Big Bang – en øjenvidneberetning

Engang for knap 14 milliarder år siden skete der noget fantastisk:

Universet opstod, med alt hvad det indeholder af stof, stråling, eksotiske partikler og måske endda mere abstrakte begreber som tid og fysiske love.

Ved at studere hvordan universet har udviklet sig gennem tiden, kan man ‘regne baglæns’ og danne sig et billede af forholdene en milliard år efter, tusind år efter, en dag, et sekund, eller et nanosekund efter Big Bang.

Jo længere tilbage i tiden, desto mere ekstreme var forholdene, og desto hurtigere udviklede universet sig.

Én ting er, hvordan ligninger beskriver temperaturen eller skabelsen af nye partikler. Men hvordan ville det være, hvis man rent faktisk var til stede?

Hvad ville man opleve?

Sightseeing med Alice

Én ting er sikkert:

For at det skal være bare lidt sjovt for vores observatør – lad os kalde hende Alice, da jeg netop nu sidder og lytter til ‘Alice’ af Tom Waits, og da det i øvrigt er et populært navn for ofre for tankeeksperimenter – er vi nødt til at udstyre hende med en Magisk Rumdragt^TM, der kan modstå ekstrem varme, tryk, tæthed, stråling, og stræk. Og et par solbriller, for indtil universet er en million år gammelt, er det blændende lyst.

Så lad os gøre dét. Men først skal vi lige have et par ting på plads.

\ Læs mere

Big Bang endevendes af dansk forsker

Hvordan ved vi, hvad der skete?

Fordi lys ikke bevæger sig uendeligt hurtigt, ser vi alt, som det tog sig ud i fortiden.

Når du tjekker din telefon, ser du et nanosekund tilbage i tiden, fordi det er så lang tid, som lyset bruger på at rejse 30 centimeter. Når du ser på Månen, kigger du godt et sekund tilbage i tiden, fordi Månen ligger 400.000 kilometer væk.

Og når du betragter en galakse, som ligger en milliard lysår væk, kigger du en milliard år tilbage i tiden.

På den måde kan vi se, hvordan universet har udviklet sig, (næsten) siden det blev skabt. Næsten, fordi de første 380.000 år efter Big Bang var ret ‘tågede’, så lys ikke rigtig kunne bevæge sig gennem rummet.

Men vi kan alligevel regne ud, hvordan der var. Vi kan nemlig måle universets gennemsnitstæthed, temperatur og andre fysiske størrelser. Ved at måle galaksernes hastigheder, kan vi se, at universet udvider sig. Hvis vi regner ‘baglæns’, kan vi beregne de fysiske forhold i tidligere epoker.

Helt tilbage til mindre end et sekund har vi faktisk ret godt styr på, hvad der skete.

Det har vi, fordi vi ikke bare kan regne, men også lave eksperimenter i kæmpe partikelacceleratorer som for eksempel CERN, genskabe de forhold der var dengang, og på den måde tjekke at vi ikke er helt galt på den.

Men den allerførste brøkdel af en brøkdel af et sekund – den såkaldte ‘Planck-epoke’ –ved vi faktisk intet om; her var forholdene simpelthen så ekstreme, at de fysiske lovmæssigheder bryder sammen. Måske giver det ikke engang mening at tale om tid og rum endnu.

Problemer med at se den interaktive grafik herover? Prøv at rotér din mobiltelefon eller klik her for at få vist grafikken i et nyt browservindue.

Hvor stort er universet?

Uendeligt. Måske…

Vi ved ikke, hvor stort universet er. Vi kan kun se den del af det, hvorfra lyset har haft tid til at nå os. Dét kalder vi ‘det observerbare univers’, og fordi universet er 13,8 milliarder år gammelt, skulle man måske tro, at vi kan kigge 13,8 milliarder lysår i alle retninger.

Men fordi det udvider sig, er det noget større, faktisk godt 46 milliarder lysår i radius. Vi regner med – men er ikke sikre på – at universet udenfor vores lille boble fortsætter i det uendelige.

