For cirka 14 milliarder år siden ændrede vores univers sig fra at være meget varmt og ekstremt fortættet til at udvide sig radikalt.

I dag kender vi processen som Big Bang; teorien om universets oprindelse. 

Big Bang er måske en abstrakt størrelse for de fleste, og det er stadig også uklart for os, hvad der præcist skete i de allerførste sekunder af universets fødsel. 

Men nu er et stort internationalt forskerhold - med forskere fra det danske Niels Bohr Institutet - aktuelle med et studie, der kan gøre os en anelse klogere på, hvordan det så ud, da det hele begyndte.

I studiet giver forskerne, der går under navnet ALICE-kollaborationen, det hidtil bedste billede af, hvordan urstoffet kvark-gluon-plasma - det første stof, der nogensinde har eksisteret - opfører sig. Det kan gøre os klogere på, hvad der skete i det første mikrosekund (0,000001 sekund) efter Big Bang.

»Vi har udviklet en metode til at undersøge, hvordan plasmaets form ændrer sig i et meget tidligt stadie. Metoden giver os det mest detaljerede billede af plasmaet til dato,« fortæller You Zhou, lektor i subatomar fysik på Niels Bohr Institutet og en af forskerne bag det nye studie, til Videnskab.dk.

Klik ‘engage’ i grafikken her for at se, hvordan universet så ud, og hvor varmt, tæt og stort det var i tiden efter Big Bang:

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.

Vi kommer alle fra kvark-gluon-plasmaet

På en måde kan man sige, at vi alle kommer fra kvark-gluon-plasmaet. Kvark-gluon-plasmaet går som det første eksisterende stof i verden forud for udviklingen af de såkaldte hadron-partikler, der kan danne proton-gasser, der er en del af atomers kerner (se faktaboksen længere nede).

Teorien om kvark-gluon-plasmaet vandt frem i 1970’erne og -80’erne, inden eksistensen af urstoffet endelig blev opdaget i CERN - Den Europæiske Organisation for Højenergifysik i Geneve - i 2000. 

Siden har fysikere arbejdet på at lære stoffet bedre at kende, da en forståelse af stoffet er en af nøglerne til at forstå, hvad der skete under skabelsen af det tidlige univers, før byggestenene til alt liv opstod.

Det nye studie bekræfter først og fremmest, at plasmaet ser ud til at være flydende, glat og blødt med en struktur, der minder om vand - en etableret hypotese, der opstod for lidt over 15 år siden.

»For mange år siden troede forskere, at kvark-gluon-plasma var en form for gas. Vores studie bekræfter, at det var en væske,« fortæller You Zhou, der har forsket i kvark-gluon-plasma i 14 år og har været dybt fascineret af plasmaet, siden han for første gang i 2005 hørte om, at urstoffet kunne være flydende:

»Jeg husker, at jeg læse om plasmaet i Scientific American, da jeg var 20 år og på min bachelor, og jeg tænkte, at det var utænkeligt, at det første stof i verden var flydende. Det gav simpelthen ingen mening. I mit hoved burde det have været en gas eller en form for sten, der kolliderede og satte skub i universets udvikling.« 

Et helt unikt stof

At kvark-gluon-plasmaet er fascinerende stof, kan Mads Toudal Frandsen, lektor i partikelfysik på Syddansk Universitet, skrive under på, 

»Plasmaet er så vidt vides det eneste stof, der under de rette omstændigheder kommer meget, meget tæt på at kunne indtage en tilstand som en perfekt væske,« forklarer han. 

En ‘perfekt’ væske er en væske uden viskositet, der er målet for en væskes evne til at flyde ud. Det betyder, at en perfekt væske kan løbe i en uendelighed uden at opleve nogen former for modstand. Andre væsker som vand eller olie ‘klæber’ sig eksempelvis til noget, hvis du spilder det, men det ville ikke ske for en perfekt væske.

»Forestil dig, at du ville kunne skøjte over helt perfekt is i én uendelighed uden modstand. Det sådan perfekt væske opfører sig. Det vil også blive ved med at løbe i en uendelighed,« uddyber Mads Toudal Frandsen.

Skabte kvark-gluon-plasma i CERN

Udover nok engang at sætte to streger under, at universets begyndelse ser ud til at være flydende, har forskerne også med hidtil uset detaljegrad kunnet se, hvordan plasmaet udvikler sig fra væske-stadie til at blive en gas i form af en hadron-partikel. 

Da vi ikke vader rundt i kvark-gluon-plasma i dag, men stoffet sandsynligvis stadig kun findes i midten af neutronstjerner ude i universet, har forskerne måttet sætte CERN’s partikelaccelerator i sving for at kunne undersøge plasmaet nærmere. 

