Det unge universet bestod nesten bare av hydrogen. Dette hydrogenet glødet, og denne gløden kan vi fortsatt se som radiobølger i den kosmiske bakgrunnsstrålingen, her observert fra romobservatoriet Planck. (Bilde: ESA/Planck Collaboration)
Stoffet som forener universet
Hydrogen finnes i vannet vi drikker og i universets fjerneste egner. Astronomene sporer universets historie i radiobølger fra kosmisk hydrogen.
Det nye radioteleskopet Square Kilometre Array vil bestå av hundretusener av antenner på to kontinenter. Hva kan det fortelle oss om det første og det største i universet?
I middelalderen trodde de fleste at jorda og menneskene befant seg i universets sentrum. Siden har astronomer funnet ut at alle deler av universet er like. Eller – er de det?
I begynnelsen skapte Gud himmelen og jorden. Jorden var øde og tom, mørke lå over dypet, og Guds ånd svevde over vannet.
Slik åpner boken som gjennom århundrene har bidratt til å forme vår kultur. Da opplysningstiden flammet opp på 1700-tallet og blåste verdensrommet rent for Gud, kunne gjendiktningen av disse første bibelversene lyde omtrent slik:
I begynnelsen skapte universet seg selv. Lyset var fanget i dypet, og naturkreftene svevde over hydrogenet.
Livsviktig stoff
Hydrogen betyr «vannskaper», direkte oversatt fra gammelgresk. Vannstoff er et eldre norsk navn på hydrogen.
Ikke uten grunn. Et vannmolekyl er en kjemisk forbindelse av to atomer hydrogen og ett atom oksygen. Begge disse grunnstoffene er livsnødvendige, sammen i vann og hver for seg.
Uten vann, intet medium for livets kjemi. Uten oksygen, ingen forbrenning og energi i kroppen.
Og hva så med hydrogen? Svaret er enda mer dramatisk: Uten hydrogen, intet univers slik vi kjenner det.
Livets byggesteiner
Hydrogen er det enkleste av alle grunnstoffer. Ett elektron rundt én kjernepartikkel.
Hydrogen er også det første av alle grunnstoffer. Hydrogenatomene kondenserte ut av kvark-gluonplasma i universets første sydende millisekunder etter det store smellet.
Da hydrogenet hadde skapt seg selv, skjedde alt fort. Det tidlige universet var som en enorm, eksploderende stjerne. En hydrogenbombe.
Hydrogenatomene ble knuget sammen til større og tyngre stoffer: helium, litium.
Dette var den første og største av mange milliarder slike eksplosjoner som ga oss stadig tyngre grunnstoff. De ble byggesteinene i universet og i livet.
Phil Bull er kosmolog ved Institutt for teoretisk astrofysikk på Universitetet i Oslo. (Foto: Kiran Joshi)
Rosa lyståke
– Mengden av disse stoffene stemmer nesten perfekt med teoriene for hvordan universet oppstod, sier Phil Bull til forskning.no.
Han er kosmolog ved Institutt for teoretisk astrofysikk på Universitetet i Oslo, men til høsten flytter han til California for å arbeide for NASA i Jet Propulsion Laboratory.
Annonse
Phil Bull blir vår reiseleder på denne ferden utover og bakover i universets historie, med hydrogen som det universelle bakteppet.
Og det er faktisk et bakteppe. Bak dette teppet er universets aller tidligste tider skjult for oss. I de første 380 000 årene var nemlig universet ugjennomsiktig.
– Universet var da som en stor, het gassky. Hadde du vært inne i gasskyen, ville den glødet mot deg fra alle kanter, som en rosa lyståke, sier Bull.
De første 380 000 årene etter det store smellet som skapte universet, var det så varmt at frie elektroner i hydrogengassen spredte lyset. Universet var ugjennomsiktig. Derfor kan vi ikke se tilbake til denne tida. (Foto: (Figur: NASA, bearbeidet av forskning.no))
Tåketeppe
Sikten ville vært tilnærmet null, som i en tett tåkesky over fjellet. I tåken blir lysbølgene spredt av små vanndråper.
Den rosa lyståka bestod ikke av vanndråper. Den bestod av elektroner, ristet løs fra de hete hydrogenkjernene. Lysbølgene ble spredt av disse elektronene.
Selv de beste teleskop glaner i blinde når astronomene skal prøve å se bakenfor dette tåketeppet.
