Det er ikke så mærkeligt, at astronomerne er begejstrede over at have fundet de hidtil fjerneste galakser, dannet kun 280 millioner år efter Big Bang.
For der er nemlig nogle helt specielle udfordringer ved at se så langt tilbage i tiden. Dengang var universet var meget mørkere end i dag, fordi de første stjerner og galakser kun lige var begyndt at blive dannet.
Da det netop er stjerner og galakser, der fylder universet med lys, så taler astronomerne om 'The Dark Age', eller 'mørkets tidsalder'. Det var også en tid, hvor universet var fyldt af store skyer af brint, og det gør det vanskeligt at se lyset fra de første stjerner og galakser.
De første 380.000 år
Lige efter Big Bang var stoftætheden så høj, at universet var fuldstændigt uigennemsigtigt. Universet var dengang en suppe af atomare partikler som protoner, neutroner, elektroner samt mange andre typer, som vi i dag kun kan producere i store laboratorier.
\ Om artiklens forfattere
Helle og Henrik Stub er begge cand.scient’er fra Københavns Universitet i astronomi, fysik og matematik.
I mere end 50 år har parret beskæftiget sig med at formidle astronomi og rumfart gennem radio, fjernsyn, bøger og foredrag og kurser.
De skriver om aktuelle astronomiske begivenheder for Videnskab.dk, hvor de går under kælenavnet ‘Stubberne’.
Disse partikler bevægede sig rundt mellem hinanden, og ved en temperatur på mange milliarder af grader var det umuligt for disse partikler at gå i forbindelse med hinanden. Men universet udvidede sig, og temperaturen faldt efterhånden, først fra milliarder til millioner og til sidst tusinder af grader.
I al denne tid var stoftætheden så høj, at enorme lydbølger kunne brede sig gennem universet. Det skabte nogle ganske små forskelle i stoffets tæthed og temperatur, og det skulle blive afgørende for universet - afgørende for, at stjerner og galakser overhovedet kunne dannes.
Efter 380.000 år efter Big Bang var universets temperatur nået ned på omkring 3.000 grader, og det betød, at protoner og elektroner nu kunne forbinde sig med hinanden og danne brintatomer, der består af en proton omkredset af en elektron.
Dannelsen af den første brint betød, at universet ikke længere var helt uigennemsigtigt – strålingen i universet kunne nu slippe ud.
Det er den stråling, vi i dag kalder for universets baggrundsstråling, og den kommer til os fra alle retninger. Den viser os universet, før de første stjerner og galakser blev dannet, men med ganske små forskelle i strålingens temperatur, som skyldes lydbølgerne.
Disse meget små temperaturforskelle, som skal måles i mikrograder, mener man, har været afgørende for, at stjerner og galakser kunne dannes. Dannelsen af baggrundsstrålingen markerede begyndelsen på det mørke univers.
Mørket sænker sig
Efter baggrundsstrålingen blev dannet, fortsatte universet naturligvis med at udvide sig, men nu var temperaturen i universet så lav, at der kunne dannes brintatomer. Derfor blev det unge univers nu fyldt af en tåge af brint i enorme mængder. Lige i begyndelsen af 'The Dark Age' var universet helt mørkt, for der var jo endnu ikke opstået en eneste stjerne eller galakse.
Sandsynligvis er der gået mindst 100 millioner år efter Big Bang, før de første stjerner og galakser blev dannet. James Webb-teleskopet har som nævnt fundet galaksen MoM-Z14, som er dannet 280 millioner efter Big Bang, og man prøver på at slå denne rekord, selv om det bliver svært.
For problemet er, at nok var universet blevet noget mere gennemsigtigt, men der var dog grænser. Brint kan nemlig absorbere rigtig meget stråling. Et brintatom består af en proton, der er omkredset af en enkelt elektron. Som Niels Bohr beskrev i sin atomteori, kan elektronen dog kun befinde sig i baner med visse bestemte energier. Næsten alle brintatomer har deres elektron i den laveste bane, som har mindst energi.
Rammes et brintatom af ultraviolet stråling med en bølgelængde på mindre end 91 nanometer (nm), så har lyset energi nok til at skubbe elektronen helt væk og dermed ionisere brinten. Men det betyder også, at strålingen dermed er blevet absorberet af brinten, og så når den jo ikke frem til os.
Det meste stråling med en bølgelængde på over 91 nm kan passere gennem brinten, selv om der er en lang række bølgelængder, der bliver absorberet, svarende til de spektrallinjer, vi kender for brint.
Astronomerne kan direkte observere, at de første galakser er dannet, på en tid da der var meget brint i universet. Det viser sig, ved at man slet ikke kan se galaksen, hvis bølgelængden er under en vis grænse. Forklaringen er, at selv om galaksen udsender en masse lys med en bølgelængde på mindre end 91 nm, så når strålingen ikke frem, fordi den bliver absorberet af brinten.
