Universets fødsel

Transcript  fra et program som ble sendt på Discovery Channel:

Alt vi ser rundt oss er laget av materie, atomer og molekyler En bil består av mange forskjellige materialer, som stål, gummi og glass. De materialene er igjen laget av en kombinasjon av grunnstoff, som jern, silisium, krom og karbon. Hver eneste som utgjør denne bilen ble skap av vårt voksende univers. Fysikeren Laurence Krauss studerer hvordan atomene vi ser på vår planet er blitt til.

  • Vi er faktiskdelvis stjernestøv og delvis støv fra Big Bang. (Prof. Lawrence Krauss. Case Western Reserve Universitas) De fleste atomene I kroppen er fra stjernekjerner, men noen stammer helt tilbake fra Big Bang Vi er virkelig kosmiske individer. Hvert atom ble til over milliarder av år ved evolusjonen av universet. Alle atomene i denne bilen kom fra stellareksplosjoner. Fra supernovaprosesser og stellarevolusjon. Men de ble skapt på forskjellige tider i evolusjonen. For å forstå hvordan universet lagde alt råmaterialet vi ser på jorden, må vi ta en utrolig reise gjennom tid og rom til øyeblikket universet vårt ble født.

I begynnelsen var det ingenting. Ikke noe rom, ikke noe tid. Så ble det lys. Plutselig kommer et bitte lite lysglimt til syne. Det var brennhett, og inni denne lille ildkulen var hele rommet. Dette var bokstavelig talt begynnelsen på tid. En kosmisk klokke tikket. Tid kunne flyte, og rom utvide seg.

-På de tidligste tidspunktene av Big Bang, helt tilbake til T=0, var alt vi kan se, alt materie og energi i alle galaksene, en gang oppbevart i et rom som var mindre enn ett atom i dag.

Ideen om at vårt univers en gang var bitte lite, kom fra den briljante amerikanske astronomen Edwin Hubble.  På 1920-talle trodde de fleste astronomene at alt som var synlig på nattehimmelen var stjerner, og at de var del i vår galakse, Melkeveien. Men Hubble var ikke overbevist. Han studerte en svevende lyssky, Andromeda Nebula, og viste a det var en stjerneby, en annen galakse langt utenfor vår egen galakse. Han viste at disse andre galaksene farte bor fra vår. Jo lengre bort, jo raskere så de ut til å bevege seg. Universet vokste. Og hvis universet vokste må det på et tidspunkt i fortiden ha vært mindre. Mye mindre.  Og det må ha vært en begynnelse. Ideen om Big Bang ble født.

Teorifysikeren David Spurgle er Big Bang-ekspert.

  • Big Bang-teorien handler ikke egentlig om starten på universet. (Prof David Spergel, Princeton University) Det er en teori om universets evolusjon. Ingen vet nøyaktig hva som skjedde under Big Bang. Men forskere vet at et brøkdels sekund etter universets fødsel holdt denne bitte likke ildkulen allerede på å utvide seg. Vi vet ikke hvordan universet begynte. Vi starter da universet var en milliard av en milliard av en milliard av et minutt gammelt. Nokså ungt. Universet var på størrelse med en klinkekule.

Mindre enn et trilliontrilliondels sekund etter Bing Bang var universet på størrelse med en klinkekule, veldig ustabilt. Det vokste enormt.  Under den utrolige raske utvidelsen utvidet rom seg raskere enn lysets hastighet.  På samme måte som denne varme glassballen blåser opp utvidet universet seg. I alle retninger samtidig.  Og etter hvert som det utvidet seg, kjølte det seg også ned.  Et trilliontrilliondels sekund etter Big Bang var universet like lite som en knyttneve. En brøkdel av et skund senere var universet like stort som Mars.  Et brøkdelssekund ette rdet igjen var det 80 ganger så stort som Jorden.  Et trilliondelssekund etter Big Bang utvidet fremdeles universet seg.  Men det inneholdt ikke materie. Det var ren energi. Einsteins berømte likning, E=mc2 viste at masse energi er ensbetydende. Det gav oss kunnskapen til å bygge masseødeleggelsesvåpen. Det avslørte også hvordan universet skapte det første materien.  Når en atombombe eksploderer blir en liten mengde materie tilintetgjort og konvertert til energi. I babyuniverset skjedde det motsatte. Det konverterte ren energi til materiepartikler.  Men det var et problem.  Universet lagde båe materie og erkerivalen antimaterie, og når de møttes, utslettet de hverandre.  Det begynnende universet var en krigssone. En dødskamp mellom materien og antimaterie. Utsletter de hverandre fullstendig, ville universet vært fullt av energi og uten galakser, stjerner, planeter eller liv. Heldigvis for oss var det en ubalanse mellom partiklene.  For hver 100 million antipartikler som dannet seg dannet 101 millioner materiepartikler seg.

