Big bang teorien

I dag er de fleste forskere enige om, at vores univers blev dannet i et varmt big bang, som fandt sted for omkring 13,8 milliarder år siden. Universet var dengang ufattelig tætpakket, og det havde en enorm tæthed af stof og energi, så temperaturen var også ufattelig høj.

Det tidlige univers udvidede sig med en enorm hastighed. På milliontedele af et sekund efter big bang kom der større afstand mellem stoffet i universet, og temperaturen begyndte at falde. I starten var universet en slags tæt tåge af voldsom energi og varm plasma, som er en gas, der er så varm, at der ikke findes atomer, men kun frie protoner og elektroner.

Animationen viser, hvordan man kan forestille sig at big bang foregik. (Animation: NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab).

 

Det tidlige univers

Omkring 380.000 år efter big bang var universet kølet ned til cirka 3.000 Kelvin eller 2.727 oC. Elektronerne koblede sig sammen med protonerne og dannede de første atomer. Der blev dannet brintatomer og heliumatomer. Da der ikke længere var frie elektroner, kunne lyset rejse frit. Det er den stråling, vi i dag kan opfange som den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling. Men da universet udvidede sig, blev det også kølet af, og strålingen mistede energi. Så i dag er temperaturen af den oprindelige stråling kun omkring -270 ºC. Det er meget tæt på det absolutte nulpunkt på -273,15 ºC, som er det koldeste, man ved det kan blive.

STJERNETÅGEN MÅGEN. (Foto: NASA/JPL-Caltech/UCLA).

Hvad kan vi bruges viden om rummet til?

Hør den danske astronaut, Andreas Mogensen, fortælle om, hvordan viden om rummet kan gøre os klogere på, hvor vi selv kommer fra – og meget mere. 

De første molekyler i universet

Videnskabsfolk ombord på NASAs flyvende observatorium SOFIA har opdaget nogle af de første molekyler, der opstod i universet. I en stjernetåge tæt på stjernesystemet Cygnus har de fundet en kombination af helium og hydrogen, som hedder helium hydrid. Opdagelsen bekræfter nogle af vores helt basale forestillinger om det tidlige univers, og hvordan det har udviklet sig til det univers, vi kender i dag, med en enorm mangfoldighed af kemiske stoffer. SOFIA står for det Stratosfæriske Observatorium For Infrarød Astronomi. Det er et samarbejde mellem NASA og det tyske rumfartscenter DLR. (Video: NASA/Ames Research Center).

Vores billede af universets udvikling ser i store træk ud som i illustrationen. (Illustration: DTU Space).

Fra big bang til i dag

I dag mener man, at der skete en voldsom udvidelse af universet umiddelbart efter big bang. Universet gennemgik noget, man kalder en meget kortvarig inflationsfase. I løbet af denne inflationsfase udvidede universet sig ekstremt hurtigt. Bagefter fortsatte udvidelsen og afkølingen meget langsommere.

Tid og rum

Det, vi kender som rum og tid, blev også skabt under big bang. De rumlige dimensioner er længde (frem og tilbage), bredde (til højre og til venstre) og højde (op og ned). Dimensionen ”tid” blev også dannet under big bang. Vi kan bevæge os i rummets dimensioner, men så vidt vi ved, kan vi ikke bevæge os i tiden. Vi kan kun bevæge os fremad i samme takt som tiden selv.

Universets første tid og de fire naturkræfter

Universet blev dannet i big bang for omkring 13,8 mia. år siden. Og alt det, der findes i universet i dag, var dengang så kompakt, at det stort set ingenting fyldte. Det allerførste øjeblik ved vi intet om. Dengang var forholdene så ekstreme, at vi ikke har en fysisk teori, der kan forklare det. Men allerede 10-35 sekund efter big bang mener man, at Universet havde udvidet sig ekstremt meget. 

I starten bestod universet af plasma, som er en gas, der er så varm, at der ikke findes atomer, men kun frie kvarker, elektroner og elementarpartikler. Dengang havde universet en temperatur på 1032 oC. Kort efter opstod de fire naturkræfter: Tyngdekraften, den elektromagnetiske, samt den stærke og den svage kernekraft.