I Large Hadron Collider-acceleratoren, som er verdens største partikelaccelerator, smadrede forskerne hadroner sammen i en fart, der næsten var lig lysets hastighed. Sammenstødet skabte så høj en varme, at hadronerne for en meget kort stund blev til kvark-gluon-plasma.

Da kvark-gluon-plasmaet kun ‘overlever’ i en brøkdel af et sekund, helt præcist 10^-23 sekunder, inden det udvikler sig til hadroner igen, kunne forskerne ikke nå at undersøge plasmaet direkte i et eksperiment. 

Men på grund af forsøget i partikelacceleratoren har de fået ny data på, hvad der sker, når kvark-gluon-plasma udvikler sig til hadron og omvendt. Dataen kan de smide ind i en algoritme, der giver dem mulighed for at analysere endnu mere på sammenhængen mellem de to.

»Og vi har fået ny information om, hvordan plasmaets viskositet ændrer sig i plasmaets forskellige stadier. Lidt ligesom honning, der er meget blødt og flydende, når det er lunt, og er mere tykt og hårdt, når det er i køleskabet,« forklarer You Zhou.

»Den videnskabelige hovedkonklusion er sådan set, at vi kan bruge den nye sammenhæng til at undersøge kvark-gluon-plasmaet endnu nærmere,« tilføjer han. 

Sådan så den varme kvark-gluon-plasma-suppe ud i mikrosekundet efter Big Bang. Ja, du ser rigtigt - det er ganske enkelt blåt. (Illustration: Peter Laursen).

Det første mikrosekund efter Big Bang

Overgangen fra kvark-gluon-plasma til hadron er interessant, fordi vi ved, at den samme udvikling skete i det første mikrosekund efter Big Bang. Her gik universet fra sin såkaldte kvark-æra til sin hadron-æra.

Derfor kan den nye viden om den overgang og kvark-gluon-plasmaet helt generelt være med til at gøre os klogere på, hvad der skete i det første mikrosekund efter Big Bang.

»Plasmaet ændrede egenskaber, da universet udvidede sig og blev koldere. Det fortæller os, at temperaturen betød en hel del under de første sekunder af det tidlige univers. Men vi ved stadig ikke præcis, hvorfor plasmaet ændrede sig,« forklarer You Zhou.

Mads Toudal Frandsen tilføjer, at de nye detaljer om plasmaet, selvom arbejdet i den grad er fascinerende, ikke ændrer partout på vores forståelse af verden og tiden umiddelbart efter Big Bang.

»Vi er nede i en detaljegrad, som er meget flot, og det skaber uden tvivl en bedre forståelse af plasmaet. Men det er på det her tidspunkt begrænset, hvor meget ny viden det giver os om tiden lige efter Big Bang,« siger han.

Der skete så mange ting lige efter Big Bang, hvor eksempelvis den stærke kernekraft, som er en af de fire naturkræfter også blev til - de andre tre naturkræfter er elektromagnetisme, svag kernekraft og gravitation.

Den stærke kernekraft er stadig et mysterium for os, fordi den opfører sig anderledes end de andre, og det er bare et eksempel på, at »det er meget, meget svært at forstå«, hvorfor tingene udviklede sig, som de gjorde i sekunderne efter Big Bang, konstaterer Mads Toudal Frandsen.

»Det, at vi forstår nogle meget avancerede egenskaber af plasmaet en smule bedre, skal ses som én lille puslespilsbrik af millioner, der skal samles, før vi kan få en bedre forståelse af, hvad der skete i sekunder efter Big Bang,« uddyber Mads Toudal Frandsen og tilføje, at det også er det, der gør det sjovt at forske i.

Flere undersøgelser i vente

Forskerne skal i de kommende år også foretage flere analyser af plasmaet, så de kan få en bedre forståelse af det. Allerede senere i år har de ‘booket tid’ hos Large Hadron Collider-acceleratoren i et eksperiment, der vil give dem 100 gange mere data, end de har nu.

Forskerne har desuden også ‘kun’ set på plasmaets tilstand, og hvordan det har opført sig i en lille del af Big Bangs tidligste historie - det første mikrosekund - men de ved stadig ikke, hvordan det opførte sig før dette mikrosekund. 

Det og mange flere ting vil de selvfølgelig gerne finde ud af. Men det store kvark-gluon-plasma-puslespil tager sin tid at lægge. 

»Det tog os næsten 20 år at finde ud af, at plasmaet var flydende, inden det blev til hadroner og universets byggeklodser. Så vi vil fortsat studere kvark-gluon-plasma i mange år år endnu, før vi har en mere præcis forståelse af, hvordan plasmaet har udviklet sig, og dermed hvordan universet udviklede sig i det første mikrosekund,« slutter You Zhou.