• Category Archives Astronomi
  • Universets form og skjebne

    Før jeg begynner å kommentere universets form, vil jeg bare avklare et typisk spørsmål som mange astronomer får spørsmål om; hvor er universets sentrum? Hvor skjedde the big bang? Spørsmålet er egentlig tilsvarende som å spørre hvor en fotball sin utvendige overflate sitt sentrum er (altså ikke senteret inni fotballen). Universet har i motsetning til ballens todimensjonale overflate et tredimensjonalt rom. Big bang skjedde overalt. For å forstå dette må vi se på hva som ligger i universets utvidelse. Universet utvider seg, men det er viktig å forstå hva som utvider seg. Ser vi på galakser i alle retninger i forhold til vår egen så ser vi at de beveger seg vekk fra oss. Og det ser ut til at de galaksene som er lengst borte beveger seg fortere vekk. Men det som egentlig skjer er at selve rommet som utvider seg. Det klassiske og kanskje mest intuitive bildet på dette er ballongen. Tenk deg at du har en ballong som du tegner inn mange prikker på. Prikkene er materien, si for eksempel hver prikk er en galakse. Om du blåser opp ballongen vil prikkene komme lenger vekk fra hverandre på grunn av at ballongen utvider seg. Men det er ikke på grunn av at prikkene flytter seg.

    For bare to tiår siden trodde kosmologene at universets skjebne ville avhenge av dets geometri; altså av selve formen på tidrommet. En lurte på om det er en lukket geometri som da ville medføre at universet ville stoppe ekspansjonen gradvis og så trekke seg sammen igjen. Et alternativ er at universet har en åpen geometri som ville medført uendelig ekspansjon. Tredje scenario var en flat geometri som ville gjort at ekspansjonen ville omtrent stoppe, men ikke gå sammen igjen. Disse modellene er illustert til høyre, men husk dette er bare en todimensjonal gjengivelse av det tredimensjonale rom. Omega står her i illustrasjonen for tettheten av materie i universet delt på den kritiske energien i forhold til om universet er flatt eller ei.

    Det er flere modeller som brukes i forhold til universets form. Den kanskje mest brukte er Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-modellen, men dataene sålangt passer og til flere andre som for eksempel Picards modell. Fremdeles kan en ikke slå fast om universet er uendelig eller endelig, og om det er endelig hvor stort det er. En vet at det ikke er uendelig og alltid har vært der ut fra observasjoner og fra Olberts paradoks. Hadde det vært uendelig i tid og rom så hadde hvert punkt vi hadde studert på himmelen ført oss til en stjerne og himmelen hadde vært skarpt hvitt overalt. Siden lyset har en gitt hastighet kan det tenkes at lyset fra stjerner veldig langt unna bare ikke har kommet her enda og det kan dermed i teorien ha uendelig rom. Men om det skulle vært uendelig får dette flere konsekvenser, og vi har og da noen grunnleggende problem som hvordan noe med et startpunkt kan ha utvidet seg til noe uendelig på en ikke uendelig tid. Universet kan dog være endelig, men uten grenser. Jamfør jorda hvor vi ikke risikerer å «gå utenfor kanten», som man fryktet i tidligere tider. Vi vet heller ikke med full sikkerhet om det er flatt, positivt eller negativt kurvet, selv om det etter de siste målinger ser ut til å være flatt. Er det positivt krummet er det endelig i utstrekning, er det flatt eller negativt kan det være både endelig og uendelig.

    For å forstå hvordan flatt rom kan være endelig kan det anta mange former hvorav den mest kjente er å se for seg en smultring. Et flatt univers uten mørk energi ville fortsette å utvide seg, men med stadig saktere hastighet til det nærmet seg null. Men med mørk energi vil det først sakne ned utvidelsesfarten, men så øke igjen.

    Hva så med universets skjebne om det får utvikle seg videre uavhengig av noen guddommelig inngripen? I østlige system betrakter en gjerne kosmos som noe syklisk i en evig gjenfødsel og død, mens i antikkens greske filosofi så man gjerne på universet i seg selv som evig. Denne tankegangen var også toneangivende til langt innpå 1900-tallet i vesten. Innen de monoteistiske religioner finner vi apokalyptiske scenario med tanke på en avslutning av denne verdensordning, og de er kanskje ikke så langt unna hva kosmologien viser oss. Vi lever nå i gullalderen til universet med aktive stjerner og god tilgang til råstoff for å skape nye stjerner og planeter. Men naturlovene sørger for at dette ikke vedvarer.

