John Hartnettin kosmologinen malli

John Hartnettin kosmologinen malli kuvaa maailmankaikkeutta lähtien oletuksesta, että Raamatun luomiskertomus on totta. Raamatun mukaan maapallo luotiin neljä päivää ennen taivaankappaleita ja Aadam kaksi päivää niiden jälkeen.¹ Yksin Raamatun pohjalta ei voida siirtää luomisen ajankohtaa noin seitsemää tuhatta vuotta taaemmas.² Näin ollen saattaa vaikuttaa siltä, ettei pitäisi olla mahdollista nähdä yli 6000 valovuoden päässä olevia tähtiä, vaikka niin näemmekin.

Hartnett argumentoi, että tiede on mahtava työkalu, mutta huomauttaa, että yksinkertaisiltakin vaikuttavat tieteelliset selitykset, kuten että kymmenen miljardin valovuoden matkan kulkeminen vaatii kymmenen miljardia vuotta, ovat epävarmoja. Tiede on täynnä esimerkkejä siitä, kuinka täysin varmoina pidettyjä asioita on myöhemmin kumottu.³ Monissa tapauksissa teoriaa ei ole hylätty sille vastakkaisen todistusaineiston takia, vaan lisätty siihen erilaisia ns. korjauskertoimia. Esimerkiksi kun Newtonin kaikenkattavat fysiikan lait eivät onnistuneet kuvamaan varmoja tähtitieteellisiä havaintoja, tiedemiehet keksivät erilaisia piilossa olevia planeettoja selittämään ongelmat.⁴

Se, mitä tarvittiin, oli kuitenkin uusi fysiikka, jonka tarjosi Einstein. Hartnettin mukaan toisaalla tapahtuu tällä hetkellä samanlaista – mikä ei ole ainoastaan opetuksen puolesta hyvä, vaan myös avain selittämään tähtien valon matkaamisongelman. Hartnettin mukaan Big Bang -kosmologia on tuonut mukanaan joukon uusia korjauskertoimia selittämään ongelmallisia havaintoja. Näitä korjauskertoimia kutsutaan pimeäksi aineeksi ja energiaksi.⁵

Hartnettin mukaan silloin, kun tiede ja Raamatun selvä opetus ovat ristiriidassa, tulee nöyrästi olettaa, että ymmärryksemme maailmankaikkeudesta on vajavaista. Silloin, kun näin tehdään eli käytetään raamatullista historiaa lähtökohtana, se johtaa maailmankaikkeuden parempaan tuntemiseen.⁶

Tähtien valo ja aika

Vuonna 1994 Russell Humphreys esitteli teoriansa⁷, joka pyrki selittämään, kuinka miljardien valovuosien päässä olevat tähdet voivat näkyä maassa. Tämän teorian mukaan aika ei ole absoluuttinen vaan riippuu havainnoijan olosuhteista eikä luomisen jälkeen kulunut aika ole sama kaikkialla universumissamme. Humphreysin valkoinen aukko -teorian⁸ mukaisessa universumissa kauempien tähtien valon pitäisi kuitenkin olla sinisiirtynyttä hyvin tunnettujen painovoiman vaikutusten takia. Humphreys myönsikin nopeasti ja toistuvasti teoriansa olleen vain alkua. Hänen mukaansa teorian tarkoitus oli kannustaa tutustumaan uudentyyppiseen kosmologiseen malliin.⁹

Kirjassaan Hartnett esittelee kaukaisten tähtien ongelmaan viisi mahdollista selitysmallia, jotka pitäytyvät luomisviikon kuudessa 24 tunnin päivässä:

