I begynnelsen – the big bang

Med vår nysgjerrighet har mennesket alltid grublet over alfa og omega, begynnelsen og enden. Vi finner mange skapelsesmyter i religionshistorien. Einstein med flere brukte relativitetsteorien til å komme litt nærmere disse spørsmålene, og på 50- og 60-tallet får vi big bang teorien som til slutt konkurrerte ut steady state modellen. (Se for øvrig «gradvis og lagvis viten i kosmologien».)

Vi regner i dag med at universet har eksistert i 13,82 milliarder år, og operer med en feilmargin på +/- 200 milloner år. Siden universet har eksistert i 13,82 milliarder år, har lyset heller ikke rukket å nå lenger ut enn dette, så vi kan ikke observere noe lenger ut. Om en iberegner den teoretiske inflasjonen i starten, regner en nå med at universet er 156 milliarder lysår i utstrekning.

De fleste astronomer gir sin støtte til grunnelementene i den såkalte ”big bang teorien”. Det er egentlig ikke en teori om skapelsen av universet, men om evolusjonen i universet fra et brøkdels sekund etter skapelsen. Den går ut på at alt først var konsentert i et ufattelig lite område med enorm massetetthet og energi, for deretter å ekspandere lynraskt i alle himmelretninger. Med big bang startet en «esing» av selve tidrommet som energi og materie er i som fremdeles pågår. På grunn av denne esingen fjerner de aller fleste galaksene seg fra oss. Dette kan lettest illustreres gjennom å tenke oss at vi tegner noen punkter på en ballong som vi blåser opp, hvor prikkene er materie (som stjerner) og ballongen er selve tidrommet.

Universet var først en liten prikk med en ekstrem tetthet og varme. Som nevnt i forbindelse med sorte hull har vi ikke en fysikk som beskriver de fysiske forholda i big bang. Men mange fysikere antar at vi her har en så ekstrem tetthet at vi snakker om en ny tilstand av materie som godt mulig er en kvarkesuppe eller endog kompakte strenger. Kvantefysikken gir en ramme på tetthet og størrelse og vi antar det var en massetetthet på 10 opphøyd i 94 potens gram per kubikkcentimeter. Diameteren hos singulariteten ved starten av big bang antar en var plank lengden (1,6 x 10 i minus 33 potens).

Da universet knapt var en millondel sekund gammelt brøt gravitasjonskraften ut og vi fikk en voldsom ekspansjon som mange i dag tror var en hyperinflasjon hvor selve rommet utvidet seg raskere enn lysets hastighet. Dette gjør at universet har en så lik temperatur som det har, jamfør målingene av den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Samtidig utgjør de ørsmå forskjeller i kvantefluktuasjoner helt i starten (10 i minus 40 sekund etter big bang) det som etter hvert er tettere strukturer med mer masse hvor vi finner galakser og de store områdene med mindre materie. Vi har store omtrent tomme områder så og si uten galakser (kjent best for deres engelske navn voids) som er 20-100 ganger større i utstrekning enn galakser.

Før universet var et sekund gammelt bryter de andre kreftene også løs. Etter tre minutter er temperaturen sunket til «bare» en halv milliard grader. Dette er kaldt nok til at atomkjerner kan forme seg og vi får de første hydrogenatomene. Noen hydrogenatomer smelter sammen og danner helium. Det er fremdeles så varmt og tettpakket at fotoner ikke kan bevege seg fritt, men interagerer med andre partikler hele tiden. Materien er plasma i denne fasen. 380.000 år senere blir universet lyst da det nå er  kaldt nok til at fotoner kan bevege seg mer fritt. Det er dette vi ser rester av i bakgrunnstrålingen.

 

Under de første hundre tusener års ekspansjon kjølnet gassene i universet ned, og etter ca 500.000 år sank temperaturen såpass mye at det ble mørkt i universet fra å ha vært først intenst hvit, og deretter gått via gult og oransje. Det var synlig lys så lenge temperaturen var på vel 1000 grader celsius, mens når det sank under dette sees kun energien som varmestråling. I denne mørke perioden samla kjempeskyer av gass seg og etter som de ble tettere fikk også tyngdekreftene mer tak i dem. Vi regner med at mellom 100 og 500 millioner år etter big bang ble noen av klumpene så tette og opphetet at de begynte å lyse. Universet ble dermed ikke mørkt lenger og vi så starten på stjernenes tidsalder.

 

En galakse består av milliarder av stjerner. Melkeveien og nabogalaksen Andromedatåken består av 100 til 300 milliarder stjerner, og kjempegalakser kan bestå av mer enn en billion stjerner! Urgalaksene ser ut til å ha vært «små» klumper med en veldig høy stjernetetthet. Dog er dette er vanskelig å si for mye ut fra at de bildedataene vi har i forhold til urgalaksene, jo er over ekstremt store avstander på 12-13 milliarder lysår. Dermed ser vi bare de aller mest lyssterke delene av galaksen. Gjennom stadig sterkere teleskoper på jorda og i rommet skimter vi nå lenger ut, og dermed også lenger tilbake i tid. Vi begynner dermed å se mer av urgalaksene, og det viser seg at store galakser som vår egen Melkeveien oppstod før kosmos var en milliard år gammelt. Det er overraskende for astronomene at så store galakser ble dannet så tidlig. De aller fleste urgalaksene er dog bare 1/100 av vår galakses størrelse. Det tar lang tid for naturen å først forme galakser. Vi har en relativt svak tyngdakraft som først skal samle veldig spredte gassskyer med en lav tetthet og skape stjerner. Deretter så skal stjernene og materien dra på hverandre via tyngdekreftene og gradvis trekke sammen til galakser. Illustrasjonen til høyre er av Yinweichen (CC BY-SA 3.0).