Big Bang

Vores univers blev formentlig dannet i en gigantisk eksplosion for cirka 13,7 milliarder år siden, kaldet Big Bang. Snarere end én enkeltstående begivenhed, var der tale om en energiudladning, der blev ved – og derfor udvider universet sig stadig. Dét er stort set alle astronomer og fysikere i dag enige om. Teorien om Big Bang blev grundlagt i 1920’erne, og er siden blev den mest gængse kosmologi – altså teori om universets oprindelse. Big Bang kaldes stadig den dag i dag en teori – det er nemlig meget vanskeligt at ”bevise” en teori, der forklarer hele universets opståen og funktionsmåde, særligt når man er begrænset i sit udsigtspunkt; vi kan f.eks. ikke umiddelbart gøre observationer af de fænomener, vi mener at have forklaret, fra en anden galakse end vores egen. Forskere har imidlertid siden 1920’erne gjort nye opdagelser og observationer og udviklet yderligere teorier, som understøtter og passer sammen med teorien om Big Bang. Der er dog stadig mange elementer i kosmologien, som er uforklarede eller kun kan forklares delvist, og der er mange spørgsmål, som Big Bang-teorien ikke rummer svarene på.

Big Bang er en teori om universets oprindelse. Ifølge teorien var det eneste, som oprindeligt eksisterede, materie og energi samlet i et tæt punkt – meget mindre end et atom – under meget høj temperatur. For cirka 13,7 milliarder år siden skete der en ufattelig kraftfuld og meget hastig udvidelse af dette punkt. Før denne eksplosion var hverken lys eller de atomer, som universet er bygget af i dag, opstået. Naturlovene, som vi kender dem – og takket være forskere som blandt andet Albert Einstein i dag kan beskrive – f.eks. tyngdekraften, var heller ikke opstået. I stedet for de forskellige naturlove var alt formentlig samlet i én kraft.

     Eksplosionen af dette oprindelige fortættede punkt skabte gigantisk udladning af energi, hvor både tid, rum og masse, som vi kender det, blev skabt. De forskelle naturlove, der tidligere var samlet i én kraft, blev skilt fra hinanden, trin for trin. Ifølge DTU Space læringsportal Rummet (se kilder) fortæller Big Bang-teorien ikke noget om, hvordan og hvorfor universet blev til, men kun om hvad der skete efter big bang.

     I eksplosionen blev der dannet en overflod af bittesmå subatomare partikler – det vil sige partikler, der er mindre end atomer, såsom kvarker, elektroner og fotoner. Disse partikler ’klumpede’ sig sammen og dannede protoner og neutroner, som senere samlede sig til atomkerner. Cirka 380.000 år efter Big Bang begyndte elektroner at gå i kredsløb om atomkerner, og de mest simple af universets atomer blev gradvist dannet.

     Efter nogle hundrede millioner år blev de første stjerner formet. Inde i selve stjernerne blev de større og mere komplekse atomer, vi har omkring os, dannet.

     Senere samlede stjernerne sig til galakser. De ældste galakser, vi kender, blev formet omkring 500 millioner år efter Big Bang. Vores eget solsystem blev til for omkring 4,6 milliarder år siden – mere end 9 milliarder år efter Big Bang.

Big Bang-teoriens fundament blev lagt af den belgiske astronom og kosmolog Georges Lemaître (1894-1966). Han var civilingeniør i militæret under 1. Verdenskrig, blev derpå ordineret præst, men indledte derpå et universitetsforløb inden for fysik på University of Cambridge og MIT. Det var ifølge Encyclopædia Britannicas opslag om Georges Lemaître (se kilder) her, han stødte på de amerikanske astronomer Edwin Hubble og Harlow Shapleys teorier om, at universet udvider sig. I 1927 blev Lemaître professor i astrofysik ved det katolske universitet i Leuven og formulerede sin teori om Big Bang. Denne teori kunne også forklare galaksernes bevægelser inden for rammerne af Albert Einsteins relativitetsteori. Galakserne snurrer både om sig selv i ufatteligt højt tempo og væk fra det sted, hvorfra vi kan observere dem. Big Bang blev hurtigt den mest gængse kosmologi – altså forklaring om universet.