1. Fenomenologinen kieli: Tässä vaihtoehdossa tähdet olisi luotu miljardeja vuosia ennen neljättä päivää siten, että niiden valo saapuu maapallolle juuri luomisviikon neljäntenä päivänä. Hartnett kuitenkin argumentoi tämän olevan kestämätön selitys, sillä kohdissa 2. Moos. 20:9 ja 2. Moos. 20:11 Jumala sanoo luoneensa kaiken kuuden päivän aikana.¹⁰
2. Nopeammin käyvät kellot ”kauempana”: Toisen mahdollisen selityksen mukaan kellot maailmankaikkeuden etäosissa olisivat aiemmin käyneet huomattavasti nopeammin kuin maapallolla.¹¹ Luomisviikolla universumimme rajoilla kellot olisivat käyneet biljoonia kertoja nopeammin kuin kellot maapallolla ja näin valolla olisi ollut tarpeeksi aikaa saapua maapallolle. Tämän selityksen ongelmana on kuitenkin se, että näin saapuneen valon pitäisi olla voimakkaasti sinisiirtynyttä. Valossa havaitaan kuitenkin punasiirtymää, joten tarvittaisiin fysikaalinen selitys, joka tukisi näkemystä ja sallisi meidän nähdä laajentuvassa universumissa punasiirtynyttä valoa.¹²
3. Hitaammin käyvät kellot täällä kuin ”kauempana”: Tämän vaihtoehdon mukaan aiemmin kellot kävivät maapallolla huomattavasti hitaammin kuin ulompana universumissa. Jos luomisviikon aikana kellot olisivat käyneet maapallolla noin biljoonasosatahtiin universumin ulkolaitojen kelloihin verraten,¹³ olisi valolla ollut tarpeeksi aikaa saapua maapallolle päivissä maapallolla olleiden kellojen mukaan. Humphreysin teoria on juuri tätä tyyppiä. On myös huomattava, että teoria ei ole samansisältöinen kuin edellinen. Edellisessä mallissa kauempana maailmankaikkeudessa kellot olisivat käyneet nopeammin kuin nyt valoa vastaanottamassa olevat kellot maapallolla. Tässä mallissa, kun valo lähtee, käyvät kellot samaa tahtia kuin kellot nyt maapallolla, kun valo saapuu. Vain luomisviikon yhden (tai kahden) päivän aikana kellot kävivät hitaammin vastaanottaakseen valon. Hartnettin malli kuuluu myös tähän tyyppiin.¹⁴
4. Valon nopeuden hidastuminen: Ennen Humphreysiä suosittu selitysmalli oli, että valon nopeus (c) on ollut huomattavasti suurempi menneisyydessä, erityisesti luomisviikolla, jonka jälkeen se on reippaasti laskenut nykyiseen arvoonsa. Ongelmana on kuitenkin se, että mikäli valon nopeus on ollut aiemmin suurempi ja sitten hidastunut, pitäisi tähtien vähitellen kadota näkyvistämme, mutta tällaista ei havaita. Hartnett argumentoikin, etteivät tähän kategoriaan kuuluneet teoriat ole kestäneet testaamista.¹⁵
5. Valo luotu matkalle: Viidennen vaihtoehdon mukaan Jumala olisi luonut valon valmiiksi maapallon ja tähtien välille. Tähdistä saapuvasta valosta voidaan kuitenkin päätellä monenlaisia asioita, jotka olisivat tämän mallin mukaan vain teatteria.¹⁶

Viidettä kohtaa voidaan havainnollistaa ajattelemalla esimerkkiä tähdestä, joka räjähtää laskennallisesti 100 000 valovuoden päässä maasta. Kun tähtitieteilijä katsoo tätä räjähtävää tähteä maasta käsin, hän voi havaita muutakin kuin ainoastaan sieltä saapuvan näkyvän valonsäteen. Tarkkailtavasta kohteesta maahan saapuva säteily sisältää hyvin yksityiskohtaisen spektrin erilaisia säteilyjä, jotka ovat yhdenmukaisia tarkkailijan näköhavainnon kanssa tähden räjähtämisestä. Täten kohteesta saapuva valo kantaa selkeästi mukanaan informaatiota todellisesta tapahtumasta. Tähtitieteilijä voi täysin perustellusti tulkita havaitsemansa ilmiön aiheutuneen todellisesta tapahtumasta, jossa todellinen objekti räjähti fysiikan lakien mukaisesti, kirkastui, säteili mikroaaltoja, himmeni ja niin edelleen.⁸ Hartnett argumentoikin tämän olevan ad hoc -selitys ja huomauttaa, että ihmeet ovat Raamatussa hyvin erityisiä tapauksia, joihin liittyy jokin selkeä tarkoitus tai ilmoitus. Selitys valon luomisesta matkalleen ei kuulu tähän sarjaan.¹⁷