Hvis det er sandt, så blev det ‘født’ uendeligt stort. Selvom det faktisk giver fysisk mening at tale om, at noget uendeligt kan vokse eller krympe, er det svært at visualisere, så normalt taler vi i stedet om, hvor stort det observerbare univers er.

Men det er vigtigt at vide, at uanset universets størrelse var Big Bang ikke en ‘eksplosion’ i den forstand, at en tæt klump stof begyndte at sprede sig ud gennem rummet. Det var skabelsen af selve rummet (og måske tiden), og den efterfølgende udvidelse af dette rum – ikke i et større rum, men ‘i sig selv’.

Og lad os så komme i gang.

\ Læs mere

Se genskabelsen af The Big Bang

Inflation i mørket

Som sagt ved vi ikke noget om det allerførste splitsekund. Vi ved dog, at alt var ekstremt tæt, for dét, der senere skal blive til vores observerbare univers, er på nuværende tidspunkt mindre end en atomkerne.

Først dannes tyngdekraften og derefter den ‘stærke’ kernekraft. Nogle eksotiske partikler kondenserer ud af denne ekstreme energitæthed, blandt andet Higgs-bosonen, som er ansvarlig for, at der overhovedet findes et begreb, der hedder vægt, og at vi hver især ‘vejer noget’.

Men i starten værdsætter Alice slet intet af dette inferno. Lyset er endnu ikke skabt, så for hende er alt bare mørkt.

Lige pludselig begynder selve rummet at udvide sig eksponentielt hurtigt.

Denne epoke kaldes inflationen, og når den er overstået, er det, som senere skal blive det observerbare univers, på et splitsekund vokset fra at være mindre end en atomkerne til at være 20 meter i diameter. Blot på størrelse med et hus, men relativt set er universet på denne brøkdel af et sekund vokset lige så meget, som det har gjort siden dengang og nu.

Hvad der end ligger i rummet må følge med. Undtaget Alices magiske rumdragt, naturligvis, og det er et held, for uden den ville hendes hoved og hendes fødder (som på dette tidspunkt var meget større end det observerbare univers) på et splitsekund blive revet 20 milliarder lysår fra hinanden.

Efter inflationen fortsætter alt med at udvide sig. I takt med udvidelsen falder temperaturen. Det er, ligesom når gassen fra en (utændt) lighter føles kold: Gassen er presset sammen inde i lighteren, men når den kommer ud, udvider den sig og køler.

…og der blev lys

Under inflationen underafkøles universet for en kort stund fra en billion billiard grader til næsten det absolutte nulpunkt (–273 ºC).

Men da inflationen er overstået, netop som Alice når at tænke ‘Det var måske alligevel lige koldt nok…’, genopvarmes universet til 10 trilliarder grader.

Til gengæld udskiller der sig nye typer af partikler, heriblandt fotoner, det vil sige lys.

Hvilken farve havde Big Bang?

Fordi temperaturen er så afsindig høj, er alle partiklerne meget energirige, og langt de fleste fotoner er derfor gammastråler. Men en lille andel af lysspektret strækker sig ind over røntgenstråler, ultraviolet lys, og — hvad der er mere interessant for Alice — synligt lys.

Hvilken farve er så den første, Alice ser? Hvilken farve havde Big Bang?

Begrebet ‘farve’ er i virkeligheden et psykologisk begreb. Den farve, som hjernen opfatter, afhænger af fordelingen af lys i de tre bølgelængdeområder som nethindens ‘tappe’ sanser, nemlig rød, grøn og blå.

Hvis noget lyser, fordi det er varmt, kan man regne dets spektrum ud og derefter beregne dets farve i rød, grøn og blå. Alice selv er ikke så varm, så hun lyser mest med det energisvage infrarøde lys, og den lillebitte andel, der ligger i rød, grøn og blå, er et normalt øje ikke sensitivt nok til at opfatte.

Et stykke glødende jern udsender mest lys i det røde område. Hvis det bliver rigtig varmt, lyser det cirka lige meget i både rød, grøn og blå, og det opfatter hjernen som ‘hvidt lys’.

Hvis temperaturen bliver høj nok, går farven over i det blålige, og når temperaturen går mod uendelig, går farven mod en safirblå nuance.