Big Bang kaldes stadig en teori – det er nemlig meget vanskeligt at ”bevise” en teori, der forklarer hele universets opståen og funktionsmåde, særligt når man er begrænset i sit udsigtspunkt og de teknologier, der er til rådighed. Observationerne, som ligger til grund for teorien om Big Bang, er først og fremmest udført fra Jorden. Selvom rumfart og satellitter har udvidet rækkevidden af, hvordan man kan studere universet, er der stadig mange ubesvarede spørgsmål. Det, man kan gøre, er dermed at sandsynliggøre teorien ved at gøre yderligere observationer og udvikle flere teorier og undersøge, hvordan denne nye viden passer sammen med Big Bang. Det har forskere arbejdet med siden 1920’erne.

     Professor i eksperimentel subatomar fysik ved Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet Jens Jørgen Gaardhøje forklarer: ”Der er i dag tre søjler, der understøtter Big Bang-teorien. Den første er Hubble-ekspansionen (universets udvidelse, red.). Den næste søjle er den kosmiske baggrundsstråling. Og den tredje søjle er hyppigheden af grundstoffer i universet.”

I 1929 brugte den amerikanske astronom Edwin Hubble datidens mest avancerede teleskop til at måle det lys, der kom fra fjerne galakser. Derigennem kunne han måle afstanden til disse galakser og fandt ud af, at jo længere væk en galakse er, desto mere vil det lys, vi modtager fra den, ligge i den røde ende af farvespektret. Dette fænomen kaldes rødforskydning og opstår på følgende måde: Når et objekt bevæger sig væk fra en beskuer, bliver de lysbølger, det sender imod beskueren, strukket ud og får en længere bølgelængde, end hvis objektet stod stille. Rødt lys er den farve, der har den længste bølgelængde. Jo hurtigere et objekt bevæger sig væk fra en beskuer, desto mere lys vil beskueren modtage i den rødlige ende af farvespektret. Denne observation af relationen mellem hastighed, afstand og farve (bølgelængde) blev gjort allerede i 1842 af fysikeren Christian Doppler. Det var altså ved at lægge den såkaldte Dopplereffekt sammen med målingerne af lyset fra galakserne, at Edwin Hubbles observationer næsten hundrede år senere kunne vise, at jo længere en galakse er væk fra os, desto hurtigere bevæger den sig væk. Altså at universet tilsyneladende – fra vores udsigtspunkt – udvider sig med stadigt større hastighed. At galakserne bevæger sig mod en stadig udvidelse af universet, understøtter teorien om at alt på et tidspunkt befandt sig samme sted, altså Big Bang-teorien. Det er ud fra bud på hastigheden af galaksernes bevægelse, at forskere har anslået universets alder til at være knap 14 milliarder år.

Kosmisk nukleosyntese betegner de kerneprocesser i den første fjerdedel af universets historie, hvor de letteste grundstoffer blev dannet. Ved eksplosionen blev skabt elementarpartikler, som gik i forbindelse med hinanden og dannede atomer. Det, vi i dag kender som grundstoffer (f.eks. helium, hydrogen, oxygen) – som du kender dem fra den periodiske tabel – er klynger er atomer. Stjerner, herunder solen, producerer helium, men ud fra målinger af hastigheden i denne produktion, mener forskere, at stjernerne ikke ville have kunnet nå at skabe al det helium, der findes i universet, i løbet af de knap 14 milliarder år, der er gået siden Big Bang. Derfor mener man, at helium var det første grundstof, som blev skabt, meget kort tid efter Big Bang. Andre, tungere grundstoffer som f.eks. oxygen, blev først dannet længe efter.

