Store opdagelser: Mikrobølger fra universets fødsel
Spørger man astronomer og fysikere om den vigtigste opdagelse i kosmologiens historie, vil de fleste nok fremhæve opdagelsen i 1965 af den kosmiske baggrundsstråling.

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) blev opsendt i 2001 og var specielt konstrueret til at levere oplysninger om de bittesmå, men yderst vigtige forskelle i mikrobølgernes intensitet, der viser sig i forskellige retninger af rummet. Rumsonden er opkaldt efter den amerikanske fysiker David Wilkinson (1935-2002), der i 1965 var med til at opdage de kosmiske mikrobølger. (Foto: WMAP. NASA/WMAP Science Team)

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) blev opsendt i 2001 og var specielt konstrueret til at levere oplysninger om de bittesmå, men yderst vigtige forskelle i mikrobølgernes intensitet, der viser sig i forskellige retninger af rummet. Rumsonden er opkaldt efter den amerikanske fysiker David Wilkinson (1935-2002), der i 1965 var med til at opdage de kosmiske mikrobølger. (Foto: WMAP. NASA/WMAP Science Team)
Bringes i samarbejde med 50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben

I denne bog gives der en fremstilling af 50 markante gennembrud i naturvidenskaberne, der alle har været med til at skabe det moderne ver

 

Teorien for og påvisningen af en baggrundsstråling af mikrobølger over alt i universet indvarslede et nyt og yderst frugtbart kapitel i kosmologiens udvikling, og kapitlet er på ingen måde færdigskrevet.

Stadig i 1950'erne var der stor usikkerhed om universets struktur og udvikling, idet situationen var præget af en kontrovers mellem to helt uforenelige kosmologiske teorier. Ifølge den ene teori, Big Bang-teorien, har universet en endelig alder.

For flere milliarder år siden var alting (ja, alting!) pakket sammen i en lille kompakt 'klump', der eksploderede og udvidede sig til det ekstremt store, men næsten tomme univers, vi kender i dag.

Denne teori blev især udviklet og promoveret af fysikeren George Gamow (1904-1968), mens flere astronomer i England, herunder Fred Hoyle (1915-2001), forsvarede den rivaliserende 'steady state-teori' fra 1948.

Steady state-modellen iførte en hypotese om spontan skabelse

Den alternative kosmologiske teori byggede på en antagelse om, at det uendelige univers havde udvidet sig i en uendelighed af tid, altså uden en begyndelse i form af et big bang. Universet havde i det store og hele altid set ud, som det gør nu, og ville i al evighed se sådan ud. 

Det kan kun lade sig gøre, hvis massetætheden af det ekspanderende univers er konstant, hvorfor tilhængerne af steady state-modellen var nødt til at indføre en hypotese om spontan skabelse af stof overalt i universet.

I omtrent 15 år stod de to opfattelser af universet stejlt over for hinanden. De havde begge fordele såvel som ulemper, og ingen observationer talte afgørende til fordel for den ene teori og imod den anden.

Havde der været et big bang eller ej? Svaret svævede i vinden, i det mindste i nogen tid.

Radiosignaler fra Mælkevejen lød som støj

I 1964 undersøgte de to amerikanske fysikere Arno Penzias (født 1933) og Robert Wilson (født 1936) radiosignaler fra Mælkevejen ved bølgelængden 7,4 centimeter, der ligger i mikrobølgeområdet – bølgerne i en almindelig mikrobølgeovn har en bølgelængde på 12, 2 centimeter.

Fakta

 

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

 

De påviste signalerne med et antennesystem, der oprindelig var tiltænkt satellitkommunikation, og bemærkede en svag 'støj', svarende til en uforklarlig tilførsel af stråling. Støjen var den samme i alle retninger og til enhver tid.

Hvad de end gjorde, kunne de ikke blive fri for den irriterende støj. På et tidspunkt havde de mistanke om, at den skyldtes en due, der havde bygget rede i antennen – men duen var uskyldig.

Efter en nøje undersøgelse af antennen sluttede de, at støjen slet ikke var støj, men en konstant elektromagnetisk baggrundsstråling, der på en eller anden måde syntes at komme fra hele universet.

Det ekspanderende univers ville danne elektromagntisk stråling

Derimod sluttede de ikke, at den påviste stråling var af kosmologisk betydning. De var faktisk slet ikke klar over, at to af Gamows unge medarbejdere, Ralph Alpher (1921-2007) og Robert Herman (1914-1997), så tidligt som 1948 havde forudsagt en sådan stråling ud fra den nye big bang-teori.