Atomerne dannes og lyset slipper ud

Universet fortsatte med at udvide sig. Det betød, at temperaturen faldt. Omkring 380.000 år efter big bang, var temperaturen faldet til omkring 3.000 Kelvin eller 2.727 oC. Nu kunne kvarkerne begynde at gå sammen i byggesten til atomer - nemlig protoner og neutroner. De første atomer blev dannet. Det var hydrogen og helium. I universets første levetid var det så varmt og tæt, at ikke engang lyset kunne slippe ud. Men da universet var 380.000 slap det første lys ud. Dette lys kalder vi i dag for den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling (KMB). Dette lys bærer information om både fortiden og fremtiden for universet.

 

Stjerner, galakser og supernovaer opstår

Omkring 200 mio. år efter big bang blev de første stjerner dannet. Det tidlige univers bestod næsten kun af hydrogen og helium. Og vores egen stjerne, Solen, består faktisk også især af disse tro grundstoffer. Stjerner dannes af kæmpe skyer af støv og gas, som kollapser. Senest 1 mia. år efter big bang begyndte der at blive dannet galakser, som er enorme ansamlinger af stjerner. Stjerner løber med tiden tør for deres brændstof, og de brænder ud. Nogle døende stjerner bliver til det, vi kalder supernovaer. De opstår, når en døende stjerne kollapser og udsender enorme mængder energi. I en supernova bliver energien så kraftig, at der kan dannes tunge grundstsofer som uran og guld. De første supernovaer opstod omkring 3,3 mia. år efter big bang.

Solen dannes omkring 9,2 mia. år efter big bang

Omkring 9,2 milliarder efter big bang – eller for 4,6 milliarder år siden – blev vores stjerne, Solen, dannet. Det skete ved, at en sky af gas og støv i vores galakse, Mælkevejen, faldt sammen på grund af sin egen tyngdekraft. I løbet af de næste cirka 100 millioner år blev Jorden og de andre planeter i Solsystemet dannet af resterne fra Solens fødsel.


 

To opdagelser satte gang i big bang teorien

Teorien om big bang tog sin begyndelse i 1920-erne, hvor astronomerne fandt ud af, at universet ikke altid har været, som det ser ud i dag. For det første opdagede de, at universet hele tiden – også lige nu – udvider sig og bliver strakt i alle retninger. Det betyder, at alt det stof og al den energi, det indeholder, engang har været pakket meget tættere sammen. Dermed har det også engang været meget varmere.

For det andet fandt man ud af, at de fleste grundstoffer i universet er dannet – og dannes – i stjernerne. Det gælder blandt andet ilt, kulstof og jern. Men de fandt også ud af, at de to letteste og mest almindelige grundstoffer, brint og helium, blev fremstillet i universets tidligste barndom, mens det stadig var meget varmt.

 

BIG BANG TEORIENS FÆDRE. Arno Penzias og Robert Wilson, der regnes som fædrene til big bang teorien om universets oprindelse.
Foto: NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab.

Big bang teorien får sit gennembrud

Big bang teorien fik først fodfæste, da de to forskere, Arno Penzias og Robert Wilson, gjorde en tredje opdagelse. Det skete i 1964, og det var nærmest ved et tilfælde. De opdagede, at der kommer en meget svag og jævn stråling fra hele himlen. Det er en glød, der fylder hele universet med samme lysstyrke. Og denne stråling kunne bedst fortolkes som den svage efterglød af selveste big bang.

Argumentet var dette: Hvis universet siden big bang har udvidet sig, må der i begyndelsen have været en periode, hvor alt stof og al stråling var meget tæt forbundet i en varm ursuppe. Som tiden gik, udvidede universet sig og kølede derfor af. Og på et tidspunkt nåede det en temperatur, der var lav nok til, at strålingen kunne slippe ud af sit ”fangenskab” i stoffet. Strålingen – eller med andre ord lyset – kunne så for første gang frit bevæge sig afsted gennem rummet. Dette ”første lys” er stadig synligt i dag, og det var faktisk den glød, der blev opdaget i 1964.

Forskerne kalder det første lys, for den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling (KMB). Og denne stråling var det tredje væsentlige spor, der støttede big bang teorien.

Vigtige klumper af information

Kosmologerne ved, at den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling indeholder en masse information om det tidlige univers og big bang. Og det har vist sig, at mikrobølgestrålingen er ikke helt jævnt fordelt. Den klumper sig sammen, og det giver nogle bitte små forskelle i universets temperaturer (som i rummet er ca. minus 270 C). Disse forskelle kan være så bitte små som en milliontedel af en grad.

Selvom forskellene er uhyre små, så rummer de information om, hvordan universets masse var fordelt, da strålingen blev udsendt lige efter big bang. Og på det tidspunkt indeholdt stoffet faktisk allerede spirerne, til de enorme galakser og galaksehobe vi har i universet i dag.