     Jens Jørgen Gaardhøje fra Niels Bohr Institutter fortæller om grundstoffernes forbindelse til Big Bang teorien: ”En af de store triumfer for Big Bang-teorien er, at den kan forklare den relative hyppighed af grundstoffer i universet. Hyppigheden aftager eksponentielt med massen. Jo tungere en type af atomer er, desto færre er der af dem. Det kan man kun forstå ud fra Big Bang-teorien: De lettere grundstoffer blev dannet meget tidligt – mellem ca. 3 og 15 minutter efter Big Bang. De tungere grundstoffer blev siden syntetiseret i stjernerne.”

     Ifølge den norske fysiker Øyvind Grøns opslag i Store Norske Leksikon (se kilder) kan man i dag ved hjælp af store partikelacceleratorer simulere de forhold, som eksisterede tidligt i universets historie. Med LHC-acceleratoren i CERN mener man at kunne opnå lige så stor energi per partikel, som partiklerne i universet havde 10-12 sekunder (et milliondel milliondel sekund) efter Big Bang.

I 1965 opdagede fysikerne A.A. Penzias og R.W. Wilson ved et tilfælde den kosmiske baggrundsstråling – på engelsk kaldet cosmic microwave background. Det var med denne opdagelse, at Big Bang slog igennem som den mest alment accepterede teori om universets skabelse. Kosmisk baggrundsstråling er en svag, elektromagnetisk stråling, som man mener er en rest eller et ekko fra det tidspunkt, hvor det meget varme og tætte punkt eksploderede i Big Bang. Den kosmiske baggrundsstråling blev forudsagt af Big Bang-tilhængere, længe inden den blev observeret, og opdagelsen blev det afgørende argument for Big Bang-teorien. Ifølge Den Store Danske (se kilder) har en nye ballon-, satellit- og jordbaserede observationsprogrammer fra slutningen af 1990'erne givet bedre data for at forstå og måle den kosmiske baggrundsstråling.

Astronomerne Henrik og Helle Stub skriver i artiklen ”Her er Hubbles største opdagelser” på Videnskab.dk (se kilder) at universets stadigt hastigere udvidelse var en uventet opdagelse, fordi astronomerne ellers havde været sikre på, at udvidelsen ville sløve ned på grund af tyngdekraften. Det gjorde den også i starten, men for cirka 4 milliarder år siden begyndte hastigheden at stige igen.

     ”For at forklare, at udvidelsen sker stadig hurtigere, var det nødvendigt at indføre en frastødende kraft, kaldet mørk energi. Den er nødvendig for at beskrive universet, men vi aner ikke, hvad begrebet dækker over,” skriver Henrik og Helle Stub.

     Mørk energi er altså et af de fortsat uforklarede fænomener i kosmologien. Det samme er mørkt stof, som forskerne har konstateret må findes i universet, og formentlig udgør størstedelen af universet, men som opfører sig grundlæggende anderledes end det stof vi kender: partikler, atomer og grundelementer. Mørkt stof producerer ikke elementer, udsender ingen lyd- eller lysbølger, og forskerne har indtil videre dybest set ingen anelse om, hvad det er.

Klassifikation af galakserne, på engelsk kaldet Galaxy morphological classification, er en inddeling af galakser ud fra deres forskellige udseende – altså ikke deres størrelse eller bevægelse, men hvordan de tager sig ud visuelt. Der findes ifølge læringsportalen Rummet.dk fire grundtyper: spiralgalakser, bjælkegalakser, elliptiske galakser og irregulære galakser. Denne klassifikation af galakser, som stadig anvendes i dag, er baseret på billeder, Hubble var i stand til at tage med sit teleskop på Mount Wilson i 1920’erne. Den måde, galakserne tager sig ud på, er knyttet til deres alder – altså hvor tæt på Big Bang de er opstået. De irregulære galakser er de yngste, som endnu ikke har fundet en form.