  • Det ene partikkelen per 100 million var nok til å lage det vi ser i dag. Denne like ubalansen ga oss alt materien vi ser i universet. Galakser, stjerner, planeter, og til og med cabriolet og oss selv.

Astrofysiker Carlos Frank fra Durham University i England forklarer

  • Vi er avfall fra tilintetgjørelsen av materie og antimaterie. (Prof. Carlos Frenk, Durham University) Vi er restene fra den prosessen. Hvis ikke denne asymmetrien dannet seg ville universet sært kjedelig. Ingen strukturer, galakser, planeter. Nøyaktig hva dette nyfødte universet var har utfordret kosmologer siden Big Bang-teorien ble lagt frem. I et av verdens største laboratorium klarer de å rekonstruere forhold som nesten helt sikkert eksisterte øyeblikket etter Big Bang. Det heter Relativistic Heavy Ion Collider, RIC forkortet.  Det befinner seg på Brookhaven National Laboratory på Long Island.  Som en tidsmaskin tar den oss til et timillionsdelssekund etter Big Bang. Her akselerer vitenskapsmenn som Todd Santogata subatomiske partikler til lyshastigheten for så å krasje dem inn i hverandre.  Partiklene beveger seg i motsatt retning i dette fire km lange røret, 78000 ganger/sek, og kolliderer så i denne store detektoren.  Den er større enn et treetasjers hus. Når de treffer hverandre, produserer de en voldsom varme, akkurat som i det ekte begynnende universet.
  • Vi tror begynnelsen på universet var mange ganger så varmt som solen (Dr. Todd Satogata, Brookhavne National Laboratory) Ved sammenstøtet av kjernene smelter man og lager materie som er varmt nok til å gi oss et glimt av det tidlige universet. Når partiklene kolliderer, sprenges de og kaster ut enda mindre partikler. Det blir som å krasje to biler inn i hverandre for å se komposisjonen. Når man kjører frontene inn i hverandre mange ganger, begynner man å se ulike mønstre. Et hul her, en radiator der.  Etter kort tid skjønner man at en bil er laget av de bestemte delene.  Vitenskapsmennene ved Brookhaven oppdaget at under disse kollisjonene oppstår en helt ny form for materie som bestrider de tidligere teoriene om karakteren på det tidlige universet. Det er ikke en gass. Det er en væske Den var utrolig varm: 100 millioner ganger varmere enn soloverflaten. Det var så mye energi i det tidlige universet at partiklene vibrerte så raskt at det ikke klebet. Det var ingen friksjon, og det fløt utmerket.  Denne væsken er perfekt. Den har ikke viskositet.  Den perfekte motorolje, bortsett fra at den er tre trillioner grader varm.  Inne i RIC eksisterer denne væsken kun i et brøkdelssekund. Inni RIC eksisterer denne væsken kun i et brøkdelt sekund.  Forskerne her har rekonstruert 13 milliarder år gamle forhold.  Til tross for at universet var den perfekte væske, var det i opprør. En mengde subatomiske partikler krasjet inni hverandre og frigjorde mer og mer energi.  Det var så mye energi at med mindre partiklene roet seg ville de aldri binde seg og lage atomer, materiens byggeblokker.  Og universet ville ikke ha skapt galakser og stjerner. Eller oss.  Universet er et milliondelssekund og har vokst fra atomstørrelse til åtte ganger størrelsen på solsystemet.  Etter det utrolige opprøret i det første milliondelssekundet var universet nå relativt rolig.  Over de neste tre minuttene kjølte det voksende kosmos seg nok til å binde protoner og nøytroner og forme de første atomkjernene, hydrogen og helium.  De var foreløpig ikke ordentlige atomer.  De manglet en vital del, elektronet.  I det varme babyuniverset var det mange elektroner. Men det var så mye varme/energi at de beveget seg for fort til å binde seg. Det ville forbli slik i over 300 000 år.  380 000 år etter Big Bang var universet like stort som Melkeveien.  Det hadde kjølt seg ned fra over 5 millioner grader tilet par tusen.  Etter hvert som det kjølte seg ned, roet også elektronene seg. Universet var klart for å lage sine første ordentlige grunnstoff. En av de første vitenskapsmennene til å oppdage dette viktige øyeblikket, var Arnold Penzias.  I 1963 begynte 30 år gamle Penzias og kollegaen Robert Wilson arbeidet med en ny antenne i New Jersey.  De undersøkte egentlig kosmiske radiobølger, men kom over en av tidenes største oppdagelser.  Da de prøvde ut utstyret, oppdaget de en uforventet bakgrunnslyd.
  • Det var signaler som vi trodde kom fra himmelen (Dr. Arno Penzias, Former Chief Scientist Bell Laboratories) Vi eliminerte veldig forsiktig bakken, og selv solsystemet.  Vi gjorde undersøkelsen i forskjellige årstider, kilder laget av mennesket, utstyr … Alt dette eliminerte vi.  I desperasjon begynte de å lure på om det rare signalet kanskje hadde en mer jordiskopprinnelse.  Duer holdt til i antennen deres, og de var full av fugleskitt.  De lurte på om duene kunne være kilden til det underlige signalet.  Løsningen var enkel: Duene og skitten måtte bort.  Vi fikk omsider fjernet skittet og duene. Det var vanskelig, for de ville tilbake, så vi måtte sende dem av gårde.  Men selv uten de plagsomme duene gikk ikke det mysteriøse signalet bort.  Vi hadde som eneste løsning a denne radioaktiviteten kom fra himmelen.
  • Jeg kunne ikke gjøre rede for det.

