I begynnelsen utvidet universet veldig, veldig raskt.
(Bilde: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og sjefforsker ved COSI vitensenter. Sutter er også vert for Ask a Spaceman og Space Radio, og lederAstroTours rundt om i verden. Sutter bidro med denne artikkelen til Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
For 13,8 milliarder år siden var hele det observerbare universet på størrelse med en fersken og hadde en temperatur på over en billion grader.
Det er en ganske enkel, men veldig dristig uttalelse å komme med, og det er ikke et utsagn som er gjort lett eller enkelt. Selv for hundre år siden ville det ha høres helt uposterøst ut, men her er vi og sier det som om det ikke er noen stor sak. Men som med alt innen vitenskap, er enkle utsagn som dette bygget fra fjell med flere uavhengige bevislinjer som alle peker mot den samme konklusjonen - i dette tilfellet Big Bang, vår modell av universets historie. [Universet: Big Bang to Now i 10 enkle trinn]
Men som de sier, ikke ta mitt ord for det. Her er fem bevis for Big Bang:
# 1: Nattehimmelen er mørk
Se for deg et øyeblikk at vi levde i et perfekt uendelig univers, både i tid og rom. De glitrende samlingene av stjerner fortsetter for alltid i alle retninger, og universet har ganske enkelt alltid vært og alltid vil være. Det vil bety uansett hvor du så på himmelen - bare velg en tilfeldig retning og stirre - du vil helt sikkert finne en stjerne der ute, et sted, på et stykke. Det er det uunngåelige resultatet av et uendelig univers.
Og hvis det samme universet har eksistert for alltid, så har det vært god tid for lys fra den stjernen, som kryper gjennom kosmos med en relativt treg hastighet på c, for å nå øyeeplene. Selv ikke tilstedeværelsen av noe mellomliggende støv ville redusere det akkumulerte lyset fra en uendelighet av stjerner spredt over et uendelig stort kosmos.
Ergo, himmelen skal brennes med det kombinerte lyset fra en mengde stjerner. I stedet er det stort sett mørke. Tomhet. Tomrom. Blackness. Du vet, plass.
Den tyske fysikeren Heinrich Olbers har kanskje ikke vært den første personen som noterte dette tilsynelatende paradokset, men navnet hans holdt seg til ideen: Det er kjent som Olbers 'paradoks. Den enkle oppløsningen? Enten er universet ikke uendelig i størrelse, eller det er ikke uendelig i tide. Eller kanskje er det verken.
# 2: Kvasarer eksisterer
Så snart forskere utviklet sensitive radioteleskoper, på 1950- og 60-tallet, la de merke til rare høye radiokilder på himmelen. Gjennom betydelig astronomisk sluting bestemte forskerne at disse kvasi-stjerners radiokildene, eller "kvasarer", var veldig fjerne, men uvanlig lyse, aktive galakser.
Det viktigste for denne diskusjonen er den "veldig fjerne" delen av konklusjonen.
Fordi lys tar tid å reise fra et sted til et annet, ser vi ikke stjerner og galakser som de er nå, men som de var for tusenvis, millioner eller milliarder av år siden. Det betyr at å se dypere inn i universet også ser dypere inn i fortiden. Vi ser mange kvasarer i det fjerne kosmos, noe som betyr at disse objektene var veldig vanlige for milliarder av år siden. Men det er knapt noen kvasarer i vårt lokale, oppdaterte nabolag. Og de er vanlige nok i det fjerne (det vil si unge) universet til at vi skal se mye mer i nærheten.
Den enkle konklusjonen: Universet var annerledes i sin fortid enn det er i dag.
# 3: Det blir større
Vi lever i et ekspanderende univers. I gjennomsnitt kommer galakser lenger unna alle andre galakser. Visst, noen små lokale kollisjoner skjer fra gjenværende gravitasjonsinteraksjoner, som hvordan Melkeveien kommer til å kollidere med Andromeda om noen milliarder år. Men på store skalaer stemmer dette enkle, ekspansive forholdet. Dette oppdaget astronom Edwin Hubble på begynnelsen av 1900-tallet, like etter å ha funnet ut at "galakser" faktisk var en ting. [Milky Way Galaxy's Head-On Crash with Andromeda: Artist Images]
I et ekspanderende univers er reglene enkle. Hver galakse avtar fra (nesten) annenhver galakse. Lys fra fjerne galakser blir rødskiftet - bølgelengdene til lyset de frigjør, vil bli lengre, og dermed rødere, fra andre galakseres perspektiv. Du kan bli fristet til å tenke at dette skyldes bevegelsen til individuelle galakser som går fort rundt universet, men regnestykket legger ikke opp.