Før Big Bang-teorien blev den bredt accepterede teori om universets skabelse, har der eksisteret andre videnskabelige, såvel som religiøse teorier om universets udvikling. Nogle forfægter stadig disse teorier frem for Big Bang. For eksempel siger den kristne skabelsesberetning i Første Mosebog, at stjernerne sidder fast på en himmelhvælving, og at jorden og planterne blev skabt før stjernerne. Jorden er her i centrum for universet og kom til syne ved, at det kaotiske mørke og vand, der dækkede den, veg tilbage på Guds befaling, så planter kunne spire frem og dyr og mennesker kunne leve i himmel, hav og jord. Men, som det fremhæves på Bibelselskabets hjemmeside (se kilder), så kommer universet som sådan slet ikke på tale i Det Gamle Testamente, som ”ikke er interesseret i at udtale sig om det naturvidenskabelige spørgsmål”. Ikke desto mindre findes der kristne retninger, især i USA, som fortsat afviser Big Bang-teorien med udgangspunkt i den kristne skabelsesberetning.

     I forskerkredse fik Big Bang-teorien frem til 1965 stor konkurrence fra den såkaldte Steady State-teori, der blev udviklet omkring 1948, og som hævdede, at universet har eksisteret i samme form altid. Det var faktisk en af grundlæggerne af Steady State-teorien, nemlig astronomen Fred Hoyle, der gav navn til Big Bang-teorien, som man f.eks. kan læse i New York Times nekrolog i forbindelse med Hoyles død i 2001 (se kilder). Han brugte betegnelsen ’Big Bang’ for at latterliggøre Georges Lemaîtres teori om universets fødsel, som han syntes lugtede for meget af religiøse skabelsesberetninger.

Hvor Big Bang-teorien hævder, at universet blev dannet for næsten 14 milliarder år siden, så hævdede Steady State-teorien, at universet altid har eksisteret og altid har haft den samme form. Men samtidig med, at Steady State-tilhængerne hævdede dette, så anerkendte de, at universet altid udvider sig. Steady State-tilhængernes forklaring på dette paradoks var, at ny masse konstant bliver skabt, efterhånden som universet udvider sig.

     Johan Fynbo, lektor ved Dark Cosmology Centre på Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet, forklarer Steady State-teorien sådan her i artiklen ”Er der konkurrenter til Big Bang-teorien?” på Videnskab.dk (se kilder): ”For at forklare det, kan man sammenligne universet med en kasse med sten. Hvis kassen bliver større og større, bliver der samtidig større mellemrum mellem stenene. Derfor skal der fortsat lægges flere sten i kassen, hvis universet ikke skal ændre udseende. På samme måde skal der også produceres flere partikler, hvis universet udvider sig.”

     Med opdagelsen af den kosmiske baggrundsstråling i 1965 sejrede Big Bang-teorien dog endeligt over Steady State-teorien. I dag er den udbredte holdning blandt forskere, at al universets masse og energi blev skabt i Big Bang.

     Jens Jørgen Gaardhøje, som er professor i eksperimentel subatomar fysik ved Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet, forsker i universets fødsel. Til Faktalink forklarer han, at han aldrig har mødt nogen i faglige kredse, der i dag betvivler Big Bang. Ham bekendt, er der da heller ikke nogen observationer af universet, der modsiger teorien: ”Det er et meget sammenhængende billede. Der er ikke rigtigt noget, der ikke passer. Og der er faktisk ikke rigtigt nogen skeptikere tilbage,” fortæller Jens Jørgen Gaardhøje til Faktalink (se kilder).

Selv om Big Bang-teorien er bredt accepteret, er der stadig mange detaljer, forskerne mangler at afdække. Ét af de store spørgsmål er, hvad der egentlig skete inden Big Bang? På BBC’s hjemmeside skriver fysikeren Matthew Francis i artiklen ”Will we ever… know what happened before the Big Bang?” (se kilder):

     ”Big Bang-modellen er vores bedste forklaring på, hvorfor kosmos fremstår, som det gør. Alligevel er den ikke i stand til at besvare nogle af de mere udfordrende spørgsmål, herunder hvad – om noget – der eksisterede inden.”