– Vi kan bare indirekte trekke slutninger om hva som skjedde i de første 380 000 årene av universets historie, sier Bull.
Tilfeldig oppdagelse
Så lettet tåka. Universet hadde kjølnet. Elektronene fant tilbake til sine baner rundt hydrogenkjernene. Lysbølgene kunne spre seg fritt. Universet ble gjennomsiktig.
– Den første ettergløden vi kan se, er fra denne tida. Den kalles kosmisk bakgrunnsstråling, sier Bull.
Annonse
Strålingen fanges opp med radioteleskop. De er antenner, himmelvendte ører av metall. Mange har form som paraboler, svære skålantenner. Slike radioteleskop finnes over hele verden.
Denne hornformede antennen i New Jersey ble brukt av radioastronomene Robert Wilson og Arno Penzias da de ved en tilfeldighet oppdaget den kosmiske bakgrunnsstrålingen i 1964. De fikk Nobelprisen i fysikk i 1978 for oppdagelsen. Antennen ble opprinnelig bygget i 1959 for å ta imot signalene fra den aller første kommunikasjonssatellitten, ECHO I. (Foto: NASA)
Den kosmiske bakgrunnsstrålingen ble oppdaget ved en tilfeldighet i 1964. De amerikanske astronomene Arno Penzias og Robert Wilson arbeidet med å finjustere et radioteleskop i New Jersey for å unngå alle forstyrrelser.
Én forstyrrelse nektet å forsvinne. Astronomene skrubbet vekk dueskitt fra antennen og forsøkte alle andre knep, men til liten nytte. En fjern, forstyrrende fresing fortsatte dag og natt og fra alle retninger.
Etter hvert var ikke konklusjonen til å unngå: Penzias og Wilson hadde oppdaget en radiostråling hinsides antennen, hinsides jordas atmosfære, hinsides solsystemet, hinsides vårt melkeveisystem.
De hadde oppdaget ettergløden fra de aller første frie lysbølgene, da universet ble gjennomsiktig 380 000 år etter det store smellet. Hvorfor observerte de lyset som radiobølger og ikke som lys?
Den kosmiske bakgrunnsstrålingen er gløden fra den aller første tiden etter at universet for første gang kjølnet og ble gjennomsiktig, 380 000 år etter det store smellet som skapte universet. (Foto: (Figur: NASA, bearbeidet av forskning.no))
Båten og bølgene
Universet utvider seg. Den fjerne bakgrunnsstrålingen beveger seg vekk fra oss. Derfor blir bølgene lengre. Dette kalles dopplereffekten.
– Dopplereffekten har forskjøvet lysbølgene helt ned i radiobølgeområdet, sier Bull.
Dopplereffekten kan du oppleve i en småbåt. Hvis du ligger for anker, vil bølgene gynge med en rytme. Hvis du seiler vekk fra bølgene, vil det virke som om de duver langsommere rundt båten.
Romskipet jorda seiler altså vekk fra lysbølgene fra universets tidligste tider. Derfor duver lysbølgene langsommere, som radiobølger.
Annonse
Merkelig paradoks
Bakgrunnsstrålingen har to tilsynelatende motstridende egenskaper. Begge forteller en viktig historie.
For det første: Strålingen kommer tilnærmet like sterkt fra alle kanter. Er det så rart? Det hele startet jo som en eneste stor ball av gass.
Jo, det er rart, på grunn av et merkelig paradoks. Astronomene kaller det horisontproblemet. Det kan forklares slik:
Universet har utvidet seg og har blitt enormt. Det universet vi kan se, er rundt 91 milliarder lysår i diameter. Kanskje er det enda mye, mye større.
Universet er tilnærmet likt i alle retninger, men bare nesten. De små variasjonene ble fortetninger som trakk seg sammen til de første stjernene og galaksene. Dnne figuren viser den kosmiske bakgrunnstrålingen. Det er resultatet av sju års datainnsamling med romobservatoriet WMAP. (Foto: (Figur: NASA))
Horisontproblemet
Ut av rom og tid trer så paradokset fram: Universet er bare 13,7 milliarder år gammelt. Det betyr at lyset fra den ene enden av universet aldri vil kunne nå fram til den andre.
Hva verre er: Intet kan reise raskere enn lyset. Det betyr at den ene siden av universet aldri kan få vite noe om den andre.
Så hvordan kan bakgrunnsstrålingen fra stikk motsatte sider av universet være tilnærmet helt lik? Likheten tyder på at de har hatt kontakt med hverandre.