Det underlige signalet de fanget opp vill vise seg å være en av de viktigste vitenskapelige oppdagelsene.  Men forklaringen til bakgrunnslyden starter ikke med lyd, men med begynnelsen på ls. Vi tar som regel lys for gitt.  Men i det tidlige universet for 13 milliarder år siden, så man ingenting. Lyset var fanget. Universet var tåkete. Men etter hvert som det vokste og kjølte seg ned, roet elektronene seg. Protonene tok tak i de rolige elektronene og lagde de første hydrogen- og heliumatomene. Universet var plutselig ikke fullt av så mange elektroner.  Tåken lettet, og lyset var ikke fanget lenger.  Det slet seg frem i universet og skapte på den måten en lyseksplosjon.

  • Hadde vi vært der, ville vi sett et opakt univers bli gjennomsiktig. Tåken ville lette og vi ville se lysglimt omring oss. Det må ha vær spektakulært.

Lyset ble så saktere og kjøligere, og ble til mikrobølgestråling.  De var dette svake 13 milliarder år gamle radiosignalet de fanget opp. Det de hørte var det stille ekkoet av øyeblikket det første atomet ble til.

  • Det er egentliglyset fra universets opprinnelse, Vi hadde en gammel FM-mottaker som vi stilte inn mellom kanaler. Det fanges ikke opp på en stasjon. Man hører et.. Det kaller vi støy. Har man et godt radioanlegg, er ½ % av lyden av Big Bang. Vi kan også se øyeblikket de første elementene ble til.  Hvis tv-en ikke er stilt inn, er en liten fraksjon av lyden  13 milliarder år gammel radiostråling. Men denne strålingen er ikke den eneste påminneren. Selv vannet vi drikker, er et memento.
  • Det er nokså utrolig at hver gang vi tar en slurk vann, tar vi inn hyrogenatomer som stammer tilbake til Big Bang.