    Det var Edwin Hubble som først kunne observere at universet utvidet seg på 1920-tallet. Vi trodde lenge at dette var ettervirkningene etter Big Bang og at utvidelsen ville sakke av. Det store spørsmålet var tidligere om gravitasjonen så ville overta og føre til en big chrunch, altså et motsatt big bang. Her ville universet trekkes sammen igjen til et inferno av hete og til slutt en singularitet. Alternativet til ild er jo is, og om gravitasjonen var for svak til å trekke sammen universet igjen så en for seg universets slutt i «the big freeze». Stjerner dør her ut en etter en og til slutt dannes ikke nye stjerner. Temperaturen synker i universet og til slutt ender vi bare opp med kalde objekter på himmelen og et og annet svart hull. Med tanke på Hawkins stråling vil selv de svarte hullene fordampe og vi ender opp med et kaldt univers uten materie med en svak bakgrunnstråling av fotoner. Dette vil inntre om trillioner av år – det antydes at fordampningen av supermassive svarte hull vil ta et google år å gjennomføre – det vil si 1 med hundre nuller bak!

    WMAP-resultatene gjorde at astronomene anså universet å være (omtrent eller helt) flatt. Så kom forståelsen rundt mørk energi som forandret mye i 1998. Målinger viser at rommet utvider seg raskere enn tidligere, for 5 milliarder år siden begynte utvidelsen mellom galaksene å aksellerere. Så kobles dette til en variant av mørk energi kalt fantomenergi. Fantomenergi er en frastøtingskraft, en antigravitasjonskraft kan vi nesten si.

    Med disse observasjoner og spekulasjoner fikk vi en helt ny faktor i forhold til universets framtidige skjebne. En del lurte nå på om det er «the big rip» som er det mest realistiske alternativet for universets død. Denne teorien ble lansert i 2003 av Robert Caldwell, og en tenkte at kanskje ødelegges alt gjennom «den store riften» hvor planeter og galakser blir revet i småbiter og selve atomkjernene blir revet opp og alt blir en singularitet.  Dette kommer av kreftene hvor universet stadig utvider seg med aksellererende hastighet. Vi observerer nemlig at universets utvidelse stadig øker. Vi vet ikke hvorfor det gjør det og tilskriver dette ”mørk energi” som vi kommer tilbake til senere. Det er altså krefter utover big bang som drar universet utover. Om dette fortsetter å aksellerere som nå vil til slutt alt bli revet i stykker. Først vil vi se det ved at galaksehopene om noen milliarder år vil gå fra hverandre, når vil avhenge av bedre målingstall men det har vært anslag på fra 22 til 55 milliarder år. Rundt en milliard år før dommedag i big rip vil også galaksene spres fra hverandre i den lokale galaksehopen. Vi vil altså da ende opp med å bare se utover vår egen galakse. 60 millioner år før d-dag vil solsystemene i den enkelte galakse løsrives fra hverandre.  Så vil de enkelte planetene forsvinne fra hverandre noen måneder før, og siste minutter vil ikke gravitasjonskreftene holde planetene samlet en gang og de vil bli revet i filler. Til slutt vil selve atomene rives opp et tiendedels billiondel billondel sekund før the big rip. På null vil selve tidrommet kollapse i en singularitet.

    Big rip avhenger av at mørk energi blir sterk nok til å overkomme de andre naturlovene og de fleste vitenskapsfolk tviler på at den har denne egenskapen og tror bare den vil øke tomrommet mellom galaksene. De fleste kosmologer holder altså i dag en knapp på big freeze/chill ut fra de målinger vi har av masse og ekspansjon. Big chrunch har nok færrest støttespillere slik det er nå, da data ikke tyder på at gravitasjonskreftene igjen vil få samlet sammen universet til en ny singularitet.

    På tampen vil jeg kort nevne en modell om universet uten ende. Ikke fordi den er spesielt anerkjent eller velbegrunnet i forhold til andre kosmologiske modeller, snarere tvert imot, men fordi den er blitt så allment popularisert gjennom Hawkings forfatterskap. Hartle og Hawking har lagd en modell hvor de ved hjelp av imaginære tall fjerner singulariteter fra the big bang.. En ser for seg universets utvikling som en ball hvor toppen er big bang. Universet er endelig, men uten et startpunkt. For at flere skal henge med må jeg forklare et par begrep kort: Imaginære tall er et konsept fra kvantemekanikk og spesielle relativitet hvor vi lager imaginære tall til å forklare kvadratroten av -1, -2 osv. Her behandles tid som noe med to retninger; venstre til høyre aksen er fra fortid til fremtid og så har vi opp og ned som er den imaginære tiden. Blander vi imaginære tall og vanlige tall får vi hva som kalles komplekse tall. «Sum over histories» er det engelske begrepet fra kvantefysikken i forhold til at en partikkel snuser ut alle veier for å bevege seg fra område a til b. Det er et kompleks tall som viser sannsynlighetskurven til partikkelen for å velge en bestemt vei. Ved å bruke imaginære tid i kvantefysikken kan vi få en beregning ift en partikkels «sum of histories». I spesiell relativitetsteori i kosmologien ser vi hvordan tid og rom henger sammen og der kan tid uttrykkes som hvor distansen lyset reiser i et gitt tidsrom.

