Hvilken farge hadde big bang? Begrepet «farge» er psykologisk. Den fargen hjernen oppfatter, er avhengig av fordelingen av hvor mye rødt, grønt og blått lys som treffer netthinnen. Den lysende stjernen på bildet er Eta Carinae (Foto: Peter Laursen via det danske 1,54-meter teleskopet).
Hvilken farge hadde big bang? Begrepet «farge» er psykologisk. Den fargen hjernen oppfatter, er avhengig av fordelingen av hvor mye rødt, grønt og blått lys som treffer netthinnen. Den lysende stjernen på bildet er Eta Carinae (Foto: Peter Laursen via det danske 1,54-meter teleskopet).

Big Bang:
Dette ville du opplevd hvis du hadde vært der da universet ble til

FORSKEREN FORTELLER: Selve universets opphav er vanskelig å fatte. Men vitenskapen lar oss likevel gjøre et mer enn hederlig forsøk.

Publisert

En gang for nesten 14 milliarder år siden skjedde det noe fantastisk:

Universet oppsto, med alt det det inneholder av materie, stråling, eksotiske partikler og kanskje til og med mer abstrakte begreper som tid og fysiske lover.

Ved å studere hvordan universet har utviklet seg, kan vi «regne baklengs» og danne oss et bilde av forholdene en milliard år etter, tusen år etter, en dag, et sekund eller et nanosekund etter big bang.

Jo lenger tilbake i tid, desto mer ekstreme var forholdene, og desto raskere utviklet universet seg.

Én ting er hvordan ligninger beskriver temperaturen eller hvordan nye partikler oppstår. Men hvordan ville det være hvis man faktisk var til stede?

Hva ville man oppleve?

Sightseeing med Alice

Én ting er sikkert:

For at det skal være trivelig for observatøren vår – la oss kalle henne Alice, siden jeg nettopp nå sitter og hører på «Alice» av Tom Waits, og siden det er et populært navn for ofre for tankeeksperimenter – må vi utstyre henne med en Magisk Romdrakt™, som tåler ekstreme verdier av varme, trykk, tetthet, stråling og strekk. Og et par solbriller, for fram til universet ble en million år gammelt, var det blendende lyst.

Men først må vi ha et par ting på plass.

Hvordan vet vi hva som skjedde?

Fordi lys ikke beveger seg uendelig raskt, ser vi alle ting som de så ut i fortiden.

Når du sjekker telefonen din, ser du et nanosekund tilbake i tid, fordi det er så lang tid lyset bruker på å reise 30 centimeter. Når du ser på månen, ser du et sekund tilbake i tid, fordi månen ligger 400 000 kilometer unna.

Og når du betrakter en galakse som ligger en milliard lysår unna, ser du en milliard år tilbake i tid.

Dermed kan vi se hvordan universet har utviklet seg (nesten) siden det ble skapt. Nesten, fordi de første 380 000 årene etter big bang var ganske «tåkete», slik at lys ikke egentlig kunne bevege seg gjennom rommet.

Men vi kan likevel regne ut hvordan det var. Vi kan nemlig måle gjennomsnittsverdiene for tetthet, temperatur og andre fysiske størrelser for universet. Ved å måle galaksenes hastigheter, kan vi se at universet utvider seg. Hvis vi regner «baklengs», kan vi beregne de fysiske forholdene i tidligere epoker.

Helt tilbake til mindre enn et sekund etter big bang har vi faktisk ganske god kontroll på hva som skjedde.

Det har vi fordi vi ikke bare kan regne, men også gjennomføre eksperimenter i enorme partikkelakseleratorer som for eksempel CERN, gjenskape de forholdene som var den gangen og på den måten sjekke at vi ikke har kommet galt på vei.

Men den aller første brøkdelen av en brøkdel av et sekund – den såkalte «Planck-epoken» – vet vi faktisk ingenting om; her var forholdene rett og slett så ekstreme at de fysiske lovene bryter sammen. Kanskje gir det ikke engang mening å snakke om tid og rom enda.