Det, Alice ser omkring sig, er altså denne varme kvark-gluon-plasma-suppe:

Alices rumdragt er selvfølgelig udstyret med en elektronisk farvemåler, og hun måler universets farvemætning til at være 63 procent, 71 procent og 100 procent i henholdsvis rød, grøn og blå.

Eller, det vil sige, det ville hun have gjort hvis måleren virkede, men universet er stadig kun 1/100 milliardtedel af en trilliardtedel sekund gammel, og elektricitet findes ikke endnu.

Alice er nødt til at vente et helt picosekund, altså 0,000000000001 sekund, før den elektromagnetiske kraft dannes. (Det lyder ikke af meget, men er dog 100 trillioner gange så længe, som hun hidtil har ventet).

Alice tager på

Samtidig med elektromagnetismen dannes den ‘svage’ kernekraft, så sammen med tyngdekraften og den ’stærke’ kernekraft er alle Universets fire kræfter nu på plads. De eksisterede på en måde også før, men var bare samlet i en slags forenede kræfter.

Med disse nye kræfter kan partikler vekselvirke med Higgs-bosonen og får derfor masse. Alice begynder dermed at veje noget, men da forskruede modeidealer først skabes om 13,8 milliarder år, tager hun det ret afslappet.

Klumper i suppen

Alices omgivelser er jævnt kedelige; alting er fuldstændigt jævnt fordelt, så lige meget hvor hun kigger hen, ser hun det samme.

Og dog… Bittesmå ujævnheder bliver skabt af det kvantemekaniske ‘ubestemmelighedsprincip’ som siger, at der er en fundamental nedre grænse for, hvor præcist det giver mening at tale om, hvor noget befinder sig.

Kvantemekanik beskriver processer på ganske små skalaer, fra atomer og nedefter. Men på grund af den ekstreme udvidelse pumpes de små ujævnheder op til makroskopiske (det vil sige betydelige) størrelser.

Og hvilket held! Havde alting virkelig været fuldstændig jævnt fordelt, ville det forblive sådan. Men nok så små klumper vejer en lille smule mere end deres omgivelser og kan derfor trække lidt mere stof til sig og på den måde vokse sig større og til sidst danne den struktur i universet, som bliver til galakser, stjerner, planeter og i sidste ende os.

Mørkt stof redder dagen

Men kan stoffet nå at klumpe nok sammen, før udvidelsen trækker det for langt fra hinanden til, at det er for sent? (Spoiler alert: Ja, for ellers sad du ikke og læste dette).

Hvis der kun var det stof, som Alice kan se, så kunne det faktisk ikke. Men heldigvis findes der også for hvert gram stof cirka fem gram af noget usynligt stof — såkaldt mørkt stof — som med sin tyngdekraft hjælper med at få stoffet til at klumpe sammen.

Universet er nu kølet ned til 10 billiarder grader og er på størrelse med Jordens bane rundt om Solen. Den klump, som en dag bliver til Mælkevejen, er 100 kilometer i radius, svarende til afstanden fra København til Kalundborg.

Universet bremser op

Universet fortsætter med at udvide sig, på grund af den fart det fik af inflationen, men bremses langsomt op.

Efter et nanosekund er udvidelsen dog stadig så hurtig, at alt der ligger længere væk fra Alice, end en meter fjerner sig fra hende hurtigere end lysets hastighed. Et mikrosekund senere er der koldt nok til, at kvarkerne har dannet neutroner og protoner.

Universet er nu på størrelse med Solsystemet, men tætheden af stof og stråling er stadig 1.000 gange højere end en neutronstjerne, det mest kompakte, der findes nu til dags.

Partiklernes onde tvillinger

Ikke bare partikler, men også såkaldte antipartikler bliver nu skabt.

Antipartikler er som partiklernes onde tvillinger, og hvis en partikel møder sin antipartikel, ophører de begge med at eksistere, og nye partikler skabes. Nogle af disse nye partikler er fotoner, altså lys.

Af en eller anden grund, som vi endnu ikke forstår, var der, for hver 10 milliarder antipartikler, 10 milliarder og én partikel, rundt regnet.