Pimeä aine ja energia nykyajan korjauskertoimena

Merkuriuksen perihelikiertymä

1800-luvun loppupuolella tähtitieteilijät huomasivat, että Merkuriuksen kiertorata liikkuu, mikä tarkoitti, että jokin tuntematon tekijä vaikuttaa sen käyttäytymiseen. Kiertoradan muutokseksi mitattiin 43 kulmasekuntia vuosisadassa, kun muiden planeettojen aiheuttamat virheet oli korjattu. Tuolloin käytössä olleen Newtonin fysiikan perusteella oli hyvin vaikea selittää tätä. Ongelma ratkaistiinkin olettamalla, että on näkymätöntä, mutta painovoimallaan sisäplaneettojen kiertorataa liikuttavaa pimeää ainetta. Tämä selitys tuo mieleen ennen Kopernikusta käytetyt ptolemaiolaiset episyklit¹⁸, joiden tarkoituksena oli pimeän aineen tavoin pitää pääteoria pystyssä.¹⁹

Pimeän aineen kuvaukset vaihtelivat, sillä joidenkin mukaan kyse oli asteroidivyöhykkeestä, toisten mukaan taas kyseessä oli Merkuriuksen ja Auringon välissä oleva planeetta, joka on aina auringon toisella puolella Maasta katsoen. Tässä kohdin on kuitenkin huomattava, että aurinkoa lähempänä olevan planeetan kiertoaika on huomattavasti lyhyempi kuin maalla.²⁰

Ongelma korjaantui kuitenkin Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian myötä – Einstein pystyi laskemaan Merkuriuksen radan muutokseksi juuri 43 kulmasekuntia. Pimeä aine olikin näin tarpeetonta ja se, mitä tarvittiin, oli uusi ja oikeampi fysiikka. Newtonin fysiikan huomattiin olevan puutteellinen silloin, kun avaruus ja aika kaareutuvat huomattavasti auringon läheisyydessä. Hartnett argumentoi, että vastaavanlainen ongelma vaivaa universumin sekulaaria kuvausta kaikilla tasoilla.²¹

Newtonin ajoista lähtien tähtitieteilijät ovat mitanneet auringon ja planeettojen massaa kaavalla:

m = (v²*R)/G

Kaavassa v on mitattavan kappaleen vauhti, R kappaleen ja kiertoliikkeen keskuksen keskipisteiden välimatka ja G Newtonin gravitaatiovakio.

Kaavaa voidaan käyttää myös aurinkokuntamme ulkopuolisiin kohteisiin, jotka kiertävät jonkin keskuksen ympäri. Massa voidaan määrittää myös loistavan aineen määrästä, mutta nämä kaksi menetelmää tuottavat keskenään ristiriitaisia tuloksia. Yllä mainitulla kaavalla saadaan aina suurempia tuloksia kuin mitä havaitaan, mikä tarkoittaa, että on ainetta, jota ei havaita. Tätä eroa kuvataan yleensä M/L -suhteella. Kun M/L = 1, pimeää ainetta ei tarvita.²²

Eri menetelmin tutkittaessa on kuitenkin huomattu, että M/L -suhde on kaukana yhdestä ja että se kasvaa sitä mukaa, kun asteikkoa suurennetaan. Samainen ongelma vaivaa myös koko universumin tasolla, ja jotta havainnot voitaisiin sovittaa Freidman-Lemaître-malliin, pimeä aine on otettu uudelleen käyttöön. Pimeän aineen väitetäänkin käsittävän 22% maailmankaikkeuden aineesta ja energiasta. Malli vaatii myös toisen osatekijän, jota kutsutaan pimeäksi energiaksi. Sitä oletetaan olevan 74% maailmankaikkeuden kaikesta aineesta ja energiasta. Hartnett argumentoi, ettei tätä ole havaittu, mutta pimeää ainetta ja energiaa pitäisi olla kaikkialla ympärillämme – näkyvää ainetta olisi vain 4% kokonaisuudesta.²³