Hvor stort er universet?

Uendelig. Kanskje …

Vi vet ikke hvor stort universet er. Vi kan bare se den delen der lyset har hatt tid til å nå oss. Det kaller vi «det observerbare universet», og fordi universet er 13,8 milliarder år gammelt, skulle man kanskje tro at vi kan se 13,8 milliarder lysår i alle retninger.

Men fordi det utvider seg, er det noe større, faktisk vel 46 milliarder lysår i radius. Vi regner med – men er ikke sikre på – at universet utenfor vår lille boble fortsetter i det uendelige.

Hvis det er sant, så ble det «født» uendelig stort. Selv om det faktisk gir fysisk mening å snakke om at noe uendelig kan vokse eller krympe, er det vanskelig å visualisere, så normalt snakker vi i stedet om hvor stort det observerbare universet er.

Men uansett universets størrelse var ikke big bang en «eksplosjon» i den forstand at en tett klump materie begynte å spre ut seg gjennom rommet. Det var selve rommet (og kanskje tiden) som oppsto og senere utvidet seg.

Så nå kan vi komme i gang.

Inflasjon i mørket

Som sagt vet vi ikke noe om det aller første øyeblikket. Vi vet imidlertid at alt var ekstremt tett, for det som senere skal bli til vårt observerbare univers, er mindre enn en atomkjerne.

Først dannes tyngdekraften og deretter den «sterke» kjernekraften. Noen eksotiske partikler kondenserer ut av denne ekstreme energitettheten, blant annet Higgs-bosonet som er ansvarlig for at det i det hele tatt finnes et begrep som heter masse, og at vi «har masse».

Men først kan ikke Alice sette pris på dette infernoet. Lyset er fortsatt ikke skapt, så for henne er alt mørkt.

Med ett begynner selve rommet å utvide seg eksponensielt raskt.

Denne epoken kalles inflasjonen, og når den er overstått, er det som senere skal bli det observerbare universet, på et øyeblikk vokst fra å være mindre enn en atomkjerne til å være 20 meter i diameter. Bare på størrelse med et hus, men relativt sett har universet på denne brøkdelen av et sekund vokst like mye som det har gjort siden den gang og nå.

Her ser vi «Eskimotåken», som er restene av en stjerne som brant ut 10 000 år siden. Fargene i denne tåken er skapt av ulike grunnstoffer, for eksempel nitrogen (rødt), hydrogen (grønt), oksygen (blått), og helium (fiolett). (Foto: NASA/ESA/STScI)
Her ser vi «Eskimotåken», som er restene av en stjerne som brant ut 10 000 år siden. Fargene i denne tåken er skapt av ulike grunnstoffer, for eksempel nitrogen (rødt), hydrogen (grønt), oksygen (blått), og helium (fiolett). (Foto: NASA/ESA/STScI)

Alt som befinner seg i rommet, må følge med. Unntatt Alices magiske romdrakt, naturligvis, og godt er det, for uten den ville hode og føtter (som på dette tidspunktet var mye større enn det observerbare universet) raskt bli revet 20 milliarder lysår fra hverandre.

Etter inflasjonen fortsetter alt med å utvide seg. I takt med utvidelsen faller temperaturen. Det er akkurat som når gassen fra en lighter føles kald (hvis den ikke tennes på): Gassen er presset sammen inne i lighteren, men når den kommer ut, utvider den seg og kjøles ned.

… og det ble lys

Under inflasjonen underkjøles universet for en kort stund fra en billion billiard grader til nesten det absolutte nullpunktet (- 273 ºC).

Men når inflasjonen er overstått, gjenoppvarmes universet til 10 trilliarder grader.

Til gjengjeld skilles det ut nye typer partikler, blant annet fotoner, det vil si lys.

Hvilken farge hadde big bang?

Fordi temperaturen er så avsindig høy, er alle partiklene veldig energirike, og de aller fleste fotonene er derfor gammastråler. Men en liten andel av lysspektrumet strekker seg over i røntgenstråler, ultrafiolett lys, og – noe som er mer interessant for Alice – synlig lys.

