I begyndelsen ekspanderede universet meget, meget hurtigt.
(Billede: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og chefforsker ved COSI videnskabscenter. Sutter er også vært for Ask a Spaceman og Space Radio og førerAstroTours rundt om i verden. Sutter bidrog med denne artikel til Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
For 13,8 milliarder år siden var hele vores observerbare univers på størrelse med en fersken og havde en temperatur på over en billion grader.
Det er en temmelig enkel, men meget dristig udsagn at komme med, og det er ikke en erklæring, der er fremsat let eller let. Ja, selv for hundrede år siden ville det have lydet ligefrem uposterøst, men her er vi og siger det som om det ikke er nogen big deal. Men som med alt i videnskaben, er enkle udsagn som dette bygget fra bjerge med flere uafhængige bevislinjer, som alle peger mod den samme konklusion - i dette tilfælde Big Bang, vores model for historien om vores univers. [Universet: Big Bang to Now i 10 nemme trin]
Men som de siger, tag ikke mit ord for det. Her er fem beviser for Big Bang:
# 1: Nattehimlen er mørk
Forestil dig et øjeblik, at vi levede i et perfekt uendeligt univers, både i tid og rum. De glitrende samlinger af stjerner fortsætter for evigt i alle retninger, og universet har simpelthen altid været og altid vil være. Det ville betyde, uanset hvor du kiggede på himlen - bare vælg en tilfældig retning og stirre - du ville helt sikkert finde en stjerne derude, et eller andet sted, på en afstand. Det er det uundgåelige resultat af et uendeligt univers.
Og hvis det samme univers har eksisteret for evigt, er der været masser af tid til lys fra den stjerne, der kravler gennem kosmos med en relativt svag hastighed på c, for at nå dine øjenkugler. Selv tilstedeværelsen af intervenerende støv ville ikke mindske det akkumulerede lys fra en uendelighed af stjerner spredt ud over et uendeligt stort kosmos.
Ergo, himlen skal brændes med det kombinerede lys fra en mangfoldighed af stjerner. I stedet er det mest mørke. Tomhed. Ugyldig. Blackness. Du ved, plads.
Den tyske fysiker Heinrich Olbers har måske ikke været den første person til at bemærke dette tilsyneladende paradoks, men hans navn holdt sig til ideen: Det er kendt som Olbers 'paradoks. Den enkle opløsning? Enten er universet ikke uendelig i størrelse, eller det er ikke uendeligt i tide. Eller måske er det hverken.
# 2: Kvasarer findes
Så snart forskere udviklede følsomme radioteleskoper i 1950'erne og 60'erne, bemærkede de underligt høje radiokilder på himlen. Gennem markant astronomisk sleuthing bestemte videnskabsmændene, at disse kvasi-stjernede radiokilder, eller "kvasarer", var meget fjerne, men usædvanligt lyse, aktive galakser.
Det, der er mest vigtigt for denne diskussion, er den "meget fjerne" del af denne konklusion.
Fordi lys tager tid at rejse fra et sted til et andet, ser vi ikke stjerner og galakser, som de er nu, men som de var for tusinder, millioner eller milliarder af år siden. Det betyder, at man ser dybere ind i universet, også ser dybere ind i fortiden. Vi ser en masse kvasarer i det fjerne kosmos, hvilket betyder, at disse objekter var meget almindelige for milliarder af år siden. Men der er næppe nogen kvasarer i vores lokale, ajourførte kvarter. Og de er almindelige nok i det fjerne (dvs. unge) univers, at vi skal se meget mere i vores nærhed.
Den enkle konklusion: Universet var anderledes i sin fortid, end det er i dag.
# 3: Det bliver større
Vi lever i et ekspanderende univers. I gennemsnit kommer galakser længere væk fra alle andre galakser. Visst, nogle små lokale kollisioner sker fra efterladte gravitationsinteraktioner, som hvordan Mælkevejen kommer til at kollidere med Andromeda om et par milliarder år. Men i store skalaer gælder dette enkle, ekspansive forhold. Dette opdagede astronom Edwin Hubble i begyndelsen af det 20. århundrede, kort efter at have fundet, at "galakser" faktisk var en ting. [Milky Way Galaxy's Head-On Crash med Andromeda: Kunstnerbilleder]
I et ekspanderende univers er reglerne enkle. Hver galakse går ned fra (næsten) hver anden galakse. Lys fra fjerne galakser bliver rødskiftet - bølgelængderne af lys, de frigiver, vil blive længere og dermed rødere ud fra andre galakseres perspektiv. Du kan blive fristet til at tro, at dette skyldes bevægelsen af individuelle galakser, der kører rundt i universet, men matematikken tilføjer ikke noget.
