Kun universumin lämpötila noin 100 000 vuotta alkuräjähdyksestä putosi alle 4000:n asteen, alkuplasmassa vapaana mellastaneet elektronit eivät enää kyenneet välttämään protonien vetovoimaa vaan sitoutuivat niihin muodostaen atomeita. Syntynyt vety oli miltei läpinäkyvää plasman fotoneille, jotka nyt ensi kertaa saattoivat kulkea ilman, että niiden matka heti pysähtyisi törmäykseen elektronien kanssa. Itse asiassa mikään ei enää pidätellyt näitä fotoneita. Jäähtyneinä ja punasiirtyneinä ne tavoittavat meidät tänäkin päivänä kaikkialta avaruudesta virtaavana 2.728 astetta absoluuttista nollapistettä lämpimämpänä kosmisena taustasäteilynä. Sen keksivät ensi kerran vuonna 1965 Bell-laboratorion tutkijat Arno Penzias ja Robert Wilson. Taustasäteilyn olemassaoloa voidaan syyllä pitää yhtenä tämän vuosisadan tärkeimmistä tieteellisistä havainnoista. Se on yksi modernin alkurähjähdys-teorian kivijaloista.
Kosminen taustasäteily on hyvin tarkasti samanlämpöistä joka suunnassa. Plasmassa olevat massaenergian pikkuruiset vaihtelut voivat tosin aiheuttaa hienoisia lämpötilaeroja. Olikin suuri helpotus, kun vuonna 1992 amerikkalainen COBE-satelliitti ensimmäisen kerran pystyi havaitsemaan nämä pienet, 0.0001:n asteen suuruiset lämpötilan heilahtelut. Helpotus siksi, että galaksien kiistämätön olemassaolo viittasi siihen, että taustasäteilyssä olisi pakko näkyä niiden siemenet. Lämpötilaeroja kutsutaan taustasäteilyn anisotropiaksi.
COBE-satelliitti mittasi taivaankannelta kerrallaan noin 7 asteen suuruisia lämpäreitä. Se on jo hyvin suuri osa maailmankaikkeutta; itse asiassa taustasäteilyn syntyessä yli kahden asteen kokoiset alueet eivät tienneet naapurialueista mitään. Valo niistä ei ollut vielä ehtinyt kulkea riittävän kauaksi, ja tavallaan ne olivat itsenäisiä maailmankaikkeuksia. Meidänkin koko näkyvä universumimme oli yksi noista kahden asteen kokoisista länteistä. COBEn havaitsema massaenergian vaihtelu koski siis maailmankaikkeutta suurempaa mittakaavaa. Siksi galaksien tai galaksijoukkojen synnystä COBE ei voinut kovin paljoa kertoa. Tämän vuoksi suunnitteilla on kaksikin uutta satelliittilentoa, jotka pystyvät kartoittamaan taustasäteilyn lämpötilavaihtelut jopa asteen kuudesosan tarkkuudella. Näiden mittausten avulla uskotaan selvitettävän paljon muutakin: jatkuuko universumin laajeneminen ikuisesti, vai kääntyykö se joskus supistumiseksi, ja onko maailmankaikkeuden aivan ensimmäisen sekunnin murto-osien aikana tapahtunut sen räjähdysmäinen laajeneminen eli kosminen inflaatio.
Kosmologit tapaavat ilmoittaa taustasäteilyn lämpötilaerot tarkasteltavan kulman suuruuden funktiona. Lämpötilaerojen odotetaan nimittäin olevan eri suuria esimerkiksi 10 asteen ja 1 asteen kulmatarkkuudella. Itse asiassa lämpötilaerot muodostavat jatkuvan ja hyvin monimutkaisen spektrin, jossa esiintyy tietyin kulmavälein piikkejä eli tavallista suurempia lämpötilaeroja. Suurin tällainen ns. Doppler-piikki näkyy hieman alle kahden asteen skaalassa. Seuraava nähdään noin asteen kolmasosan skaalassa.
Doppler-piikit ovat itse asiassa eräänlaisia kaikuja, jotka syntyvät ääniaaltojen risteillessä kuumassa ja tiheässä alkuplasmassa. Ääniaallot ovat yleisesti väliaineen harventumia ja tihentymiä aivan kuten normaalit, ilmassa etenevät ääniaallotkin. Samanlaista aaltoilua esiintyi elektronien ja fotonien muodostamassa kuumassa kaasussa. Niin oudolta kuin se kuulostaakin, varhaisessa universumissa vallitsi melkoinen meteli!