Gjennom de neste milliarder årene vokste universet videre, kjøltes ned og ble mørkt igjen.  Så langt hadde universet bare laget hydrogen og helium. Men verden vi lever i, er laget av over100 forskjellige grunnstoff.  Uten dem ville universet ha vært et kjedelig sted bestående av gass.  Komplekse materier, planter, biler og mennesker hadde ikke vært til.  Universet trengte å få hydrogen- og heliumatomene til å fusjonere.  For å fjøre det, måtte det lages stjerner. Universet var nå 200 millioner år og billioner av lysår i størrelse. Temperaturen ar blitt lavere enn flytende nitrogen:  -221 C.  I tillegg var det mørkt og hadde forblitt slik: Med en mengde gass, men uten galakser, stjerner og planeter. Men noe sto i veien. Babyuniveret var ikke perfekt.

Carlos Frank har laget en 3D-simulering av det tidlige universets utvikling.  Den viser at da universet oppstod fra Big Bang var det ujevnt.

  • Små sprekker oppstod. De var veldig, veldig, veldig små. Det var som et utslett i babyuniversets ansikt som senere utviklet seg til mønstrene vi ser i galaksene i dag.  Uten disse sprekkene hadde universet vært et ensformig sted. De første ledetrådene til sprekkenes utvikling til galakser og stjerner kom da andre vitenskapsmenn utforsket Big Bang-strålingen.
  • Utstrålingen Penzias og Wilson så, var, så langt de kunne se, uniform.