Hvilken farge er så det første Alice ser? Hvilken farge hadde big bang?

Begrepet «farge» er et psykologisk begrep. Den fargen hjernen oppfatter, er avhengig av fordelingen av lys i de tre bølgelengdeområdene som netthinnens «tapper» sanser, nemlig rød, grønn og blå.

Hvis noe lyser fordi det er varmt, kan man regne ut spektrumet og deretter beregne fargen i rød, grønn og blå. Alice er ikke så varm selv, så hun lyser mest med det energisvake infrarøde lyset, og den lille andelen som ligger i rød, grønn og blå, er et normalt øye ikke sensitivt nok til å oppfatte.

Fargen av den varme kvark-gluon-plasmasuppen, som er det første Alice ser. (Illustrasjon: Peter Laursen)
Fargen av den varme kvark-gluon-plasmasuppen, som er det første Alice ser. (Illustrasjon: Peter Laursen)

Et stykke glødende jern sender ut mest lys i det røde området. Hvis det blir veldig varmt, lyser det om lag like mye i både rødt, grønt og blått, og det oppfatter hjernen som «hvitt lys».

Hvis temperaturen blir høy nok, går fargen over i det blålige, og når temperaturen går mot uendelig, går fargen mot en safirblå nyanse.

Det Alice ser rundt seg, er altså denne varme kvark-gluon-plasma-suppen:

Alices romdrakt er selvfølgelig utstyrt med en elektronisk fargemåler, og hun måler universets fargemetning til å være 63 prosent, 71 prosent og 100 prosent i henholdsvis rød, grønn og blå.

Eller, det vil si, det ville hun ha gjort hvis måleren virket, men universet er fortsatt bare 1/100 milliarddel av et trilliarddel sekund gammelt, og elektrisitet finnes ikke enda.

Alice må vente et helt picosekund, altså 0,000000000001 sekund, før den elektromagnetiske kraften dannes. (Det høres ikke så mye ut, men er imidlertid 100 trillioner ganger så lenge enn hun hittil har ventet).

Alice legger på seg

Samtidig med elektromagnetismen dannes den «svake» kjernekraften, så sammen med tyngdekraften og den «sterke» kjernekraften er alle Universets fire krefter nå på plass. De eksisterte på en måte også før, men var da samlet i en slags forent kraft.

Med disse nye kreftene kan partikler vekselvirke med Higgs-bosonet og får derfor masse. Alice begynner dermed å veie noe, men siden forskrudde moteidealer først oppstår om 13,8 milliarder år, tar hun det med ro.

Klumper i suppen

Omgivelsene til Alice er litt kjedelige; allting er helt jevn fordelt, så uansett hvor hun ser hen, ser hun det samme.

Og likevel … Bitte små ujevnheter blir skapt av det kvantemekaniske «ubestemthetsprinsippet», som sier at det er en fundamental nedre grense for hvor presist det gir mening å snakke om hvor noe befinner seg.

Universets farge fra big bang til i dag: Universets temperatur følger alderen, og de første 200 millionene år følger universets farge temperaturen; deretter begynner lys fra stjerner å dominere fargene, og det blir mer komplisert. (Figur: Peter Laursen)
Universets farge fra big bang til i dag: Universets temperatur følger alderen, og de første 200 millionene år følger universets farge temperaturen; deretter begynner lys fra stjerner å dominere fargene, og det blir mer komplisert. (Figur: Peter Laursen)

Kvantemekanikk beskriver prosesser på ganske små skalaer, atomer og enda mindre. Men på grunn av den ekstreme utvidelsen blåses de små ujevnhetene opp til makroskopiske (det vil si betydelige) størrelser.

Og godt er det! Hadde allting virkelig vært helt jevn fordelt, ville det forblitt slik. Men nokså små klumper veier littegrann mer enn omgivelsene og kan derfor trekke litt mer stoff til seg og på den måten vokse seg større og til slutt danne den strukturen i universet som blir til galakser, stjerner, planeter og til syvende og sist oss.

