Avaruus

Avaruus on tähtitieteessä pääosin tyhjiön muodostama osa maailmankaikkeutta Maan ilmakehän ulkopuolella. Tarkkaa rajaa maapallon ilmakehän loppumisen ja avaruuden alkamisen välille ei voida asettaa, koska ilmakehän tiheys alenee maapallon painovoimakentän heikentyessä Maasta loitonnuttaessa eikä ole olemassa selkeää rajaa, mutta avaruuden voidaan katsoa alkavan 100 kilometrin korkeudella sijaitsevasta Kármánin rajasta. Tällä korkeudella ilmakehän tiheys on enää vain noin 1/2 200 000 maanpinnan ilmakehän tiheydestä.
Avaruus on lähes yksinomaan tyhjiö. Tyhjiötä täyttävä massa on pimeässä aineessa, tähdissä ja planeetoissa. Tähtienvälisessä avaruudessa leijuu silti erittäin pienitiheyksisiä vetypilviä (tiheys on suuruusluokkaa yksi atomi kuutiosenttimetrissä) sekä fotoneita, neutriinoita ja muita alkeishiukkasia. Osa tähtienvälisestä aineesta on molekyyleinä (molekyylipilvet) sekä pölyhiukkasina, joiden arvellaan koostuvan etupäässä grafiitista ja silikaateista.
Suurin osa avaruuden massasta on nykytiedon mukaan niin sanottua pimeää ainetta. Pimeän aineen koostumusta ei tiedetä tarkasti, mutta on arveltu, että se voisi koostua esimerkiksi neutriinoista, pienistä mustista aukoista tai toistaiseksi tuntemattomista alkeishiukkasista.

Historiallisia käsityksiä

400-luvulla kreikkalainen filosofi Parmenides totesi, että avaruudessa ei mitenkään voi olla tyhjiötä. Länsimaat uskoivat satoja vuosia tämän olevan totta. Vielä 1600-luvulla ranskalainen filosofi René Descartes väitti, että avaruuden on pakko koostua jostain.
Muinaisessa Kiinassakin oli monenlaisia erilaisia teorioita avaruudesta, jotka muistuttavat paljon nykyisiä ymmärryksiä. 100-luvulla astronomi Zhang Heng oli vakuuttunut että avaruus on loputon ja jatkuu kauas oman aurinkokuntamme ulkopuolelle. Säilyneet kirjat Hsüan Yeh -koulusta muinaisesta Kiinasta sanoivat, että taivas on rajaton, ”tyhjä, ja vailla ainetta”. Lisäksi ”Aurinko ja Kuu, tähdet seuranaan, kelluvat tyhjässä avaruudessa, liikkuen tai paikoillaan”.
Italialainen tieteilijä Galileo Galilei tiesi, että ilmalla on massaa ja painovoima pystyy vaikuttamaan siihen. Vuonna 1640 hän osoitti, että vakaa voima vastustaa tyhjiön muodostumista. Hänen oppilaansa Evangelista Torricelli pystyi vuonna 1643 valmistamaan koneen, joka pystyi luomaan tyhjiön. Tämä kokeilu antoi alun ensimmäiselle elohopea-ilmapuntarille, joka oli vallankumouksellinen keksintö Euroopassa. Ranskalainen filosofi Blaise Pascal väitti, että jos elohopeapylväs olisi tuettu ilmalla, niin pylvään pitäisi olla lyhyempi korkealla, jossa ilmanpaine on matalampi. Vuonna 1648, hänen lankonsa Florin Périer kokeili laitetta Puy de Dôme-vuorella Keski-Ranskassa, ja totesi että elohopeapylväs oli noin kahdeksan senttiä lyhyempi. Tämä muutos ilmanpaineessa havaittiin myös, kun puoliksi täynnä oleva ilmapallo kannettiin vuorenhuipulle ja sen huomattiin laajentuvan noustessa.
Vuonna 1650 saksalainen tieteilijä Otto von Guericke rakensi ensimmäisen tyhjiöpumpun. Tämä oli laite, joka todistaisi Aristoteleen teorian horror vacuin vääräksi. Hän myös arveli, että ilmakehä ympäröi maapalloa kuin kuori, ja että ilman tiheys vähenee noustessa ylöspäin. Hän myös totesi, että maapallon ja Kuun välissä on pakko olla tyhjiö.
1400-luvulla saksalainen teologi Nicolaus Cusanus arveli, että universumilla ei ole keskustaa tai ympärysmittaa. Hän uskoi, että universumi ei ehkä ole loputon, mutta niin suuri, että sillä ei voisi olla rajaa. Nämä ideat loivat spekulointia avaruuden loputtomuudesta, jota harrasti italialainen filosofi Giordano Bruno 1500-luvulla. Hän jatkoi Kopernikuksen aurinkokeskistä kosmologiaa niin pitkälle, että uskoi loputtoman universumin koostuvan aineesta nimeltä eetteri, joka ei loisi vastusta avaruudessa liikkuville massoille. Englantilainen filosofi William Gilbert oli osittain samaa mieltä. Hän totesi että tähdet ovat näkyvissä vain siksi, että niitä ympäröi ohut eetteri tai tyhjiö. Eetteri-konsepti sai alkunsa kreikkalaisilta filosofeilta kuten Aristoteleelta. Nämä kokivat avaruuden kankaana, jossa taivaalliset esineet ovat upotettuina.
Teoria universumista täynnä valoeetteriä pysyi suosiossa joidenkin tieteilijöiden kesken vielä 1900-luvulle asti. Valoeetterin nähtiin olevan aine, jonka läpi valo pystyisi leviämään. Vuonna 1887 Michelsonin–Morleyn koe yritti havaita maan liikkeitä valoeetterin avulla etsien muutoksia valonnopeudessa riippuen maan liikesuunnasta. Tulokseton koe osoitti, että teoriassa on jotakin vikaa, joten konsepti valoeetteristä hylättiin. Konsepti korvattiin Einsteinin suhteellisuusteorialla, joka sanoo että valonnopeus tyhjiössä on muuttumaton.