For om lag 14 milliarder år siden endret universet vårt seg fra å være veldig varmt og ekstremt fortettet til å utvide seg kraftig.

I dag kjenner vi prosessen som Big Bang; teorien om universets opprinnelse.

Big Bang er kanskje en abstrakt størrelse for de fleste, og det er fortsatt også uklart for forskerne hva som skjedde i de aller første sekundene av universets fødsel.

Men nå er en stor internasjonal forskergruppe klare med en studie som kan gi oss litt mer kunnskap om hvordan det så ut da alt sammen begynte.

I studien gir forskerne, som går under navnet ALICE-sammarbeidet, det hittil beste bildet av hvordan urstoffet kvark-gluon-plasma – den første materien som noen gang har eksistert – oppfører seg. Det kan gi oss mer kunnskap om hva som skjedde i det første mikrosekundet (0,000001 sekund) etter Big Bang.

– Vi har utviklet en metode til å undersøke hvordan plasmaets form endrer seg i et veldig tidlig stadium. Metoden gir oss det mest detaljerte bildet av plasmaet til nå, forteller You Zhou, førsteamanuensis i subatomær fysikk ved Niels Bohr Institutet og en av forskerne som står bak den nye studien.

Klikk «engage» i grafikken for å se hvordan universet så ut – og hvor varmt, tett og stort det var – i tiden etter Big Bang:

Problemer med å se den interaktive grafikken? Prøv å rotere mobiltelefonen eller klikk her for å få vist grafikken i et nytt nettleservindu.

Vi kommer fra kvark-gluon-plasmaet, alle sammen

På en måte kan man si at vi alle kommer fra kvark-gluon-plasmaet. Kvark-gluon-plasmaet går var den første materien – før de såkalte hadronpartiklene, som kan danne protoner som er en del av atomkjerner (se faktaboksen lenger nede).

Teorien om kvark-gluon-plasmaet vant fram på 1970-tallet og -80-tallet før urstoffet endelig ble oppdaget ved CERN – Den europeiske organisasjonen for høyenergifysikk i Genève – i 2000.

Senere har fysikere arbeidet for å bli bedre kjent med stoffet siden en forståelse av det er en av nøklene til å forstå hva som skjedde med det tidlige universet, før byggesteinene til alt annet oppsto.

Den nye studien bekrefter først og fremst at plasmaet ser ut til å være flytende, glatt og bløtt, med en struktur som minner om vann – en hypotese som oppsto for litt over 15 år siden.

– For mange år siden trodde forskere at kvark-gluon-plasma var en form for gass. Studien vår bekrefter at det var en væske, forteller You Zhou, som har forsket på kvark-gluon-plasma på 14 år og har vært dypt fascinert av det siden han for første gang i 2005 hørte at det kunne være flytende:

– Jeg husker at jeg leste om plasmaet i Scientific American da jeg var student, og jeg tenkte at det var merkelig at det første stoffet i verden var flytende. Det ga rett og slett ingen mening. I hodet mitt burde det ha vært en gass eller en form for stein som kolliderte og satte fart i universets utvikling.

Et helt unikt stoff

At kvark-gluon-plasmaet er fascinerende, kan Mads Toudal Frandsen, førsteamanuensis i partikkelfysikk ved Syddansk Universitet, skrive under på.

– Plasmaet er så vidt vi vet det stoffet som, under visse omstendigheter, kommer nærmest å være en perfekt væske, forklarer han.

Det er en væske uten viskositet, som er målet for en væskes evne til å flyte. Det betyr at en perfekt væske kan strømme i en evighet uten å oppleve noen form for motstand. Andre væsker, som vann eller olje, «kleber» seg for eksempel til omgivelsene.

– Forestill deg at du ville kunne skøyte over helt perfekt is i en evighet uten motstand. Det er slik perfekt væske oppfører seg. Den vil fortsette å strømme i en evighet, utdyper Frandsen.

Skapte kvark-gluon-plasma i CERN

Forskerne kan også se at plasmaet utvikler seg fra væskestadium til å bli en gass når partiklene blir hadroner.