Mørk materie redder dagen

Men rekker materien å klumpe seg nok sammen før utvidelsen trekker for det langt fra hverandre? (Spoiler alert: Ja, for ellers ville du ikke eksistert).

Men den materien Alice kan se, ville ikke vært nok. For hvert gram vanlig materie finnes det derimot om lag fem gram av et usynlig stoff – såkalt mørk materie – som hjelper med å få universet til å klumpe seg sammen.

Strukturdannelse: De tre første bildene er fra en datasimulering av tyngdekraftens innvirkning på materien, som viser hvordan universets struktur (altså galakser og galaksehoper) dannes. Det siste bildet er fra Hubble-teleskopets Ultra Deep Field-opptak (Foto: NASA/ESA), og viser et par tusen galakser (og én stjerne i vår egen galakse, nederst i høyre hjørne).
Strukturdannelse: De tre første bildene er fra en datasimulering av tyngdekraftens innvirkning på materien, som viser hvordan universets struktur (altså galakser og galaksehoper) dannes. Det siste bildet er fra Hubble-teleskopets Ultra Deep Field-opptak (Foto: NASA/ESA), og viser et par tusen galakser (og én stjerne i vår egen galakse, nederst i høyre hjørne).

Universet er nå kjølt ned til 10 billiarder grader og er på størrelse med jordens bane rundt solen. Den klumpen som en dag blir til Melkeveien, er 100 kilometer i radius, som svarer til avstanden fra Oslo til Tønsberg.

Universet bremser opp

Universet fortsetter med å utvide seg, på grunn av den farten det fikk av inflasjonen, men bremses langsomt opp.

Etter et nanosekund er utvidelsen imidlertid fortsatt så rask at alt som ligger lenger vekk fra Alice enn en meter, fjerner seg fra henne raskere enn lysets hastighet. Et mikrosekund senere er det kaldt nok til at kvarkene har dannet nøytroner og protoner.

Universet er nå på størrelse med solsystemet, men tettheten av materie og stråling er fortsatt 1000 ganger høyere enn en nøytronstjerne, det mest kompakte som finnes nå til dags.

Partiklenes onde tvillinger

Ikke bare partikler, men også såkalte antipartikler blir nå skapt.

Antipartikler er som partiklenes onde tvillinger, og hvis en partikkel møter sin antipartikkel, opphører begge med å eksistere, og nye partikler skapes. Noen av disse nye partiklene er fotoner, altså lys.

Av en eller annen grunn, som vi fortsatt ikke forstår, var det, for hver 10 milliarder antipartikler, 10 milliarder og én partikkel (rundt regnet).

Når det er ett sekund gammelt, har universet vokst til 10 lysår i radius, og alle antiprotonene annihilere med protonene (tilintetgjør hverandre), antinøytronene med nøytronene, og så videre.

Varmt og lyst, med risiko for tåke

Etter 10 sekunder kommer turen til elektroner og antielektroner. Universet er nå kjølt ned til et par milliarder grader, men da 99.99999999 prosent av alle partikler gjøres om til rent lys, blusser universet plutselig opp i et blendende lys.

I begynnelsen av dette partikkel-eter-partikkel-infernoet er tettheten så høy at Alice bokstavelig talt ikke kan se hånden foran seg; lyset fanges hele tiden opp av elektronene.

Men når plutselig mesteparten av elektronene forsvinner ut i det blå, stiger sikten til … 20 meter. Ikke imponerende, men det gjør nå ikke så mye, for bak det tåkete sløret er det bare mer av det samme.

En ny epoke begynner

Etter et par minutter er temperaturen falt til under en milliard grader, og en viktig epoke i universets historie setter inn – nukleosyntesen.

Nå er det kaldt nok til at protoner – som er det samme som grunnstoffet hydrogen – kan smelte sammen og danne tyngre grunnstoffer.

Gleden er imidlertid kortvarig: Utvidelsen får hele tiden tettheten til å falle; når det er ett kvarter gammelt, er universets tetthet omtrent som vann (men på grunn av det ekstreme strålingsfeltet er trykket 300 milliarder atmosfærer), så nukleosyntesen stopper.