Mengden rødskift for en spesifikk galakse er relatert til hvor langt den er. Nærmere galakser vil få en viss mengde rødskifte. En galakse dobbelt så langt unna vil få dobbelt så rød skift. Fire ganger avstanden? Det stemmer, fire ganger rødskiftet. For å forklare dette med bare galakser som glir rundt, må det være en virkelig merkelig konspirasjon der alle de galaktiske innbyggerne i universet er enige om å bevege seg i dette helt spesifikke mønsteret.
I stedet er det en enklere forklaring: Galaksenes bevegelse skyldes strekningen av rom mellom galaksene.
Vi lever i et dynamisk, utviklende univers. Det var mindre i det siste og vil være større i fremtiden.
# 4: Relikvienes stråling
La oss spille et spill. Anta at universet var mindre i fortiden. Det betyr at det hadde vært både tettere og varmere, ikke sant? Akkurat - alt innholdet i kosmos ville blitt samlet i et mindre rom, og høyere tetthet betyr høyere temperaturer.
På et tidspunkt, når universet var, for eksempel, en million ganger mindre enn det er nå, ville alt blitt så knust sammen at det ville være et plasma. I den tilstanden ville elektronene være ubundet fra atomvåpenvertene og være fri for å svømme, alt det som sto i badet i intens stråling med høy energi.
Men etter hvert som spedbarnsuniverset utvidet seg, ville det blitt avkjølt til et punkt der plutselig elektroner kunne bosette seg komfortabelt rundt kjerner, og danne de første komplette atomene av hydrogen og helium. I det øyeblikket ville den vanvittige intense strålingen streife uhindret gjennom det nylig tynne og gjennomsiktige universet. Og etter hvert som universet utvidet seg, ville lys som startet bokstavelig talt hvitvarmt blitt avkjølt, avkjølt, avkjølt til bare noen få grader over absolutt null, og satt bølgelengdene godt innenfor mikrobølgeområdet.
Og når vi peker mikrobølgeteleskopene mot himmelen, hva ser vi da? Et bad med bakgrunnsstråling, som omgir oss på alle sider og nesten perfekt ensartet (til en del i 100 000!) I alle retninger. Et babybilde av universet. Et postkort fra en lang død epoke. Lys fra en tid nesten like gammel som selve universet.
# 5: Det er grunnleggende
Skyv klokken enda lenger tilbake enn dannelsen av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, og på et tidspunkt er ting så intenst, så sprøtt at ikke engang protoner og nøytroner eksisterer. Det er bare en suppe av deres grunnleggende deler, kvarkene og gluonene. Men igjen, da universet ekspanderte og avkjølte seg fra de frenetiske første minuttene av sin eksistens, brast de letteste kjernene, som hydrogen og helium, sammen og dannet seg.
Vi har et ganske anstendig grep om kjernefysikk i dag, og vi kan bruke den kunnskapen til å forutsi den relative mengden av de letteste elementene i vårt univers. Spådommen: At den sammenfallende suppen skal ha gådd omtrent tre fjerdedeler hydrogen, en fjerdedel helium og en smattering av "andre."
Utfordringen går så til astronomene, og hva finner de? Et univers sammensatt av omtrent tre fjerdedeler hydrogen, en fjerdedel helium og en mindre prosentandel av "annet." Bingo.
Det er selvfølgelig mer bevis. Men dette er bare utgangspunktet for vårt moderne Big Bang-bilde av kosmos. Flere uavhengige bevislinjer peker alle på samme konklusjon: Universet vårt er rundt 13,8 milliarder år gammelt, og på en gang var det på størrelse med en fersken og hadde en temperatur på over en billion grader.
Lær mer ved å lytte til episoden "Hva skjer når galakser kolliderer?" på Ask A Spaceman-podcasten, tilgjengelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Takk til Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla og Patrick D. for spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman eller ved å følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter. Følg oss @Spacedotcom, Facebook og Google+. Originalartikkel på Space.com.