Ét sekund gammelt er universet vokset til 10 lysår i radius, og alle antiprotonerne annihilerer med protonerne (tilintetgør hinanden), antineutronerne med neutronerne, osv.

Varmt og lyst, med risiko for tåge

Efter 10 sekunder kommer turen til elektroner og antielektroner. Universet er nu kølet ned til et par milliarder grader, men da 99.99999999 procent af alle partikler laves om til rent lys, blusser universet pludselig op i et blændende lys.

I starten af dette partikel-æder-partikel-inferno er tætheden så høj, at Alice bogstaveligt talt ikke kan se en hånd for sig; lys spredes konstant på elektronerne.

Men da pludselig størstedelen af elektronerne forsvinder ud i det (safir)blå, stiger sigtbarheden til… 20 meter. Ikke imponerende, men det gør nu ikke så meget, for bag det tågede slør er der sådan set bare mere af det samme.

En ny epoke begynder

Efter et par minutter er temperaturen faldet til under en milliard grader, og en vigtig epoke i universets historie sætter ind — nukleosyntesen.

Nu er her koldt nok til, at protoner — som er det samme som grundstoffet brint — kan smelte sammen og danne tungere grundstoffer.

Glæden er dog kort: Udvidelsen får stadig tætheden til at falde; ét kvarter gammelt er universets tæthed ligesom vand (men på grund af det ekstreme strålingsfelt er trykket 300 milliarder atmosfærer), så nukleosyntesen stopper.

Det eneste, der er nået at blive dannet, er en masse helium og en lille bitte smule lithium. Alle tungere atomer dannes først hundreder af millioner af år senere i stjernerne og deres dødseksplosioner. Alice prøver at putte lidt helium i sin ballon, men da det meste omkring hende er brint, som er lettere end helium, er der ikke meget spas ved dét.

Snip, snap, snude – Big Bang er ude

Og det var sådan set det. Et kvarters tid tog det. Fra nu af sker der ikke det store i tusinder af år.

Efter 50.000 år er temperaturen faldet til omegnen af 10.000 grader, og universet har skiftet farve til hvidglødende. Alle atomer er stadig ioniserede, det vil sige skilt ad i atomkerner og elektroner, og de frie elektroner gør stadig universet tåget.

Hver gang et neutralt atom prøver på at danne sig, rives elektronen straks løs af en højenergetisk foton.

Men 380.000 år gammelt er universets temperatur faldet til 3.000 grader, har fået en fin orange-rød farve og er nu koldt nok til, at brintatomerne kan holde sig neutrale.

Dermed løftes det tågede elektronslør, og lyset slipper fri — eller dekobler — af stoffet.

Eftergløden af Big Bang

Universet er nu en million lysår i diameter, og lyset kan bevæge sig frit gennem hele universet. Og dét har det så stort set gjort lige siden.

De klumper, som Alice så kimen til, har vokset sig større, men er ved dekoblingen stadig meget små; de tætteste områder er en hundredtusindedel tættere end de tyndeste. Men det er nok til, at den stråling, der slipper fri, ikke har præcis samme bølgelængde over det hele.

Og dette lys — den let ujævne efterglød af Big Bang, kendt som ‘den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling’ — er nu det fjerneste, vi kan se.

Meget af, hvad vi ved om Big Bang og om universet generelt, har vi lært ved at studere dette lys.

Alice har nu fået en på opleveren og kan lægge rumdragt og solbrille på hylden.

Har du i mellemtiden mistet overblikket over tid og rum, vil jeg anbefale denne interaktive grafik, som redaktør hos ScienceNordic, Catherine Jex, har stået for. Den findes også længere oppe i artiklen.

I forbindelse med denne artikel har jeg skrevet et program kaldet timeline, som beregner universets egenskaber (størrelse, temperatur, farve, udvidelseshastighed, osv.) ved forskellige tidspunkter. Programmet er skrevet i sproget Python, og resultatet kan ses her. Jeg har brugt nedenstående kilder til artiklen og tidslinjen – de er ordnet efter stigende sværhedsgrad.

Læs denne artikel på engelsk på Videnskab.dk’s internationale søstersite ScienceNordic.

\ Læs mere

Store opdagelser: Big bang – den kosmiske begyndelse