Men kontakt er altså umulig. Universet kan ikke se noe bortenfor tidshorisonten av sin egen alder – maksimalt 13,7 av minimum 91 milliarder lysår. Derfor navnet horisontproblemet.
Noe oppstår av ingenting
Så til den andre og tilsynelatende motsatte egenskapen ved den kosmiske bakgrunnsstrålingen: Den er altså tilnærmet lik fra alle kanter, men bare tilnærmet. Det er ørsmå ujevnheter.
Annonse
Disse ujevnhetene er likevel enormt viktige. Ut fra dem vokste nemlig melkeveisystemene eller galaksene, stjernesvermene med støvskyer som ble til planeter. Hvordan oppstod ujevnhetene?
– Hele universet, selv der det er tomt, syder av aktivitet. Ørsmå partikler oppstår av ingenting og går til grunne igjen hele tiden. Det kalles kvantefluktuasjoner, forklarer Bull.
Brøkdels sekunder etter det store smellet sydet det også av slike kvantefluktuasjoner. Universet utvidet seg voldsomt. Fluktuasjonene – variasjonene – skapte fortetninger i skyen av gass og støv.
Uten disse fortetningene, ingen galakser, ingen stjerner, ingen planeter. Uten fortetningene ville universet trolig fortsatt bare vært en kald hydrogensky.
De første fortetningene i ur-hydrogenskyen kan skyldes partikler som oppstod av ingenting og gikk til grunne igjen i universets første millisekunder, det som kalles kvantefluktuasjoner. Disse fluktuasjonene ble voldsomt forstørret opp da universet eksploderte ut av ingenting i det store smellet. De dannet derfor fortetninger i den første kalde hydrogenskyen. Disse fortetningene trakk seg etterhvert sammen, og ble til de første stjernene, og etterhvert også vårt solsystem med planetene, slik denne illustrasjonen viser. (Foto: (Illustrasjon: NASA))
Universets sløveste fjernradio
Men dette tok tid. De første 400 millioner årene skjedde det lite. Fortetningene var bare ørlite tettere enn gassen omkring. Universet var ennå bare en sky av kald hydrogengass, nesten helt jevn. Den kalde gassen glødet ikke. Den var mørk.
Det vil si – helt mørk var den ikke. De kalde hydrogenatomene langt der ute i mørket sendte fra seg et radiosignal, slik de fortsatt gjør.
Det er ikke akkurat nærradio, dette radiosignalet. Sendeskjemaet er ganske tynt. Hvert kalde hydrogenatom sender ut en liten radiopuls hvert ti millionte år.
– Likevel er det mange nok kalde hydrogenatomer i universet til at vi kan fange opp et sammenhengende radiosignal, sier Phil Bull.
Radio Hydrogen – 21 centimeter på skalaen
Signalet er ganske ensformig. Det består bare av én tone. Det er selvfølgelig ikke en tone vi kan høre uten videre, for radiobølger har mer til felles med lys enn med lyd. De er elektromagnetiske stråler.
Likevel kan lydbølger hjelpe oss å forstå radiobølger. En ren lydtone, for eksempel en enstrøken A, har en bestemt tonehøyde og dermed bølgelengde. Det har også radiosignalet fra hydrogen. Nærmere bestemt 21 centimeter.
– Kaldt hydrogen er sporingsstoffet vårt. Bølgelengden på 21 centimeter er linjen som leder oss gjennom universets historie, sier Phil Bull.
Universet var en kald hydrogensky. Radiobølgene fra denne skyen er så forskjøvet mot lengre bølgelengder at jordas atmosfære stanser dem. Derfor kalles denne tida for de mørke tidsaldrene. (Foto: (Figur: NASA, bearbeidet av forskning.no))
Radioteleskop på baksiden av månen
Likevel leder ikke linjen helt tilbake til de første tidene etter at hydrogenet ble kaldt og universet ble gjennomsiktig. Disse første kalde tidene er et lukket kapittel i universets historiebok. Derfor kalles de for de mørke tidsaldrene.
– Radiobølgene på 21 centimeter fra denne tida er kraftig forlenget av dopplereffekten. De har en lengde på rundt 70 meter. Ved disse bølgelengdene er lufthavet rundt jorda ugjennomsiktig, forklarer Bull.
– Vi må ha radioteleskop på satellitter for å se denne strålingen. Ett forslag fra NASA er å sende et slikt radioteleskop i bane rundt månen, fortsetter han.