Kaikeksi onneksi Doppler-piikkien ominaisuudet voidaan laskea teoreettisesti. Mikä parasta, niiden suhteelliset paikat ja suuruudet riippuvat täsmällisellä tavalla universumin massasta, sen laajenemisnopeudesta sekä puhtaan säteilyn ja massiivisten hiukkasten pitoisuuksista taustasäteilyn syntyhetkellä. Tämän vuoksi taustasäteilyn lämpötilaerojen tarkka mittaus voi antaa tietoa maailmankaikkeuden vielä tuntemattomista ominaisuuksista. Emmehän esimerkiksi tiedä, onko maailmankaikkeus avoin vai suljettu, eli muuttuuko laajeneminen koskaan supistumiseksi. Tämä riippuu universumin massasta, jota ei ole kyetty määrittämään kovin tarkasti. Mutta jos ja kun Doppler-piikkien suuruudet mitataan, tämäkin ongelma ratkeaa.
Kosminen inflaatio on suosittu teoria, joka pyrkii selittämään mm. miksi maailmankaikkeus ei ole vain muutaman sekunnin ikäinen. Tämä nimittäin olisi sen luonnollinen ikä samassa mielessä kuin rahaa heitettäessä on luonnollista saada pitemmän päälle yhtä monta kruunua ja klaavaa. Inflaatio selittää tämän, ja eräät muut Big Bang-kosmologian hienoviritysongelmat, olettamalla että mikrosekunnin miljardisosan miljasrdisosan miljardisosan vanha maailmankaikkeus laajeni hyvin voimakkaasti. Tämä on mahdollista eräissä hiukkasfysiikan suurissa yhtenäisteorioissa. Inflaatiomalli ennustaa, että maailmankaikkeuden massatiheys on täsmälleen ns. kriittinen tiheys - ja lahjomattomat Doppler-piikit tulevat lausumaan tuomionsa tästäkin asiasta. Ne kertovat myös, ovatko galaksien siemeniin liittyvät lämpötilavaihtelut peräisin kvanttiheilahteluista niinkuin inflaatioteoria ennustaa. Näin taustasäteilyn kautta voimme tunkeutua universumin aivan ensimmäisiin hetkiin.
On hämmästyttävää miten nopeasti Penziaksen ja Wilsonin havainnosta syntynyt uusi tieteenala, hiukkaskosmologia, on kasvanut kypsäksi tieteenksi. Maailmankaikkeuden syntyhistoria, joka vain muutama vuosikymmen sitten esiintyi lähinnä teologien tai kotifilosofien pohdiskeluissa, on nyt noussut kokeellisen tutkimuksen piiriin. Nyt taustasäteilyä ollaan ensi vuosituhannen alussa tutkimassa kahden avaruusluotaimen voimin.
Toinen, NASAn projekti, tunnetaan nimellä MAP (sanoista Microwave Anisotropy Probe). Se on suunniteltu laukaistavaksi syksyllä vuonna 2000 kohti Maan ja Auringon välistä ns. Lagrangen pistettä, joka sijaitsee puolentoista miljoonan kilometrin päässä ja jossa Maan ja Auringon vetovoimat ovat yhtä suuret. MAP nähnee kuitenkin vain ensimmäisen Doppler-piikin. Siksi todelliset toiveet kohdistuvat eurooppalaiseen PLANCK-luotaimeen. Sekin on matkalla Maan ja Auringon väliseen Lagrangen pisteeseen, ja laukaisuhetkeksi on kaavailtu vuotta 2004. PLANCK-luotain mittaa taustasäteilyn anistropiaa, tai oikeastaan muodostaa 100 000:n vuoden ikäisestä maailmankaikkeudesta tarkan lämpötilakartan.
MAPin ja PLANCKin lämpötilakartat ovat samalla karttoja koko maailmankaikkeuden salaisuuksista. Paitsi inflaatiosta Doppler-piikit kertovat myös, minkä laatuista on pimeä aine, jonka uskotaan muodostavan valtaosan universumin massasta. Tai kenties inflaatio-hypoteesi osoittautuukin vääräksi, ja galaksien siemenistä ovat vastuussa kosmiset jänteet. Ne ovat mikroskooppisen ohuita mutta suunnattoman raskaita lankamaisia rakenteita, joita eräiden teorioiden mukaan universumi on täynnä kuin lankalaatikko siellä peuhanneen kissanpojan jäljiltä. Niin tai näin, ensi vuosituhannella olemme tässäkin asiassa paljon viisaampia.
Kari Enqvist