De to fysikere havde nemlig beregnet, at det ekspanderende univers ville danne en elektromagnetisk stråling, når det blev afkølet til omkring 300 °C.

Med universets fortsatte udvidelse ville strålingen blive stadig svagere og i dag have form af 'kolde' mikrobølger, nemlig med en intensitet eller temperatur på blot cirka 5 grader over det absolutte nulpunkt, eller omkring – 268 °C.

Forudsigelsen var allerede i 1948 blevet offentliggjort i de videnskabelige tidsskrifter, men da Penzias og Wilson lavede deres målinger 16 år senere, var den gået i glemmebogen.

Universet blev så koldt at der kunne dannes atomer

Først i foråret 1965, da fysikere ved Princeton University i USA blev opmærksomme på Penzias' og Wilsons målinger, stod det klart, at der var tale om en grundlæggende kosmologisk opdagelse.

James Peebles (født 1935) og Robert Dicke (1916-1997) indså baggrundsstrålingens sande natur: Den er et 'fossil' fra den kosmiske urtid, nemlig den stråling, der ifølge big bang-teorien blev frigjort mindre end en million år efter universets oprindelse i et big bang.

Arno Penzias (til venstre) og Robert Wilson foran den antenne, de i 1965 benyttede til at påvise den kosmiske stråling af mikrobølger. (Wilson og Penzias. Foto: Bell Labs)

Vi ved i dag, at strålingen blev til 380.000 år efter Big Bang, nemlig da universet blev så koldt (omkring 700 °C), at atomer kunne dannes.

 

Et univers født af 'ingenting'

Mens Alphers og Hermans forudsigelse fra 1948 blev ignoreret, vakte resultaterne fra 1965 stor opsigt.

Endnu før opdagelsen var publiceret i de videnskabelige tidsskrifter, var den på forsiden af New York Times under overskrifter som 'Nyt Lys på Universets Fødsel' og 'Signaler Medfører et Big Bang-Univers'.

Den anerkendte videnskabsjournalist Walter Sullivan (1918-1996) gjorde det klart, at baggrundsstrålingen i realiteten var et bevis for big bang-teorien, og han kommenterede: »Ideen om et univers født af 'ingenting' rejser både filosofiske og videnskabelige problemer.«

 

Striden mellem to verdensopfattelser blev afgjort

I de følgende år blev mikrobølgerne bekræftet gennem andre observationer, der påviste dem ved bølgelængder mellem cirka 1 centimeter og 50 centimeter. Strålingens spektrum og andre egenskaber viste sig at stemme nøje med big bang-teoriens forudsigelser.

Da der efter steady state-teorien slet ikke skulle være en sådan baggrundsstråling, var striden mellem de to verdensopfattelser i realiteten afgjort.

Vi lever ikke i et evigt steady state-univers, men i et big bang-univers af en endelig alder, der i dag er bestemt til 13,8 milliarder år.

 

Big bang-teorien blev alment accepteret

Den kosmiske baggrundsstråling var ikke det eneste fænomen, der gjorde livet surt for tilhængerne af steady state-teorien, men det var den vigtigste årsag til, at denne teori blev stedt til hvile på den store kirkegård for forkerte videnskabelige teorier.

Modsat var baggrundsstrålingen stærkt medvirkende til, at big bang-teorien nu blev alment accepteret som standardteorien for universet. 

Detaljerne i den kosmiske stråling af mikrobølger giver et billede af, hvordan universet så ud ca. 380.000 år efter Big Bang, da de første atomer blev dannet. Variationen i strålingens intensitet over himmelkuglen er angivet ved de blå og gule farveforskelle, mens det stærkt røde bånd i midten skyldes mikrobølger fra varmt støv i Mælkevejen. (Kosmisk stråling af mikrobølger. © MPA)

En anden væsentlig grund til paradigmeskiftet var, at baggrundsstrålingen muliggjorde mere præcise beregninger af universets indhold af helium og andre lette grundstoffer dannet ved Big Bang.

Allerede i 1966 kunne Peebles beregne, at 27 procent af alle grundstoffer i universet måtte være helium, hvilket var i god overensstemmelse med observationer.

 

De fik nobelprisen for opdagelsen af baggrundsstrålingen

Opdagelsen i 1964 er et typisk eksempel på det, man med en anglicisme kalder 'serendipitet', at man noget tilfældigt snubler over en opdagelse, der slet ikke var tilsigtet.