Cosmological Special Relativity

Einsteinin erityisessä suhteellisuusteoriassa (Theory of Special Relativity) valon nopeus tyhjiössä määriteltiin vakioksi c. Avaruus ja aika taas kietoutuivat yhteen avaruusajaksi, joka kaareutuu havainnoijan nopeudesta riippuen. Myöhemmin Einstein lisäsi tähän ulottuvuuteen gravitaation, jolloin syntyi yleisen suhteellisuusteorian (Theory of General Relativity) ajatus kaarevasta avaruusajasta. Tämä laajennus johti Merkuriuksen kiertoradan muutosten ymmärtämiseen.²⁴

Carmelin teoria

1990-luvun alussa Moshe Carmeli laajensi tätä käsitystä maailmankaikkeudesta. Carmeli huomasi, että tähtitieteilijät mittaavat todellisuudessa vain kahta tekijää: etäisyyttä ja nopeutta. Näitä toki mitataan muiden tekijöiden, kuten kirkkauden ja punasiirtymän avulla. Maailmankaikkeuden laajimmissa skaaloissa tähtitieteilijät voivat vain ottaa kuvia ja mitata niistä punasiirtymän ja sitten etäisyyden. Tämän pohjalta Carmeli laati uuden teorian: Cosmological Special Relativity ja myöhemmin yleisen teorian, johon kuului myös aine.²⁵

Vuonna 1996 Carmeli ennusti teoriansa pohjalta noin kaksi vuotta ennen havaintoja, että universumin laajenemisen on oltava kiihtyvää. Carmelin uusi avaruusnopeus-käsite laajentaa Einsteinin suhteellisuusteoriaa laajenevan avaruuden laajenemisnopeudella. Carmelin teoria sisältää Einsteinin koko teorian, jonka on todettu pätevän aurinkokunnassa, mutta laajentaa sen kaikille universumin skaaloille.²⁶

Tämän teorian pohjalta Hartnett argumentoi saaneensa kuvatuksi aineen tiheyden riippuvuuden punasiirtymästä ja näin poistaneensa pimeän aineen tarpeen universumin selitystekijöiden joukosta. Oikeaa fysiikkaa käyttäen se, mitä on väitetty pimeäksi energiaksi, onkin kuvaus tyhjiön itsensä ominaisuuksista – tyhjiö ei ole ”ei mitään”, ja uusi fysiikka kuvaa oikein sen ominaisuudet. Hartnettin mukaan tämän uuden fysiikan perusteella normaaliksi ainetiheydeksi vaaditaan vain n. 4% kriittisestä tiheydestä, mikä on sama kuin mitä on havaittu aineen määräksi loistavan aineen määrän perusteella. Hartnett-Carmeli -malli ei näin ollen vaadi lainkaan pimeää ainetta toisin kuin Friedmann-Lemaître-mallit.²⁷

Galaksien pimeän aineen ongelma

Hartnett kirjoittaa, että rotaatiokäyrät, jotka kuvaavat tähtien kehänopeutta, ovat tuottaneet päänvaivaa tähtitieteilijöille monien vuosikymmenten ajan. Newtonin fysiikan mukaan mitä kauempana kiertävä kappale on keskustasta, sitä hitaammin se liikkuu. Esimerkiksi Venus kiertää aurinkoa huomattavasti nopeammin kuin Uranus. Kuitenkin spiraaligalaksitähtien kiertonopeus ei tipukaan tällä tavoin, vaan yleensä nousee tiettyyn rajaan ja sitten pysyy ennallaan. Kaavioita, joissa kuvataan nopeutta etäisyyden funktiona, kutsutaan rotaatiokäyriksi. Nämä havainnot ovat poikkeuksellisia, sillä olisi oletettavaa, että ratanopeudet laskisivat nollaan, kun etäisyys keskukseen kasvaa riittävän suureksi.²⁸