De neste 25 årene prøvde kosmologer å finne bitte små variasjoner. Og det gjorde de ved å bruke WMAP. En romsonde med formål å oppdage og age en detaljert analyse avvariasjoner i bakgrunnsmikrobølgeradioaktiviteten.  Den 150 000 000 – stroben med utrolig sensitive instrumenter ble skutt opp i 2001. Øynene våre oppfatter bare synlig stjernelys. Men WMAP kan stilles inn til å se usynlig mikrobølgeaktivitet. Da den var i bane rundt solen, fanget den opp de n svake aktiviteten som har vært i universet siden tidenes morgen. Når vi ser på denne kosmiske bakgrunnsaktiviteten, ser vi på noe som har nærmet seg oss siden 500 000 år etter Big Bang. I begynnelsen så mikrobølgeuniverset veldig ensformig ut. Men da sonden forsterket kontrasten, ble resultatene spektakulære. Babyuniverset var slett ikke kjedelig, men fullt av svinginger. Disse små svingingene forteller som variasjonene i tettheten. Delene med høy tetthet vil kollapse og danne grupper med galakser. Regionene med lav tetthet vokser og blir tomrommet mellom galaksene. Dette bildet er vår forbindelse mellom universet som baby, en halv million år gammelt, til dagens univers, 13.7 milliarder år. Disse små ufullstendighetene ville bli til galakser og stjerner. Det er en av fysikkens mest utrolige læresetninger. Ideen om at galakser som Melkeveien som har 100 millioner stjerner en gang startet sitt liv som en liten sprekk i universets struktur. Materialet i disse sprekkene ble fylt med skyer av hydrogenatomer. Rommene mellom skyene ble større og større. Gasskyene ble tykkere og varmere. Tyngdekraften trakk skyene sammen på filamenter, som perler i et vev. Et kosmisk vev der de enorme filamentene dannet store hansker der stjerner og galakser ville vokse. Etter hvert som universet utviklet seg ble gasser kondensert til skyer.  De kollapset og dannet stjerner og plasserte seg på en roterende skive som ville bli en galakse slik som Melkeveien. Over millioner av år fusjonerte hydrogenatomene og ble varmere.  Atomene begynte å fusjonere og frigi energi, og gasskyene begynte å lyse sterkt. Omsider ble en stjerne født.  Over hele universet tente millioner av stjerner seg for første gang. Tilsynekomsten av de første stjernene hadde vært en utrolig begivenhet.  Vi ville ha sett fyrverkeri. Individuelle, store lysglimt ble til etter hvert som stjerner ble født og brente seg selv ut. Universet er trillioner ganger så stort som sin opprinnelige størrelse.  Det var fullt a nye stjerner som var laget av hydrogen og helium.  De unge stjernene lignet ikke i det minste vår sol.  De var veldig ustabile. Men det var nettopp denne ustabiliteten som ville gjøre universet mer interessant. Inni hver nye stjerne skjedde det noe utrolig. Det ble laget nye grunnstoff. Ideen om at stjerner bygger atomer, kom fra den britiske astrofysikeren Sir Fred Hoyle, en av 20. Århundrets største astronomer. Hoyle trodde ikke verden begynte med én eksplosjon.  Han syns Big Bang var en hån. Han ville vite hvor tyngre grunnstoff enn hydrogen og helium kom fra. Han fant ut av stjerner oppførte seg som kjernereaktorer. Litt som en hydrogenbombe i slow motion.  Men milliarder ganger mer kraftig og at atomavfallet var nye grunnstoff. Men det ok årevis før forskere kunne bekrefte teorien hans, ved hjelp av å analysere stjernelys. Grunnstoff gir fra seg lys på en bestemt frekvens når det varmes opp. Se for deg en natriumgatelykt. Den gir gult lys, særegent for natrium.  Det samme gjelder stjerner. La oss ta solen som eksempel. Bryter man lyset ned i et spektrum ser man en strekkode som korresponderer med grunnstoff. De har alle en særegen farge som hjelper forskere å identifisere grunnstoff. Hydrogen for eksempel Det gir hovedsakelig fra seg rødt lys. I 1990 sendte NASA opp Hubble-romteleskopet for å klargjøre mysteriet fra vårt tidligere univers.  Hubble lovte vitenskapsmenn enestående syn av det unge universet. Det ville kunne se tilbake i tid og rom og utforske gamle stjerner og se om de lagde nye grunnstoff.  Men drømmen ble snart det verste marerittet. Etter at Hubble ble sendt opp, oppdaget man at speilet var forvridd.  Alt var ute av fokus.  Det trengte korrigerende linser.  Den eneste måten å fikse det på, var å sende opp enda et romskip.  En av reparatørene var astronaut Jeff Hoffman.  Vi jobbet med et teleskop til 2 000 000 000 Det siste vi ville (Prof. Jeff Hoffman, Former NASA Astronaut) var å ødelegge noe og gjøre vondt verre.  Først måtte redningslaget fange det ødelagte teleskopet. Deretter utføre en reparasjon aldri tidligere utført. Først måtte de åpne dørene på utsidene av teleskopet. Noe som er veldig annerledes med Hubble sammenlignet med en bil er at bak deg er verdensrommet. Jorden er under deg, stjerner over.  