 

PLANCK. Satellitten Planck har målt bitte små forskelle på temperaturen og mikrobølgestrålingen i universet med noget utroligt nøjagtigt udstyr. De forskelle kan fortælle os noget om, hvad der skete i det meget tidlige univers lige efter big bang. (Illustration: ESA and the Planck Collaboration).

De fire naturkræfter

Lige efter big bang opstod de fire naturkræfter: Tyngdekraften, den elektromagnetiske kraft samt den stærke og den svage kernekraft. Disse fire fundamentale kræfter bestemmer, hvordan alt stof omkring os er bundet sammen og vekselvirker. (Illustrationer nedenfor: NASA/Multiwavelength Astronomy/The University of Chicago).

Tyngdekraften

Tyngdekraften virker mellem alt stof i universet. Alt der har en masse, tiltrækker hinanden. Tyngdekraften spiller en stor rolle i vores liv. Jorden kunne ikke kredse om Solen uden tyngdekraften. Og det er også tyngdekraften, der gør at vi kan gå, løbe og hoppe på Jordens overflade uden at fortsætte ud i rummet.

Tyngdekraften skaber forudsætningen for, at der kan ske fusion i stjerner, fordi den presser gassen i en stjerne sammen, så den bliver meget tæt og varm.

Hvis vi ikke havde tyngdekraften, ville universet bestå af universets første atomer, hydrogen, helium og lithium. Og disse atomer ville næsten være næsten helt jævnt fordelt over det hele. Men takket være tyngdekraften er gasserne i det tidlige univers klumpet sammen, til alle de store og små strukturer vi har i universet i dag. Så uden tyngdekraften ville der ikke blive dannet galakser, stjerner og planeter.

Selvom tyngdekraften er så vigtig, så er det faktisk den svageste af de fire naturkræfter.

 

Den stærke kernekraft

Den stærke og den svage kernekraft bestemmer, hvordan stof er bundet sammen på atom-niveau. Den stærke kernekraft bestemmer bindingen mellem protoner og neutroner i atomkerner samt mellem kvarker, som er byggestenene i protonerne og neutronerne. Positivt ladede partikler frastøder normalt hinanden. Det kræver en enorm kraft at holde dem sammen. Den stærke kernekraft kan overvinde frastødningen mellem protoner og holde dem sammen i atomkerner. Det gør, at der kan dannes atomkerner med mere end én proton.

Når den stærke kernekraft bliver brudt mellem protoner og neutroner, bliver der udløst enorme mængder energi i form af gammastråling og neutrinoer.

Neutrinoer er elementarpartikler uden elektrisk ladning og med meget lille masse. De kan næsten ubemærket passere gennem alle materialer.

Den svage kernekraft

Den stærke og den svage kernekraft beskriver, hvordan stof er bundet sammen på atom-niveau. Den svage kernekraft bestemmer bindingen mellem elektriske elementarladninger som for eksempel protoner og elektroner.

Når to protoner støder sammen ved fusioner, opstår der en forstyrrelse i den svage kernekraft, og der udsendes en positron og en neutrino. Positronen kaldes også en anti-elektron, og neutrinoen er en neutral elementarpartikel. Når disse udsendes, bliver en af de positivt ladede protoner omdannet til en neutralt ladet neutron, hvorved der udsendes stråling. Uden den svage kernekraft, som omdanner protoner til neutroner, ville der ikke være nogen stjerner, og Solen kunne ikke skinne.

 

 

Den elektromagnetiske kraft

Den elektromagnetiske kraft virker mellem alle partikler, der er elektrisk ladede. Elektriske ladninger, med modsat fortegn, tiltrækkes af hinanden. Elektriske ladninger, med samme fortegn, frastødes af hinanden.

Den elektromagnetiske kraft fastholder negativt ladede elektroner omkring positivt ladede kerner. Og på den måde dannes atomer og molekyler. Når en gas køler ned, vil elektroner søge ind i atomkerner. Større kerner med en større positiv ladning trækker flere elektroner ind – indtil atomer og molekyler er i balance i forhold til deres ladning.

Når en negativt ladet elektron vekselvirker med en positiv proton, så bremses og afbøjes elektronen en smule og derved udsendes en foton – altså lys. Det kaldes også bremsestråling eller fri-fri-stråling.

Den elektromagnetiske kraft, gør også, at nogle materialer er magnetiske.