Kirkkaimmilla galakseilla kiertokäyrä laskee hienoisesti suurimman arvonsa saatuaan, ääripäiden välissä olevilla galakseilla se pysyy lähes vakiona ja himmeimmillä galakseilla se kasvaa tasaisesti läpi kiekon. Tyypillisesti tämän ilmiön selitykseksi on tarjottu pimeästä aineesta koostuvaa haloa, joka ympäröi galaksia. Hartnett argumentoikin, että pimeää ainetta käytetään selityksenä aina, kun käytössä oleva fysiikka ei pysty selittämään havaittua dynamiikkaa. Kuitenkaan galaksin ytimeen ei pimeää ainetta juurikaan tarvita, vaan se on suurimmaksi osaksi keskittynyt keskuksen ulkopuolella olevaan haloon. Pimeä aine -selitys vaatiikin, että jokaisessa maailmankaikkeuden spiraaligalaksissa on juuri oikea määrä pimeää ainetta ja se on juuri oikeassa paikassa. Hartnettin mukaan jotkut Big Bang -teoriaan uskovat astrofyysikotkin pitävät tätä keinotekoisena ja jotkut ovat etsineet siihen ratkaisua.²⁹

Tämän ongelman ratkaistakseen Carmeli laati viidennen ulottuvuuden laajennuksen Einsteinin suhteellisuusteoriaan, jossa Hubblen laajeneminen tuottaa hiukkasille lisää liikettä ja näin galaksien dynamiikan. Carmeli onnistui myös johtamaan hyvin tunnetun galaksien etäisyyden mittaamiseen käytetyn Tullyn–Fisherin relaation. Hän esittikin suhteen olevan galaksin massan ja nopeuden, eikä kirkkauden ja nopeuden välillä.³⁰

Carmelin teoria kyseenalaisti pimeän aineen olemassaolon, mutta Carmeli lopetti kaasujen ja tähtien liikettä koskevat laskelmansa lyhyeen. Hartnett laajensi Carmelin laskelmia ja argumentoi näin selittäneensä galaksien tyypilliset rotaatiokäyrät ilman pimeää energiaa. Hartnett argumentoi, että carmelilaista kosmologiaa käyttäen on mahdollista selittää havainnot ilman oletusta pimeästä energiasta kaikissa universumin mittaluokissa.³¹

Hartnett kirjoittaa, että epäsäännöllisten rotaatiokäyrien tutkimukset ovat toistaiseksi osoittaneet, että voimien ollessa hyvin heikkoja spiraaligalaksien ulointen alueiden kaasujen ja tähtien lisänopeus johtuu kaasumolekyylien kytkeytymisestä, kun universumi laajenee. On havaittu, että näissä järjestelmissä painovoima ei ole kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön vaan etäisyyteen itseensä ja näin tähdet näyttävät kulkevan nopeammin ulkokierroksilla kuin mitä muuten odotettaisiin.³²

Todennäköisesti suurin haaste uudelle fysiikalle on selittää suurien galaksijoukkojen välissä niitä erossa pitävän kuuman kaasun dynamiikka. Tähtitieteilijät ovat laskeneet, että kuuman röntgensäteilevän kaasun massa on huomattavasti suurempi kuin itse galaksien. Perinteisesti tämä on selitetty pimeällä energialla. Hartnett kuitenkin argumentoi, että galaksijoukkojen välisen kaasun lämpeneminen johtuu kaasuionien ja molekyylien liikkeestä laajenevassa universumissa. Tässäkin tapauksessa voimat ovat hyvin heikkoja, mikä tarkoittaa, että kaasujen käyttäytyminen ei seuraa Newtonin, vaan Carmelin lakeja. Tässä tapauksessa kaasuhiukkasten satunnainen liike lisää huomattavasti lämpenemistä ja näin termodynamiikka voidaan selittää ilman pimeää energiaa.³³

Suhteellisuusteoria ja sen laajennus

Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria on muuttumattomuuden teoria, kuten Einstein halusikin sitä kutsuttavan. Esimerkiksi havainnoija voi aina mitata saman valon nopeuden riippumatta liikkeestään. Valon nopeus onkin määritelty vakioksi c, ja se määrää, kuinka nopeasti esine tai valo voi universumissa nopeimmillaan kulkea.³⁴

Uudessa teoriassa havaitut parametrit ovat galaksien suhteellisia etäisyyksiä ja nopeuksia. Carmeli teoretisoikin, että minkä tahansa fysikaalisen kuvauksen täytyy liittyä näihin suureisiin vastaavalla tavalla kuin Einstein teki suhteellisuusteoriassaan. Näin ollen hänen universuminsa pääsuuretta kutsutaankin avaruusnopeudeksi avaruusajan sijasta.³⁵