Fra baksiden av månen vil Dark Ages Radio Explorer (DARE) kunne se spor av hydrogen i de mørke tidsaldrene, uforstyrret av radiostøy fra jorda.
De første stjernene tennes
De mørke tidsaldrene tok slutt da universet gikk svangert med de første stjernene. Etter 400 millioner år begynte tyngdekraften å virke på de ørsmå fortetningene i gasskyen. Jo tettere de var, desto kraftigere tyngdekraft.
Tyngdekraften fra fortetningene fikk et ørlite overtak. Den trakk til seg gassen omkring. Fortetningene vokste og tyngdekraften vokste, i et selvforsterkende sug.
Trykket inne i fortetningene vokste, helt til atomene ble knuget sammen i nye kjernereaksjoner i et lysglimt. De mørke tidsaldrene var slutt. De første stjernene var født. Og for noen stjerner!
– De var enorme, kjernefysiske masovner, sier Bull. – Samtidig med disse første, blåhvite kjempestjernene vokste de første galaksene fram, med sine sydende kjerner.
Her var også gigantiske svarte hull, omgitt av gasskyer. Gasskyene ble sugd inn i det svarte hullet med nær lysets hastighet. Den voldsomme akselerasjonen fikk gassen til å stråle intenst i ultrafiolett, røntgen, gammastråling.
Illustrasjon av et svart hull med masse to milliarder ganger solens som trekker til seg hydrogengass med en slik fart at den begynner å gløde. Denne kvasaren, ULAS J1120 0641, er blant de fjerneste objektene vi kan observere. Vi ser den slik den var bare 770 millioner år etter det store smellet, for 13 milliarder år siden. Så lang tid har lyset brukt på å nå fram til oss. (Foto: (Illustrasjon: ESO/M. Kornmesser, Creative Commons.))
Ugjennomsiktig på nytt
Rundt disse blendende strålingskildene ble den kalde hydrogengassen varmet opp. Dermed ble elektronene igjen ristet løs fra sine baner rundt de positivt ladede kjernene. Gassen ble enda en gang elektrisk ladet, ionisert, som i de første tidene.
– Derfor kalles dette for reioniseringsepoken. Heller ikke denne tida kan vi ennå observere strålingen fra, sier Bull.
De frie elektronene spredte nemlig lyset, også som i de første tidene. Universet ble ugjennomsiktig nok en gang, men bare delvis. Det burde være mulig å se noe fra denne epoken. Men lett er det ikke.
Ujevnheter i den kalde hydrogentåken trekker seg sammen og blir til de første hete stjernene. Gassen lades elektrisk, ioniseres, på nytt av heten. Derfor kalles dette tidsrommet for reioniseringsepoken. Universet blir igjen delvis ugjennomsiktig. (Foto: (Figur: NASA, bearbeidet av forskning.no))
Square Kilometre Array
Derfor er vi fortsatt i de lukkede kapitlene av universets historie. Likevel, nå er vi nærmere vår egen tid. Dopplereffekten virker ikke like sterkt. Radiobølgene er ikke så kraftig forlenget. De slipper ned gjennom jordas atmosfære, ned til radioteleskopene.
Ett av de eldre radioteleskopene er Jodrell Bank Observatory. Det ligger på den engelske landsbygda, nær Manchester. Her står blant annet Lovell Telescope. Det ble bygget i 1955, men den 76,2 meter brede skålantennen er fortsatt i bruk.
– Radioteleskop blir ikke så fort utdaterte som vanlige teleskop, sier Bull. Han vokste opp nær Manchester, og gjorde masteroppgaven sin ved Jodrell Bank.
Skålantennen på Jodrell Bank Observatory er kanskje ikke utdatert, men den er ikke følsom nok til å fange opp signalene fra reioniseringsepoken. Likevel er det på Jodrell Bank at astronomene planlegger hvordan de skal klare det.
Her ligger nemlig også hovedkvarteret for det som skal bli neste generasjons radioobservatorium – for neste generasjon radioastronomer: Square Kilometre Array. Phil Bull deltar i planleggingen.
En skog av parabolantenner i halvørkenen Karoo i Sør-Afrika utgjør deler av kjempeteleskopet Square Kilometre Array. Når det står ferdig i 2024, vil det bli 50 ganger mer følsomt og 10 000 ganger raskere enn dagens radioteleskoper. (Foto: (Illustrasjon: SKA Organisation/Swinburne Astronomy Productions))
Mørke bobler
I 2024 skal de mange tusen antennene til Square Kilometre Array i Sør-Afrika lytte mot det enstonige signalet med 21 centimeters bølgelengde fra universets hydrogen.