I dag finnes dette plasmaet sannsynligvis bare finnes i midten av nøytronstjerner, så forskerne har brukt CERNs partikkelakselerator for å undersøke det nærmere.

I Large Hadron Collider, som er verdens største partikkelakselerator, lot forskerne hadroner kollidere mens de beveget seg nesten like raskt som lyset. Sammenstøtet skapte en så høy varme at hadronene i et veldig kort tidsrom ble til kvark-gluon-plasma.

Siden plasmaet bare «overlever» i en brøkdel av et sekund, helt presist 10^–23 sekunder før det utvikler seg til hadroner igjen, rakk ikke forskerne å undersøke den i et eksperiment.

Men på grunn av forsøket i partikkelakseleratoren har de fått nye data om hva som skjer når plasmaet utvikler seg til hadroner og omvendt. Dataene kan de legge inn i en algoritme som gir dem muligheter for å analysere enda mer av sammenhengen mellom de to.

– Og vi har fått ny informasjon om hvordan plasmaets viskositet endrer seg i ulike stadier. Litt som honning, som er veldig mykt og flytende når det er varmt, og er mer tykt og hardt når den kommer fra kjøleskapet, forklarer You Zhou.

Det første mikrosekundet etter Big Bang

Overgangen fra kvark-gluon-plasma til hadroner er interessant fordi vi vet at den samme utviklingen skjedde i det første mikrosekundet etter Big Bang. Da gikk universet fra den såkalte kvark-æraen til hadron-æraen.

Derfor kan den nye kunnskapen gi oss mer kunnskap om det første mikrosekundet etter Big Bang.

– Plasmaet endret egenskaper da universet utvidet seg og ble kaldere. Det forteller oss at temperaturen var viktig i de første sekundene av det tidlige universet. Men vi vet fortsatt ikke nøyaktig hvorfor plasmaet endret seg, forklarer You Zhou.

Mads Toudal Frandsen legger til at de nye detaljene om plasmaet ikke endrer helt på forståelsen vår av tiden rett etter Big Bang.

– Vi er nede i et detaljnivå som er veldig flott og det skaper uten tvil en bedre forståelse av plasmaet. Men det er foreløpig begrenset hvor mye ny viten det gir oss om tiden like etter Big Bang, sier han.

Det skjedde så mange ting like etter Big Bang. For eksempel ble den sterke kjernekraften til, en av de fire naturkreftene (de andre tre er elektromagnetisme, svak kjernekraft og gravitasjon).

Den sterke kjernekraften er fortsatt et mysterium for oss. Den oppfører seg annerledes enn de andre, og det er bare et eksempel på at det er veldig vanskelig å forstå hvorfor ting utviklet seg som de gjorde i sekundene etter Big Bang, konstaterer Mads Toudal Frandsen.

– Det at vi forstår veldig avanserte egenskaper av plasmaet litt bedre, må betraktes som en liten brikke av puslespillet. Vi trenger flere millioner andre for å virkelig forstå hva som skjedde i sekundene etter Big Bang, utdyper Frandsen.

Flere studier i vente

De neste årene skal forskerne gjøre flere analyser av plasmaet. Allerede senere i år har de «booket tid» på Large Hadron Collider-akseleratoren til et eksperiment som vil gi dem 100 ganger mer data enn de har nå.

Forskerne har dessuten også «bare» sett på plasmaets tilstand og hvordan det har oppført seg i en liten del av Big Bangs tidligste historie – det første mikrosekundet – men de vet fortsatt ikke hvordan det oppførte seg før dette.

Det og mange flere ting vil de selvfølgelig gjerne finne ut. Men det store puslespillet tar sin tid å legge.

– Det tok oss nesten 20 år å finne ut at plasmaet var flytende før det ble til hadroner, altså universets byggeklosser. Så vi vil fortsatt studere kvark-gluon-plasma i mange år før vi har en mer presis forståelse av hvordan det har utviklet seg, og dermed hvordan universet utviklet seg i det første mikrosekundet, avslutter You Zhou.

Referanse:

ALICE Collaboration: Measurements of mixed harmonic cumulants in Pb–Pb collisions at TeV. Physics Letters B, 2021. DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136354

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no. Les originalsaken på videnskab.dk her.