Lämmetessään kaikki kaasut lähettävät valoa eri aallonpituuksilla ja näin tähdet lähettävät aallonpituudeltaan sisältämiensä kaasujen mukaista valoa. Ionit taas lähettävät fotoneita hyvin vaihtelevilla aallonpituuksilla, mikä on kuvattu hyvin modernissa kvanttimekaniikassa. Tämän takia näemme kirkkaita ja tummia viivoja tähtien spektrissä. Tämä pitää paikkansa myös galakseissa, joita käytetään määritettäessä universumin laajenemista.³⁶

Kun tähdistä tulevaa spektriä verrataan samojen kaasujen laboratoriomalleista saatuihin spektreihin, huomataan, että tähdistä tuleva valo on siirtynyt joko punaista tai sinistä ääripäätä kohti. Tulkinta tästä siirtymästä on, että kohteet ovat liikkeessä. Tähtitieteilijät tukeutuvat tähän mitatessaan etäisyyksiä ja nopeuksia maailmankaikkeudessa. Hartnett argumentoi myös, että ilmiö on vastaava Dopplerin ilmiön kanssa.³⁷

Aluksi astronomit mittasivat Linnunradan ulkopuolisia lähteitä ja huomasivat, että useimpien valo oli punasiirtynyttä ja että näin ollen ne olivat menossa meistä poispäin. Nykyään tämä tulkinta on korvattu avaruuden itsensä laajenemisella, jossa galaksit itse eivät liiku, vaan avaruus laajenee tai levittyy. Näin punasiirtymät voidaan tulkita laajenemisen nopeudeksi, joka on kuvattu Hubblen laiksi.³⁸

Hubblen laki: v = H₀r, jossa v on laajenemisen nopeus, r on etäisyys ja H₀ on Hubblen vakio. Lain merkityksen voi tiivistää: "Mitä suurempi etäisyys, sitä suurempi nopeus." Carmelin mukaan vakio on pätevä, mutta muokattuna seuraavaan muotoon:

v = (1/τ)r

jossa τ, Carmeli-Hubble-aikavakio, on sama kaikille havainnoijille ajankohdasta riippumatta, eli näin ollen ei ole merkitystä, milloin mittaus on tehty. Tämä idea on saanut tukea siitä tosiasiasta, että Hubblen vakio vaihtelee huomattavasti riippuen menetelmästä ja että mitattaessa eri etäisyyksillä olevia kohteita voidaan saada erilaisia tuloksia. Näin ollen se ei olekaan vakio, toisin kuin Carmelin vakio. Hartnett argumentoi kuitenkin, että silloin, kun mittaukset perustuvat suurten ellipsigalaksien ja galaksiryhmän kirkkaimpien spiraaligalaksien punasiirtymiin, Hubblen vakio on toimiva.³⁹

Carmeli-Hubble-aikavakion arvoksi on laskettu n. 13,5 miljardia vuotta. On kuitenkin huomattava, että se määrittelee aikaa eikä universumin ikää. Kysyttäessä universumin ikää on selvennettävä, minkä kellon mukaan mitatusta iästä on kysymys. On myös ymmärrettävä, että tässä puhutaan uudesta universumin ulottuvuudesta. Se ei ole ulottuvuus samalla tavoin kuin pituus, leveys ja syvyys, mutta todellinen ulottuvuus silti. Se on nopeusulottuvuus, jossa näemme universumin laajenevan. Galaksit eivät ole liikkeessä avaruudessa, vaan avaruus itsessään laajenee nopeudella v.⁴⁰

Teoria on vastaava erityisen suhteellisuusteorian kanssa, kun aikaulottuvuus korvataan nopeusulottuvuudella ja universaali vakio c uudella vakiolla τ. Kuten Einstein, Carmeli laati teoriansa olettamatta, että universumissa olisi lainkaan ainetta. Kun aine lisättiin teoriaan, muodostui Cosmological General Relativity -teoria (CGR). Teoria on tyylikäs yksinkertaisuudessaan; se kuvaa galaksien liikettä havaittavassa universumissa. Se tarvitsee vain Carmeli-Hubble-aikavakion, nykyisen keskimääräisen aineen tiheyden (Ω) ja hyvin tunnettuja vakioita.⁴¹