Penzias og Wilson observerede et fænomen, de ikke kunne forklare, og alligevel blev de krediteret for at have opdaget en af universets dybeste hemmeligheder.

Da de i 1978 modtog Nobelprisen i fysik, skete det »for deres opdagelse af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling … hvorefter kosmologien er blevet en videnskab, der kan bekræftes gennem eksperimenter og observationer«.

Men hvordan kunne de opdage et fænomen, hvis eksistens de slet ikke var klar over? Mens Penzias og Wilson blev hædret med en Nobelpris, blev Alpher og Herman forbigået. Deres tidlige forudsigelse fik ikke den plads i videnskabshistorien, den fortjener.

 

COBE-satellitten kunne måle strålingens detaljer

Videre studier af baggrundsstrålingen bekræftede, at den var ganske ensartet, nemlig uafhængig af den retning, den blev målt i. Denne retningsuafhængighed eller 'isotropi' stemte med de teoretiske forventninger om et symmetrisk big bang, men den udgjorde også et problem.

For hvis det tidlige univers havde været helt ensartet og isotropt, hvordan kunne man da forklare det i en stoflig henseende meget uensartede nuværende univers? Det meste af universet er jo tomrum, der er adskilt af strukturer som galakser og galaksehobe.

Hvordan er disse vældige strukturer opstået?

De kosmiske mikrobølger studeres ikke blot fra satellitter, men også fra observatorier på Sydpolen, hvorfra man har bekræftet teorien om det meget tidlige univers. (Teleskop på Sydpolen. Foto: Daniel Luong-Van/NSF)

Dette problem førte til en renæssance i studiet af den kosmiske baggrundsstråling, der i 1989 kulminerede med opsendelsen af satellitten COBE (Cosmic Background Explorer), der var fyldt med avancerede instrumenter til at måle strålingens detaljer.

 

De nyeste data var uhørt præcise

Analysen af data fra COBE-satellitten viste i starten af 1990'erne, at selv om tætheden i det tidlige univers var meget ensartet, var der ganske små forskelle svarende til variationer i strålingens temperatur i forskellige retninger.

COBE-eksperimenterne, der i 2006 også blev belønnet med en Nobelpris, gav en værdi for baggrundsstrålingens temperatur på 2,73 grader over det absolutte nulpunkt Sammen med andre observationer førte COBE til en værdi for universets alder på 13,4 milliarder år.

De mest præcise studier af de kosmiske mikrobølger er blevet udført med den europæiske Planck-satellit, der blev opsendt i 2009, og de nyeste data herfra har resulteret i en næsten uhørt præcis værdi for den tid, der er gået siden Big Bang.

Ifølge disse data er universets alder 13,798 ± 0,037 milliarder år. Baggrundsstrålingens temperatur er bestemt til 2,72548 grader, men med universets fortsatte udvidelse vil strålingens temperatur i fremtiden blive endnu mindre.

 

Baggrundsstrålingen er rig på information om universet

Rækken af satelliteksperimenter har ikke blot givet en forklaring på, hvordan vore galakser er blevet til, de har også afsløret spændende detaljer om det meget tidlige univers umiddelbart efter Big Bang.

Baggrundsstrålingen har vist sig at være et forbavsende rigt skatkammer af information om universet og dets tidlige udvikling. Og vi har endnu ikke fundet alle dets skatte.

En af de juveler, skatkammeret måske gemmer på, er indikationer af en endnu tidligere stråling i form af de tyngde- eller gravitationsbølger, der forudsiges af Einsteins relativitetsteori.

 

Bølgerne havde konsekvenser for forståelsen af universet

Hvis sådanne tegn på gravitationsbølger fra Big Bang findes, vil de formentlig gøre os i stand til at skelne mellem forskellige teorier om det ekstremt tidlige univers.

De vil måske endda kunne fortælle os, om universet virkelig startede i et big bang, eller om der var et endnu tidligere univers, som gav anledning til Big Bang, sådan som det følger af nogle teorier.

Da Alpher og Herman forudsagde strålingen af mikrobølger i 1948, eller da Penzias og Wilson påviste den i 1965, kunne de ikke forestille sig de konsekvenser, bølgerne har fået for vores forståelse af universet.

Moderne fysisk kosmologi uden den kosmiske baggrundsstråling vil i dag blive betragtet som nærmest en selvmodsigelse.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.