Galaksefødsel efterprøvet i dansk laboratorium

Skabelsen af universet er vel nok den største fysiske gåde overhovedet.

I dag ved vi, at universet tog sin begyndelse for 13,7 milliarder år siden, men vi ved ikke hvordan. Der findes mange idéer om, hvad der er foregået i de afgørende nanosekunder efter Big Bang, men teorierne har været stort set umulige at efterprøve i praksis uden ligefrem at skulle eksplodere universet en gang til.

Indtil nu.

Nu er det i et laboratorium på DTU Fysik lykkedes at kreere et eksperiment, der kan simulere universitetets allertidligste udvikling.

»Det fundamentale spørgsmål er, hvordan universet, der menes at være startet homogent og symmetrisk ved Big Bang, er blevet til det, vi kender i dag med asymmetri og heterogen opbygning med planeter og galakser. Teorierne er mange, men vi har ikke haft mulighed for at efterprøve dem. Det er det, jeg arbejder på,« siger ph.d. Morten Aarøe fra DTU Fysik.

Gennem samarbejde med russiske, engelske og italienske videnskabsfolk har Morten Aarøe nemlig fundet frem til en metode, der på abstrakt vis kan sammenlignes med en polyteknisk tidsrejse tilbage til de afgørende mikrosekunder efter Big Bang, hvor de essentielle grundsten til vores univers blev dannet.

Frøene til en galakse

Lige efter Big Bang skete der en voldsom nedkøling af det stof, der blev spredt. Det afstedkom ifølge teorierne en række hurtige faseovergange. En faseovergang er en meget bred betegnelse for det, der sker, når noget ændrer sig. Men det centrale er, at der under denne transition kan ske det, der kaldes symmetribrud, hvor f.eks. en homogen masse ikke vil ændre sig ensartet.

»Et kendt og populært eksempel er et glas vand, der fryses hurtigt ned. Vandet gennemgår en faseovergang fra at være symmetrisk og flydende til at være et fast stof, der er uigennemsigtigt. Det, der sker under processen, er, at iskrystallerne vil forsøge at 'blive enige om', hvilken retning de skal vende, men på grund af den hurtige nedkøling er der ikke tid til at opnå enighed. På den måde er der sket symmetribrud, der gør, at isen er uigennemsigtig. Under denne faseovergang er der opstået det, der kaldes en defekt på de flader, hvor to større iskrystaller med forskellig orientering støder sammen. Da det unge univers gennemgik en hurtig nedkøling, siger teorien, at det samme princip var gældende,« forklarer Morten Aarøe til DTU Avisen. Ifølge teorierne er defekterne afgørende for fordelingen af stof i universet og dermed for dannelsen af universets struktur. Defekten mellem to "stykker" univers vil være en smule tungere end alt omkring den og være fastlåst for bestandig. Defekterne har fået det poetiske tilnavn galaksefrø, fordi en defekt vil kunne udvikle sig til en galakse, da dens masse vil tiltrække det omgivende stof. Det er her, at den voldsomme nedkøling med dens faseovergange og symmetribrud viser sig at kunne give fingerpeg om det purunge univers.

»Vi forsøger at udnytte sammenhængen mellem teorien om, hvad der burde ske i faseovergangene under hurtig nedkøling efter Big Bang og så det, vi kan frembringe i et forsøg. På den måde kan vi efterprøve en teori om galaksedannelse med et laboratorieforsøg,« siger Morten Aarøe.

Big Bang i laboratoriet

Men hvordan efterligner man Big Bang i et laboratorium?

Morten Aarøe konstruerede en særlig holder til en chip, en såkaldt Josephsondiode, der sænkes ned i flydende helium. Dioden er opbygget af to små isolerede ringe af metallet niobium. Mens dioden nedkøles, gennemgår den en faseovergang fra normalt ledende til superledende metal. I den tilstand er der ikke nogen form for elektrisk modstand i chippen.

Vi forsøger at udnytte sammenhængen mellem teorien om, hvad der burde ske i faseovergangene under hurtig nedkøling efter Big Bang og så det, vi kan frembringe i et forsøg. På den måde kan vi efterprøve en teori om galaksedannelse med et laboratorieforsøg.

Morten Aarøe

»Ved at se på chippens opførsel, når den køles ned til minus 269 grader celsius på få millisekunder, kan man simulere universets udvikling fra milliarder grader varmt plasma til det kolde tomrum, det er i dag. Dioden kan således give data til analyse i de tilkoblede computersystemer, der registrerer, om der opstår magnetiske felter mellem ringene, når metallet passerer faseovergangen og bliver superledende. Hvis der opstår magnetisme mellem de to ringe under nedkølingen, så er det udtryk for, at der er opstået en defekt,« siger Morten Aarøe.

For at have kontrol over faseovergangen er chippen udstyret med et varmelegeme, der med ekstrem nøjagtighed kan styre nedkølingshastigheden.

Faktisk opnåede Morten Aarøe i sit forsøg at variere nedkølingshastigheden med faktor 100.000, dvs. at det er muligt at nedkøle både med en halv grad og med flere tusinde grader per sekund. Det er en uhørt stor variabel og en af grundene til, at hans forsøg er det første i verden, der kan vise, hvordan defekternes opståen kan relateres til nedkølingen. Denne metode tillader samtidig et meget stort antal gentagelser i løbet af kort tid, så mængden af data giver et statistisk forsvarligt grundlag for analyse.

En flig af det store svar

For hver nedkøling registrerede computeren den strøm, der løb gennem chippen ved bestemte spændinger, og på det grundlag blev der gennemført statistiske beregninger. Det viste sig her, at jo hurtigere nedkølingen foregik, desto flere spontane symmetribrud opstod der med tilhørende topologiske defekter under faseovergangen fra metal til superleder. Ganske som teorien siger, det er sket med stoffet efter Big Bang.

»Med resultaterne fra eksperimentet kan vi nu se, at det kan lade sig gøre at fremskaffe brugbare data, der kan verificere en af de vigtige teorier for universets skabelse. Nu ved vi, defekterne opstår på grund af hurtig nedkøling. Det har vi ikke været sikre på før. Jeg ser det som en meget spændende tid, vi går i møde, hvor andre nu kan forfine og udbygge metoden. Alle vil gerne vide, hvor vi kommer fra, og dette er måske en lille flig af svaret på gåden,« opsummerer Morten Aarøe.

Lavet i samarbejde med Danmarks Tekniske Universitet