CGR olettaa pallomaisesti symmetrisen universumin, jossa havainnoija on keskellä. Galaksit ovat jakautuneet sen mukaisesti ja havaitsemme punasiirtymiä, joten universumi on laajeneva. Teoria olettaa vain avaruuden isotrooppisuuden⁴², muttei homogeenisuutta⁴³. Sen mukaan universumin laajenemisessa on kolme vaihetta: aluksi hidastuva, sitten vakio ja lopulta kiihtyvä. Universumin ollessa tiheä se laajeni hidastuen, kunnes rikkoi vapaan alueen, jossa aine rikkoo kriittisen tiheyden (n. 10^-29 g/cm^-3). Nykyään tiheys on huomattavasti alempi. Mallin kolmivaiheinen laajeneminen on onnistuneesti sovellettu vuonna 1997 havaitun Ia-tyyppisen supernovan kirkkaus-etäisyys-tutkimusaineistoon.⁴⁴

Einsteinin kenttäyhtälöt

Vuonna 1915 Albert Einstein löysi kirjallisten avustajien tuella oikeat kenttäyhtälöt kuvaamaan maailmankaikkeuden rakennetta:

G_μv = R_μv – 1/2*R = κT_μv

Nämä yhtälöt kuvaavat avaruusajan vaikutusta aineen ja energian kaareutumiseen. Suhteellisuusteoriassa vetovoima ei ole enää voima vaan seuraus geometriasta ja kaareutumisesta, jota kuvaa G_μv. Hartnett kuvaa tätä näyttämönä, jossa universumin näytelmä näytellään. T_μv on energia/momenttitensori, joka kuvaa energian ja aineen tilavuutta universumista. Se on aineen kriittisen tiheyden Ω funktio. Kaareutuminen riippuu T_μv-vakiosta. κ taas liittää eri suureet yhteen yhtälön eri osissa.⁴⁵

Kriittinen tiheys on universumin kokonaisenergia- ja ainemäärä (ilmaistuna määränä, joka on riittävä universumille, jotta se saavuttaisi vapaan alueen⁴⁶, muttei niin iso, että vetovoima voittaisi ja universumi luhistuisi).⁴⁷

Einstein laati yhtälönsä neljään ulottuvuuteen: kolmeen tilaulottuvuuteen ja yhteen aikaulottuvuuteen. Carmeli havaitsi, että Einsteinin kenttäyhtälöt olivat voimassa myös silloin, kun avaruusaika korvattiin avaruusnopeudella. Myöhemmin hän lisäsi avaruusajan takaisin kuvaamaan koko universumin mittakaavaa pienempiä skaaloja. Tästä syntyi viisiulottuvuusteoria. Avaruusnopeus poikkeaa arvaruusajasta yhdessä merkittävässä kohdassa. Carmeli oletti, että universumi ei ole koskaan ilman ainetta. Sen takia hän tarkasteli teoriassaan uutta suuretta nimeltään effective matter density (vastaava kuin Ω–1), joka voi saada arvokseen nollan tai jopa negatiivisen, mitä normaali ainetiheys Ω ei voi olla. Tämä tarkoittaa, että avaruudella on ominaisuus, joka aiheuttaa sen laajenemisen. Aluksi universumin effective matter density oli hyvin suuri, mistä se on sitten laskenut.⁴⁸

Kun mitattu aineen tiheys Ω on pienempi kuin 1, universumi on avoin ja Carmelin teoriassa se tarkoittaa, että universumi voi laajeta ikuisesti koskaan luhistumatta. Teoria myös osoittaa, että universumi on avaruudellisesti tasainen, mikä on kokemuksemme mukaista. Se on myös aina ollut sellainen. Teoria poikkeaa tässäkin kohdin FL-malleista, jotka vaativat, että aineen ja energian tiheyden täytyy olla kriittinen tiheys (Ω = 1). Teoria ei myöskään sisällä kosmologista vakiota (Λ), kuten FL-mallit vaativat. Vastaava vakio voidaan kuitenkin johtaa Carmelin teoriasta; se on nollasta poikkeava ja positiivinen, hyvin pieni ja oikeaa suuruusluokkaa havaintoihin nähden.⁴⁹