     Én anden ting, forskerne diskuterer, er, hvor hurtigt universet udvidede sig i de allerførste splitsekunder. Mange hælder til den såkaldte inflationsteori: At universet udviklede sig ekstremt hurtigt – langt hurtigere end lysets hastighed – i det første splitsekund. Ifølge inflationsteorien var det denne ekstremt hurtige udvidelse, der skabte de små uregelmæssigheder i den kosmiske baggrundsstråling, som vi ser i dag. Andre mener, at universet udvidede sig langsommere.

     Et tredje spørgsmål, forskerne diskuterer, er, om det er korrekt at antage, at naturlovene altid har været konstante: Har lyset altid haft den samme hastighed? Og har tyngdekraften altid fungeret præcis på samme måde, som den gør i dag? De beregninger, som Big Bang-teorien hviler på, forudsætter, at naturlovene altid har været konstante. Men forskerne kan ikke være sikre på, at det forholder sig sådan. Ifølge blandt andre professor i eksperimentel subatomar fysik ved Niels Bohr Instituttet, Jens Jørgen Gaardhøje, tyder meget dog på, at naturlovene faktisk har været konstante, når astronomerne kigger ud i verdensrummet og ser langt tilbage i tiden.

Forskerne er stadig delte i spørgsmålet om universets skæbne. Frem til 1990’erne troede astronomerne, at tyngdekraften ville bremse universets udvidelse med tiden. Og mange astronomer hældte til en teori om, at universet vil ende i et såkaldt ’Big Crunch’: at universet en dag vil stoppe med at udvide sig, og at det til sidst ville trække sig sammen. Men ifølge nye opdagelser vil universet fortsætte med at udvide sig. Det er blandt andet opdagelsen af, at størstedelen af universet primært består af såkaldt mørkt stof og at galakserne bevægelser er påvirket af mørk energi, der har ledt forskerne i denne retning. Nutidens forskere hælder mest til teorier om et ’Big Rip’ og et ’Big Freeze’, som går ud på, at universet kan blive revet fra hinanden og blive for koldt til at opretholde liv.

     Nogle af de ubesvarede spørgsmål vil formentlig blive opklaret, efterhånden som nye teleskoper, satellitter, computere og andre maskiner gør det muligt at undersøge universet med stadig højere detaljegrad.

Det er stadig uafklaret blandt forskerne, om der har været ét, flere eller ligefrem uendeligt mange Big Bangs – og i forlængelse af dette: om der kun findes ét eller mange universer.

     Blandt de forskere, der tror på eksistensen af andre universer med helt andre naturlove er fysikerne Stephen Hawking (1942-2018) og Leonard Mlodinow (1954-). I bogen ”The Grand Design” (se kilder) skriver de: ”Ifølge M-teorien (en teori inden for fysikken, red.) er vores univers ikke det eneste univers. I stedet forudsiger M-teorien, at der blev skabt mange universer ud af ingenting. Deres skabelse kræver ikke indgriben fra noget overnaturligt væsen eller en gud. Snarere opstår disse mange universer på naturlig vis, ud fra fysikkens love.”

     Indtil videre er dette dog ren teori, da der ikke er ført beviser for andre universers eksistens. Professor i eksperimentel subatomar fysik ved Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet Jens Jørgen Gaardhøje forklarer til Faktalink (se kilder): ”Der er mange interessante spekulationer om, at der findes flere universer end dette. Men jeg kan ikke se, at vi på nogen måder kan sige noget kvalificeret om det, fordi vi ikke har noget fænomen at måle på. Det er science fiction og spekulation. Der er vi kommet til kanten af vores nuværende viden. Men måske vil vi en dag opdage nye fænomener, som gør os i stand til at undersøge disse ting også.”