    Singulariteter har masse energi konsentrert på et mikroskopisk område, og energi krummer tidrommet. Ved big bang tilsier dermed klassisk fysikk at tidrommet var som såpeskum hvor kausalitet brøt sammen. Tidrommet krummet seg på seg selv og formet ormehull og dermed mister vår vanlige forståelse av tid med et «før» og «etterpå» mye mening. Tanken til Hartle og Hawking er at tid og rom kan veksles inn og at imaginær tid her på et tidspunkt er virkelig fysikk slik at når universet startet var tiden en del av et Euclidisk rom hvor ingen punkt definerer tidens begynnelse. De ser for seg at tidrom i starten bare var romlig og at det er meningsløst å snakke om en begynnelse for universet. Mange kritikere vil påpeke dette som feil bruk av matematikk over i fysikken sfære og andre igjen omtaler dette som ordspill da vi uansett snakker om et startpunkt også for når rom i så fall ble gjort om til tid.


  • 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).


  • Gradvis og lagvis viten i kosmologien del 2

    I og med at selve rommet utvider seg, altså at kosmos i seg selv blir større og ikke bare avstanden mellom galaksene, ser vi som Hubble først oppdaget at de galaksene som er lenger borte fra vår egen, fjerner seg fortere fra oss enn de nærmere. Det skyldes at det er mer rom som utvider seg mellom oss enn mellom to nærmere planeter. Dette kan vi illustrere med å ta noen klumper på en strikk og dra det ut. Avstanden til de fjerneste klumpene blir større enn til naboklumpen. Dette illustrerer også et annet viktig poeng. Det er ikke noe sentrum blant galaksene og fra hver galakse vil vi se at andre galakser flytter seg vekk fra oss selv.

    Doppler-effekten er det som gjør at når noe beveger seg mot oss eller vekk fra oss hører vi endring i lyden. Det samme vil vi se på radiobølger fra atomer. Kommer noe mot oss får vi en blåforskyvning og vekk fra oss får vi en rødforskyvning. Dette målte som nevnt Hubble systematisk og hans observasjoner viser at nesten alle galakser flytter seg vekk fra oss. Og jo lenger borte de er, jo fortere går de fra oss. Dette skjønner vi nå i forhold til hvordan vi akkurat har beskrevet universets utvidelse, men dette var uventede resultater da de kom.

    Continue reading  Post ID 1023


  • Gradvis og lagvis viten i kosmologien del 1

    Guds strukturer og kosmologi – forståelsen av naturkreftene og universets byggestener

    Gradvis og lagvis viten i kosmologien

    Mennesket har nok til alle tider kikket opp på stjernene og månen og undret seg på hvordan ting henger sammen. 400 år før Kristus fremla Aristoteles en modell om universet hvor han tegnet opp alt i perfekte sirkler og kuler. Himmellegemene kretset rundt jorda og de var «perfekte» kuler. Noen hundre år senere kom kom det en modell som beskrev planetenes bevegelser.

    På 1500-tallet kom det store paradigmeskiftet og vi fikk det heliosentriske verdensbilde hvor sola og ikke jorda ble midtpunktet.  Det var diakonen Kopernikus som fremla denne teorien. Dermed fjernet man de komplekse banene til planetene man tidligere måtte ha for å få teori til å stemme med observasjoner. Kopernikus beskrev også hvordan jorda kretser rundt seg selv i 24-timers sykluser. Det er ikke stjernene som beveger seg over himmelen om natta, men jorda som kretser rundt sola. Kepler tok noen år senere opp tanken igjen og så at planetene ikke beveger seg i sirkelbaner, men i ellipser. Kepler hadde også data i forhold til at planetene øker farten når de er nærmere sola. Han forstod ikke hva som lå bak dette, men det kombinert med den heliosentriske modellen gjorde at vi nå fikk et verdensbilde som forutså planetenes bevegelse mye bedre enn den gamle modellen.

    Continue reading  Post ID 1023


  • Astronomipodkast: En stjerne dør – hvite og sorte dverger, røde kjemper og superkjemper

    I astronomi på norsk denne uka ser vi på hva som skjer når stjerner er på slutten av sitt ordinære liv. Vi vandrer innom begrep som hvite og sorte dverger, røde kjemper og superkjemper!