Hartnett huomauttaa, että Carmeli ei pidä teoriaansa minään muuna kuin uudentyyppisenä Big Bang -mallina. Teoriaa voidaan kuitenkin laajentaa uudeksi malliksi, joka vastaa sitä, mitä voisimme olettaa lähtiessämme 1. Mooseksen kirjan historiasta. Hartnett argumentoi, ettei lähtökohtia voida johtaa havainnoista ja että vaikka ajassa nähtäisiinkin taaksepäin alkuun asti, sama tutkimusaineisto voi tukea hyvin erilaisia historiallisia tulkintoja – todistusaineistosta ei ole luettavissa vain yhtä historiaa.⁵⁰

Todistusaineistoa: Suuripunasiirtymäiset supernovahavainnot

Kun halutaan testata näitä maailmankaikkeuden rakennetta kuvaavia teorioita, on löydettävä itsenäinen menetelmä universumin etäisyyksien mittaamiseen. Nykyään käytetty menetelmä on luoda ”standardikynttilä” ja käyttää kirkkauden kääntäen verrannollisuutta, eli mitä kauempana valonlähde on, sitä himmeämpänä valo saapuu. Kaikki, mitä tarvitaan, on mitata, kuinka olennaisesti valaiseva ”standardikynttilä” on. Ia-tyyppisen supernovan löytyminen antoi astronomeille mahdollisuuden sekä mitata kyseisen galaksin, jonka keskellä on räjähtävä tähti, etäisyyden että saada valon punasiirtymä, joka antaa perääntymisnopeuden. Havaittiin, että tämäntyyppinen supernova voitiin kalibroida standardiksi.⁵¹

Kun FL-malleja testattiin näin, huomattiin, että teoria sopii havaintoihin vain, jos niihin lisätään suuret määrät pimeää ainetta ja energiaa. Parhaiten sopiva FL-malli vaatii, että aineen kokonaistiheyden tulisi olla noin 26% (Ω = 0,26), mutta kun aineen tiheys mitattiin paikallisesti, saatiin arvoja väliltä 0,7%–4,1%. Vaikka havaintojen korkein arvo (Ω = 0,04) otettaisiin, ei se ole riittävästi. Tämän takia on oletettu, että yhteensopimattomuus johtuu pimeästä aineesta.⁵²

Tämäkään ei kuitenkaan vielä riitä, sillä Sne Ia -havaintojen on huomattu olevan himmeämpiä kuin mitä pitäisi. Jonkin muunkin on siis ajettava universumia laajemmaksi. Tämä johti ideaan, että universumin laajeneminen on kiihtyvää ja sitä aiheuttaa tuntematon voima nimeltään pimeä energia. Kun Einsteinin kenttäyhtälöiden vasemmalle puolelle lisätään kosmologinen vakio (Λ), se selittää havainnot, vaikka onkin arvoltaan pieni. Näin ollen näkyvän ja pimeän aineen tiheys Ω = 0,26 lisättynä pimeän energian tiheydellä Ω_Λ = 0,74 on Ω + Ω_Λ = 1.⁵³

Kun Carmelin avaruusnopeusteoriaa testattiin tällä tavoin samaan havaintoaineistoon, se sopi siihen erittäin hyvin ilman pimeää ainetta tai energiaa. Tätä kuvaa vapaa parametri, universumin aineen tiheys, ja sen parhaaksi arvoksi on mitattu Ω = 0,04 ± 0,02, joka sopii täysin mittauksiin. Hartnett argumentoi, että tämä osoittaa havaintojen olevan sopusoinnussa Carmelin teorian kanssa ja vahvistavan Carmelin alkuperäisen oletuksen siitä, että Ω < 1 ja näin ollen universumi on laajeneva.⁵⁴

Lähteet

• Dr. John Hartnett: Starlight, Time and the New Physics. Creation Book Publishers, 2007. 978-0-949906-68-7.