Astronautene måtte utføre presist arbeid i de vanskeligste forhold.  Når man jobber i romdrakter er hendene dine i tykke, stive hansker. Det er som må jobbe med skihansker. Det var litt av en utfordring. Alt gikk bra inntil Hoffmann prøvde å lukke de store dørene. Det gjensto bare å lukke dørene. Men de ville lukke seg ordentlig. Dørene var litt skjeve.  Det tok litt tid før jeg virkelig oppfattet det. Går ikke dørene igjen, forsvinner teleskopet.  Med improvisert verktøy klarte han og en kollega omsider å lukke dørene.  Det tok fem dager å reparere teleskopet. Kosmologer verden over holdt pusten sammen.  De ventet for å se om tidenes dyreste teleskop ville yte det designerne hadde lovet.  Jeg husket nyttårsaften i 1993. 31. Desember. En gammel venn fra Space Telescope Science Institute ringte.  Jeff, har du champagne til overs? Spurte han.  Jeg sa det var en halv flaske igjen.  Han sa, åpne den igjen, for vi har fått det første bildet, og Hubble virker.  Dette så Hubble. Bildene var over alles forventinger.  Hubble fange de siste øyeblikkene i en stjernes liv når den eksploderer og gasser og støv blåser bort.  Den fanget også interstellare” utklekninger” av nyfødte stjerner som eksploderte til liv milliarder av år tilbake og millionkilometerlange mørke pilarer med kosmisk støv, klare til å klekke en ny generasjon med stjerner og planeter.  Men Hubbles største øyeblikk var ennå ikke kommet.  Over en tidagersperiode i 1995 ble teleskopet rettet mot et tomt rom.  Det som kom frem var et bilde av et vev av fjerntliggende galakser. Hubble så tilbake i tid til noen av de tidligs skapte galaksene. Det avslørte tusenvis av galakser man aldri hadde sett. Universet ble for oss mye rikere etter ”Hubble Deep Field” Det viste for første gang svake bilder av galakser dannet bare en milliard år etter Big Bang.  Forskere så så på lysspekteret fra disse fjerntliggende stjernene.  De viser at de tidlige galaksene hadde alt laget grunnstoff som er tyngre enn hydrogen og helium.  Sir Fred Hoyle tok kanskje feil ang universets fødsel, men han hadde rett angående stjernene. De tidlige stjernene fungerte som termokjerneraktorer i at de lagde nye grunnstoff. Man kan tenke på skapelsen av alle grunnstoffene i dette rommet som et bilsamlebånd. En og en del blir lagt til inntil bilen er komplett.  Fusjonsreaksjonene inni stjernene utløser enorme mengde med energi. Det tvang atomene til å binde seg og lge nye og tyngre grunnstoff.  Tre heliumkjerner dannet karbon. To karbonkjerner fusjonerer og lager magnesium. Magnesium til neon.  Og så videre over en periode på mange hundre tusen år, helt til silisium fusjonerte og dannet jern.  Jern er et spesielt atom. Protonene og nøytronene i kjernen er veldig tett bundet. Selv den ekstreme temperaturen i stjerner får den ikke til å fusjonere i tyngre grunnstoffer. Det forblir resolutt jern.  De var ved veis ende. Produksjonsbåndet av grunnstoff stanset.  Men universet vårt var ennå ikke komplett.  Alle vannets ingredienser eksisterte, og noen av grunnstoffene til å bygge store deler av cabrioleten vår.  Mange av ingrediensene til å age et menneske eksisterte også.  Oksygenet vil puster inn, kalsiumet i bena våre, jernet i blodet vårt.  Men vi manglet vitale grunnstoff, som krom til støtfangeren vår.  I tillegg til metaller som sink, som kroppen ikke kan leve uten.  Universet var i ferd med å starte en kreativ fase der den produserte alle grunnstoffene som er tyngre enn jern. Å få plass de siste brikkene i universets fødsel vil kreve noen av de kraftigste eksplosjonene universet har opplevd.  Universet har blitt 500 millioner år. Det vil ta enda 13 milliarder år før mennesket lever på jorden.  Enorme nye stjerner har laget mange av grunnstoffene vi ser rundt oss, men noen av de vitale mangler: Tungmetaller som krom og sink og de dyrere: gull og platina. For å fullføre tryller universet frem det mest utrolige fenomenet siden Big Bang: Massive eksploderende stjerner som heter supernovaer.  Da disse stjernene fikk de letter grunnstoffene til å gå på tomgang kollapset de og skapte store mengder med energi og enorme eksplosjoner. Eksplosjonene var så kraftige at de fusjonerte de tyngste grunnstoffene. Grunnstoffproduksjonen var i gang igjen. Tony Mezzacappa fra Oak Ridge National Laboratory tror at uten de eksploderende stjernene ville ikke livet eksistert.  Livet slik vi kjenner det, hadde ikke eksistert uten de eksplosjonene. (Dr. Tony Mezzacappa, Oak Ridge National Laboratory)  De er helt klart et av nøkkelleddene i opprinnelseskjeden vår fra Big Bang til nåtiden.

 

Dette innlegget ble publisert i Vitenskap. Bokmerk permalenken.