Det eneste som har blitt dannet, er en masse helium og bitte litt litium. Alle tyngre atomer dannes først hundre av millioner av år senere i stjerner og stjerneeksplosjoner. Alice prøver å putte litt helium i ballongen sin, men siden det meste rundt henne er hydrogen, som er lettere enn helium, er det ikke så moro.

Snipp, snapp, snute – big bang er ute

Og det var egentlig det. Et kvarters tid tok det. Fra nå av skjer det ikke så mye på noen tusen år.

Etter 50 000 år har temperaturen falt til rundt 10 000 grader, og universet har skiftet farge til hvitglødende. Alle atomer er fortsatt ionisert, det vil si delt i atomkjerner og elektroner, og de frie elektronene gjør fortsatt universet tåkelagt.

Hver gang et nøytralt atom dannes, rives elektronet straks løs av et høyenergetisk foton.

Men etter 380 000 år har temperaturen falt til 3000 grader. Universet har nå fått en fin oransjerød farge og er nå kaldt nok til at hydrogenatomene kan holde seg nøytrale.

Dermed løftes det tåkete elektronsløret, og lyset slipper fri.

Ettergløden av big bang

Universet er nå en million lysår i diameter, og lyset kan bevege seg fritt gjennom hele universet. Og det har det så gjort siden den gang.

De klumpene som Alice så kimen til, har vokst seg større, men er fortsatt veldig små; forskjellene i tetthet er bare på en hundretusendel. Men det er nok til at den strålingen som slipper fri, ikke har akkurat samme bølgelengde overalt.

Og dette lyset – den lett ujevne ettergløden av big bang, kjent som «den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen» – er nå det fjerneste vi kan se.

Mye av det vi vet om big bang og om universet generelt, har vi lært ved å studere dette lyset.

Alice kan nå legge vekk romdrakt og solbriller.

Har du i mellomtiden mistet overblikket over tid og rom, vil jeg anbefale denne interaktive grafikken som redaktør hos ScienceNordic, Catherine Jex, har stått for.

Problemer med å se den interaktive grafikken? Prøv å rotere mobiltelefonen.

I forbindelse med denne artikkelen har jeg skrevet et program som kalles timeline, som beregner universets egenskaper (størrelse, temperatur, farge, utvidelseshastighet, og så videre) ved ulike tidspunkt. Programmet er skrevet i språket Python, og resultatet kan du se her. Jeg har brukt kildene nevnt under til artikkelen og tidslinjen – de er ordnet etter stigende vanskelighetsgrad.

Les denne artikkelen på engelsk ScienceNordic.

Referanser

Interaktiv grafikk over universets farge fra big bang til i dag

Tidslinje over universets fargeutvikling (GitHub)

M. Riordan og W.A. Zajc: «The First Few Microseconds», Scientific American, 2006, 294, 34 Sammendrag

M.S. Turner: «The Origin Of The Universe», Scientific American, 2009, 301, 36 Sammendrag

C. Andersen mfl: «How Bright Was the big bang?», 2018, arXiv:1801.03278v2 [physics.pop-ph]

A.R. Liddle: «The Early Universe», From Quantum Fluctuations to Cosmological Structures, 1997, 126, 31

C. Sivaram mfl: «Some Enigmatic Aspects of the Early Universe», Astrophysics and Space Science, 2011, 334, 225

C. Sivaram: «Evolution of the Universe through the Planck Epoch», Astrophysics and Space Science, 1986, 125, 189 Sammendrag

S. Burles mfl: «Big-Bang Nucleosynthesis: Linking Inner Space and Outer Space», 1999, arkiv: 9903300

S. Weinberg: « The first three minutes : a modern view of the origin of the universe», New York : Basic Books, 1993. Updated ed. Sammendrag

E.W. Kolb og M.S. Turner: «The Early Universe», Frontiers of Physics, 1990, vol. 69 Sammendrag

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.