Mængden af rødskift for en bestemt galakse er relateret til hvor langt væk den er. Tættere galakser får en vis mængde rødskift. En galakse dobbelt så langt væk får dobbelt så rød skift. Fire gange afstanden? Det er rigtigt, fire gange rødskiftet. For at forklare dette med bare galakser, der glider rundt, skal der være en virkelig underlig sammensværgelse, hvor alle de galaktiske borgere i universet er enige om at bevæge sig i dette meget specifikke mønster.
I stedet er der en langt enklere forklaring: Galaksernes bevægelse skyldes, at rummet strækker sig mellem disse galakser.
Vi lever i et dynamisk, udviklende univers. Det var mindre i fortiden og vil være større i fremtiden.
# 4: Relikstrålingen
Lad os spille et spil. Antag, at universet var mindre i fortiden. Det betyder, at det ville have været både tættere og varmere, ikke? Rigtigt - alt indholdet af kosmos ville have været samlet i et mindre rum, og højere densiteter betyder højere temperaturer.
På et tidspunkt, når universet var, for eksempel, en million gange mindre end det er nu, ville alt være blevet så smadret sammen, at det ville være et plasma. I den tilstand ville elektroner være ubundet fra deres nukleare værter og frit at svømme, alt det stof badede i intens stråling med høj energi.
Men efterhånden som spædbarnsuniverset ekspanderede, ville det være afkølet til et punkt, hvor pludselig elektroner kunne slå sig godt sammen omkring kerner, hvilket gjorde de første komplette atomer af brint og helium. I det øjeblik ville den skøre-intense stråling strejfe uhindret gennem det nyligt tynde og gennemsigtige univers. Og efterhånden som universet ekspanderede, ville lys, der begyndte bogstaveligt talt hvidvarm, være kølet, afkølet, afkølet til bare få grader over absolut nul og sætte bølgelængderne ordentligt inden for mikrobølgeområdet.
Og når vi peger vores mikrobølgeteleskoper mod himlen, hvad ser vi så? Et bad med baggrundsstråling, der omgiver os på alle sider og næsten perfekt ensartet (til en del i 100.000!) I alle retninger. Et babybillede af universet. Et postkort fra en lang død æra. Lys fra en tid næsten lige så gammel som selve universet.
# 5: Det er grundlæggende
Skub uret endnu længere tilbage end dannelsen af den kosmiske mikrobølgebakgrund, og på et tidspunkt er tingene så intense, så skøre, at der ikke engang findes protoner og neutroner. Det er bare en suppe af deres grundlæggende dele, kvarkerne og gluonerne. Men igen, da universet ekspanderede og afkøles fra de frenetiske første minutter af dets eksistens, brød de leteste kerner, som brint og helium, sammen og dannede sig.
Vi har et temmelig anstændigt greb om nukleær fysik i dag, og vi kan bruge denne viden til at forudsige den relative mængde af de letteste elementer i vores univers. Forudsigelsen: Den sammenkoblende suppe burde have gådt groft tre fjerdedele brint, en fjerdedel helium og en smadring af "anden."
Udfordringen går derefter til astronomerne, og hvad finder de? Et univers sammensat af nogenlunde tre fjerdedele brint, en fjerdedel helium og en mindre procentdel af "andet." Bingo.
Der er selvfølgelig også flere bevis. Men dette er bare udgangspunktet for vores moderne Big Bang-billede af kosmos. Flere uafhængige bevislinjer peger alle på den samme konklusion: Vores univers er omkring 13,8 milliarder år gammelt, og på et tidspunkt var det på størrelse med en fersken og havde en temperatur på over en billion grader.
Lær mere ved at lytte til episoden "Hvad sker der, når galakser kolliderer?" på Ask A Spaceman-podcast, tilgængelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Tak til Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla og Patrick D. for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg os @ Spacedotcom, Facebook og Google+. Original artikel på Space.com.