Bull og kollegene hans håper at Square Kilometer Array skal gi dem et gløtt av innsikt i den voldsomme epoken med de første stjernene.
Det de håper å se, er ikke bare strålingen i seg selv. Tvert imot. Det er – merkelig nok – et slags fotografisk negativ, mørke bobler rundt kjempestjernene, galaksene og kvasarene i reioniseringsepoken.
– Når hydrogenet blir elektrisk ladet, ionisert, av varmen fra for eksempel kjempestjernene, slutter det å sende ut radiobølger ved 21 centimeter, forklarer Bull. – Rundt lyskildene vil det derfor være slike mørke bobler av manglende radiostråling.
Kartlegger kaldt hydrogen
Så – en milliard år etter det store smellet – ble mesteparten av den ioniserte gassen sugd opp av galaksene og stjernesvermene i dem. Sløret letnet.
Universets historiebok blir tydelig lesbar. Universet har blitt gjennomsiktig for godt. Selv lyset fra de fjerneste galaksene vi ser med de største teleskopene, er fra disse siste 12,8 milliardene av universets 13,8 milliarder år.
Universet blir gjennomsiktig for godt. Hele det synlige universet som vi nå kan se, til og med de fjerneste galakser eller melkeveisystemer, er fra denne perioden. (Foto: (Figur: NASA, bearbeidet av forskning.no))
– Square Kilometre Array blir ett av de kraftigste verktøyene for å kartlegge kaldt hydrogen i universet, sier Bull.
Med Square Kilometre Array og andre radioteleskop på jorda og i verdensrommet vil astronomene kunne lage tidenes mest detaljerte kart over kaldt hydrogen.
Kartlegging i rom og tid
Dette kartet vil ikke bare være som et flatt kart. Kartet vil strekke seg utover i de store dyp av verdensrommet. Jo fjernere unna det kalde hydrogenet er, desto fortere fjerner det seg fra oss, og desto mer er radiosignalet på 21 centimeter forskjøvet av dopplereffekten.
Universet utvider seg. Hvorfor farer de fjerneste delene av universet fortest vekk fra oss? Tenk på universet som en bolledeig til heving. Vi sitter på rosinen til venstre. Naborosinen ovenfor flytter seg ikke så langt unna når deigen heves. Rosinen til høyre i andre enden av deigen, altså universet, har fjernet seg mye mer. Den beveger seg fortest fra oss. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
– Astronomene ser etter denne kraftige toppen i radiosignalet. Når de har funnet den, kan de måle bølgelengden. Jo lengre bølgen er enn 21 centimeter, desto fjernere er hydrogenet i rommet. Dette blir som en avstandsmåler, sier Bull.
Problemet er at kartet ikke bare går i dybden av rommet. Det går også i dybden av tiden. Jo fjernere og mer forlenget radiosignalet fra hydrogenet er, desto eldre er det også.
– Vi ser et slags tverrsnitt av universet bakover til forskjellige tider jo lengre ut vi kommer, sier Bull. Dette legger begrensninger på hvordan astronomene kan tolke det de ser. Likevel kan slike data føre oss nærmere svar på mange uløste gåter.
Mørk materie og endret tyngdekraft
Når vi ser fordelingen av kaldt hydrogen, ser vi samtidig fordelingen av mørk materie. Den består mest sannsynlig av tunge partikler.
– Tyngdekraften har virket likt på hydrogen og mørk materie. De har samlet seg på samme måte i galaksene. Når du kartlegger hydrogen, kartlegger du også mørk materie, sier Bull.
Med denne kunnskapen kan det bli mulig å finne ut om tyngdekraften har vært den samme siden universets første tider, eller om den har forandret seg.
– Hvis tyngdekraften har endret seg, kan også andre naturkrefter ha endret seg med tida, sier Bull.
Bro over de mørke tidsaldrene
Når det kalde hydrogenet er bedre kartlagt både i tid og rom, vil astronomene kanskje også klare å spenne en teoretisk bro fra reioniseringsepoken over de mørke tidsaldrene.
Broen vil lede helt tilbake til bakgrunnsstrålingen 380 000 år etter det store smellet, da universet første gang ble gjennomsiktig.
Dermed vil universets historiebok åpne nye og viktige kapitler for astronomene.