Denne bølgelængde kaldes 'The Lyman Break'. Men når astronomerne observerer galaksen, så befinder The Lyman Break sig ikke ved 91 nm, men ved meget større bølgelængder, fordi universet jo har udvidet sig i de milliarder af år, der er gået, siden lyset er blevet udsendt. Det anvendes til at beregne universets størrelse, da lyset blev udsendt, og dermed galaksens alder.
Hvis vi måler The Lyman Break ved en bølgelængde på 455 nm, hvilket er 5 gange større end de 91 nm, så ved vi, at da lyset blev udsendt, var universet fem gange mindre, end det er nu. Ud fra en model for universets udvidelse kan man så se, at universet var fem gange mindre end i dag godt 1,8 milliarder år efter Big Bang, altså for 12 milliarder år siden.
Hvis man havde forsøgt at fotografere galaksen gennem et filter, der kun tillader ultraviolet lys at passere, så ville vi slet ikke kunne se galaksen, fordi alt lys fra galaksen er blevet absorberet af brinten.
Men det er kun den ene side af historien, for når først brinten er ioniseret, kan den jo ikke længere absorbere lyset, og så bliver universet for alvor gennemsigtigt.
Det, der gradvist skete, var, at de første stjerner og galakser gradvist fik ioniseret brinten og dermed skabte gennemsigtige 'bobler' omkring sig, hvor brinten var ioniseret og derfor ikke længere var en hindring for strålingen.
De allerførste stjerner og galakser skulle helt selv skabe de første bobler, så de er ikke så lette at observere som stjerner og galakser, der blev dannet lidt senere, hvor meget af brinten allerede var ioniseret. Det har simpelthen taget tid at skabe det univers fuldt af lys, som vi kender.
\ Læs også
Observationer tyder på, at det har taget op mod en milliard år at få dannet så mange 'bobler' af ioniseret brint, at de til sidst smeltede sammen og dermed skabte det gennemsigtige univers, vi kender i dag. Skabelsen af det moderne gennemsigtige univers regnes normalt som afslutningen på mørkets tidsalder, som derved varede omkring en milliard år.
Der er dog det problem, at James Webb-teleskopet har opdaget så mange og ganske lysstærke galakser i det helt unge univers, at brinten burde være ioniseret allerede 600 millioner år efter Big Bang, og at den mørke tidsalder derfor burde være ophørt, da universet bare var 600 millioner år gammelt. Problemet er stadig uløst.
Den eneste teori, man har, er, at den ioniserede brint godt kunne finde på at blive til almindelig brint igen, ved at den positive brintkerne (en proton) igen indfangede en elektron, så stjerner og galakser igen skulle buge energi på at ionisere brinten.
Budskabet fra brinten
I mørkets tidsalder kom der ikke bare stråling fra stjerner og galakser, men lige så vigtigt radiostråling fra selve brinten. Brint udsender nemlig ganske af sig selv radiostråling med en bølgelængde på 21 centimeter. Forklaringen skal søges i kvantemekanikken, og vi vil ikke komme ind på den her.
Astronomerne har gennem mange år brugt netop 21 cm-strålingen til at kortlægge forekomsten af brint i universet med enorme parabolantenner, men den metode kan desværre ikke bruges til at studere brinten i det helt unge univers. For radiobølgerne har jo været undervejs i mere end 13 milliarder år, og i den lange tid har universet udvidet sig.
\ Læs også
Universets udvidelse har den konsekvens, at bølgelængden for radiostrålingen også forøges, så når strålingen endelig når frem til os, er bølgelængden ikke længere 21 cm, men meget større.
For at tage et eksempel, så er universet, siden det var omkring 300 millioner år gammelt, blevet 16 gange større, og det betyder, at vi modtager radiostrålingen ved en bølgelængde på 16∙0,21 m = 3,4 meter, og det er tæt på FM-bølgelængden for Danmarks Radios P1-kanal.
Og hvis vi her fra Jorden søger at måle den uhyre svage stråling fra en 13,5 milliarder år gammel brintsky, så er det nok nærmere P1, astronomerne opfanger end radiobølger fra det unge univers.
Der er kun en udvej, nemlig at foretage observationerne fra det eneste sted i Solsystemet, hvor vi ikke er generet af de utallige FM-radioprogrammer, vi selv producerer, nemlig Månens bagside.
Det har ført til planer om at oprette radioobservatorier på Månens bagside, noget som ligger langt ude i fremtiden. En plan går ud på at lade robotter udspænde et stort metalnet over et krater, da dette kan virke som en kilometerstor antenne. Men det vil også kræve andre robotter, som kan konstruere det enorme net ud fra materialer på Månen.
Vi kan ikke svare på, hvor tæt vi med tiden kan komme til selve Big Bang, bortset fra at baggrundsstrålingen danner en uoverstigelig barriere.
Vi kan måske engang i fremtiden observere 21-cm stråling fra brintskyer, der er dannet kun få millioner år efter baggrundsstrålingen, men indtil det modsatte er bevist, antager vi, at de første stjerner og galakser først blev dannet mindst 100 millioner år efter Big Bang.
Men vi er blevet overraskede før og kan blive det igen, så det eneste, vi kan gøre, er at følge udviklingen.
