaan. Säteily kattaa kaikki aallonpituusalueet.
Magnesium absorboi säteitä
Maan ja kvasaarien välillä sijaitsevissa galakseissa ja näiden ympärillä olevassa kaasussa on magnesiumia. Se imee itseensä kahden eri aallonpituusalueen kvasaarisäteilyä.
Aallonpituus paljastaa galaksit
Lopez paikansi valtavan kaaren yleensä näkymättömät galaksit tutkimalla, missä kvasaarien säteilystä puuttuivat magnesium-aallonpituudet.
Jättirakenteet antavat ymmärtää, että kosmologian standardimallissa on vielä parantamisen varaa. Parannusyrityksiä ja -ehdotuksia onkin jo tehty.
Osa tutkijoista tavoittelee epähomogeenista kosmologista rakennelmaa ja selvittää, kuinka se vaikuttaa rakenteillaan maailmankaikkeuden kehitykseen. Ehkä suurimmatkin rakenteet sopisivat ongelmattomasti tällaiseen universumin malliin.
Lisäksi kehitetään teoriaa, jonka mukaan painovoima tekee kaikkeudesta epätasalaatuisen vaikuttamalla pitkillä etäisyyksillä eri tavalla kuin Einstein esitti.
Kolmas lähestymistapa kiertyy pimeään eli hypoteettiseen maailmankaikkeuden laajenemista kiihdyttävään energiaan. Pimeä energia sisältyy kosmologian standardimalliin vakiona. Jotkut tutkijat olettavat kuitenkin sen vaihtelevan ajan tai paikan mukaan, jotkut taas pitävät oletettua energiaa turhana maailmankaikkeuden kuvaamisen kannalta.
Uudenlainen kosmologia voi muuttaa maailmankaikkeuden laajenemista koskevia laskelmia ja mahdollisesti sen ikää. Ehkä universumi ei ole 13,8 miljardia vuotta vanha niin kuin standardimalli sanoo.
Tutkijat eivät ole kuitenkaan vielä valmiita hylkäämään kosmologista periaatetta. Ennen kuin vanha, koeteltu teoria voidaan romuttaa, tarvitaan tarkempi kuva havaittavasta universumista. Jo paikannetuista suurista rakenteista kaivataan lisää tietoa, ja pitää tutkia, onko niitä olemassa enemmän.
Uusia löytöjä voidaan odottaa toiveikkain mielin, sillä jo joulukuussa 2023 alkaa laaja kaikkeuden kartoitushanke Chileen valmistuvassa Vera C. Rubinin observatoriossa. Teleskooppi tarkentaa merkittävästi kuvaa yli puolesta taivaankannesta ja näkee paljon entistä kauemmaksi menneisyyteen.
Perusteellisen kartoituksen jälkeen tiedetään, onko mielekäämpää pitää kaikkeutta kokkareisena kuin tasaisena kastikkeena. Jos avaruus ei näytä – suuressa mittakaavassa – joka suuntaan samanlaiselta, katsottiinpa sitä miltä planeetalta tahansa, uusi maailmankaikkeuden malli on tarpeen.