Kosmiskt brus berättar universums historia

- Historien om hur Big Bang-teorin triumferade

Det främsta beviset vi har på att universum faktiskt uppstod i och med big bang är det brus som brukar kallas för den kosmiska bakgrundsstrålningen. Men bakgrundsstrålningen, som är en kvarleva från universums explosionsartade födelse, kan även ta oss med tillbaka i tiden och hjälpa oss att förstå hur stjärnor och galaxer kom till i kölvattnet av big bang. Denna resa tillbaka till tidens början är möjlig tack vare 2006 års nobelpristagare i fysik, som under många år ägnat sig åt att tyda bakgrundsstrålningens budskap.



2006 års nobelpris i fysik, som är det hundrade i ordningen, tilldelas John Mather vid Nasa Goddard Space Flight Center och George Smoot vid universitetet i Berkeley i Kalifornien. För att förtjäna denna ära har de två amerikanska astrofysikerna inte bara bekräftat att den kosmiska bakgrundsstrålning som omger oss verkligen härstammar från big bang, utan även kartlagt de små ojämnheter­ i det tidiga kosmos som senare blivit till det fascinerande universum vi ser idag.

Men historien börjar egentligen långt tidigare, två årtionden innan Mather och Smoot kom till världen.

Big bang vs. steady state

Tanken om att universum tog sin början med en smäll dök upp för första gången under 1920-talet.

Det var den ryske fysikern och matematikern Alexander Friedmann som satte bollen i rullning då han 1922 föreslog att universum expanderade. Vid den här tidpunkten var detta en mycket kontroversiell idé, eftersom det antydde att universum inte alltid sett ut som det gör idag, vilket länge varit den allmänna uppfattningen. Men universums expansion skulle 1929 komma att bekräftas av amerikanen Edwin Hubble.

Den som var först med att inse den fulla innebörden av Friedmanns hypotes var den belgiske prästen och fysikern Georges Lemaître. Om universum expanderar, så måste det från början ha kommit ur en enda punkt, som Lemaître valde att kalla för ur­atomen.

Men det var långt ifrån alla som accepterade Lemaîtres teori om att universum bildats ur en oändligt liten och oändligt het uratom.

Hubble hade visserligen gjort klart att universum faktiskt expanderade, men så sent som på 1960-talet var det ändå många som fortfarande vägrade att överge det traditionella synsättet att universum funnits i all evighet.

En av de främsta förespråkarna för ett universum utan varken början eller slut var den världsberömde brittiske astronomen Fred Hoyle, som tillsammans med Hermann Bondi och Thomas Gold utarbetade den så kallade steady state-teorin. Steady state-teorins grundtanke var att ny materia ständigt skapas, och att universums densitet på så vis aldrig förändras, trots expansionen.

Fred Hoyle och steady state-teorins anhängare låg länge i krig med big bang-lägret, anförda av den ryskfödde fysikern George Gamov, som fortsatt att bygga vidare på Friedmanns och Lemaîtres idéer.

Namnet big bang myntades faktiskt av Fred Hoyle, då han under en radiointervju attackerade sina motståndare genom att hånfullt hänvisa till urexplosionen som ”the big bang”. Trots att det var menat som ett öknamn, lever benämningen kvar än idag.

Gryningsljus

Bruset som gav nobelpris - Det var detta tidiga radioteleskop, en så kallad hornantenn, på Bell Laboratories i Holmdel i New Jersey som kollegorna Arno Penzias och Robert Wilson arbetade med 1964 då de besvärades av ett ihärdigt brus. Bruset visade sig vara den kosmiska bakgrundsstrålning som omger oss. Bakgrundsstrålningen är en kvarleva från universums födelse, och strålningens existens hade förutspåtts av big bang-förespråkare som George Gamov. Upptäckten gav Penzias och Wilson 1978 års nobelpris i fysik. Faktum är att efterdyningarna av big bang även letar sig in i vår vardag. Bakgrundsstrålningen står nämligen för en stor del av bruset i en helt vanlig tv. Bild: Nasa

Bruset som gav nobelpris - Det var detta tidiga radioteleskop, en så kallad hornantenn, på Bell Laboratories i Holmdel i New Jersey som kollegorna Arno Penzias och Robert Wilson arbetade med 1964 då de besvärades av ett ihärdigt brus. Bruset visade sig vara den kosmiska bakgrundsstrålning som omger oss. Bakgrundsstrålningen är en kvarleva från universums födelse, och strålningens existens hade förutspåtts av big bang-förespråkare som George Gamov. Upptäckten gav Penzias och Wilson 1978 års nobelpris i fysik. Faktum är att efterdyningarna av big bang även letar sig in i vår vardag. Bakgrundsstrålningen står nämligen för en stor del av bruset i en helt vanlig tv. Bild: Nasa

Början till slutet för steady state-teorin kom inte förrän i mitten av 1960-talet, då den kosmiska bakgrundsstrålningen upptäcktes.

Gamov med flera hade redan 16 år tidigare förutspått att en bieffekt av big bang borde vara att den strålning som släpptes lös i begynnelsen fortfarande skulle fylla universum, numera i form av mikrovågor.

Kort efter big bang var universum fortfarande väldigt kompakt och oerhört­ hett. Faktum är att det till och med var för varmt för att atomer skulle kunna bildas. Istället var universum vid den här tidpunkten inte mycket mer än en het sörja av fotoner, elektroner, protoner och neutroner. I denna smältdegel av subatomära partiklar var det omöjligt för ljuset, det vill säga fotonerna, att röra sig fritt. Universum var med andra ord fullkomligt ogenomskinligt.

Men då universum var omkring 380 000 år gammalt hade det svalnat tillräckligt för att elektroner skulle börja slå sig samman med protoner och neutroner och bilda väte- och ­heliumatomer. Fotonerna befriades då, och strålning och materia gick skilda vägar. Plötsligt fylldes universum av ljus, det blev genomskinligt.

Detta ljus finns än idag kvar överallt omkring oss, i form av den kosmiska bakgrundsstrålningen. I takt med att universum växt har det emellertid också fortsatt att svalna, något som även gäller bakgrundsstrålningen.

Gamov och hans kollegor kom fram till att bakgrundsstrålningen idag borde ha svalnat till en temperatur någonstans i krokarna kring fem grader över absoluta nollpunkten, vilket motsvarar en våglängd i mikrovågsområdet.

Värdefullt brus

Ovetandes om big bang-teorins förutsägelser om en överbliven mikrovågsstrålning tampades 1964 två anställda på amerikanska Bell Laboratories, Arno Penzias och Robert Wilson, med sina egna problem. Deras mätningar av helt andra saker stördes av ett ihärdigt brus. De kunde knappast ana att detta irritationsmoment skulle bli deras lycka och framgång.

Störningen var densamma oavsett vart på himlen de riktade sitt radioteleskop, som ursprungligen konstruerats för satellitkommunikation. Detta fick dem att misstänka att den mystiska mikrovågssignalen inte kom från rymden, utan att det rörde sig om ett problem med själva teleskopet.

Penzias och Wilson försökte med allt för att bli kvitt bruset. De jagade till och med iväg de duvor som höll till i teleskopet. Men ingenting hjälpte­. Det irriterande bruset låg kvar.

Till slut kom de frustrerade forskarna i kontakt med Robert Dick vid Princetons universitet. Dick var väl insatt i big bang-teorin och insåg genast att Penzias och Wilsons brus i själva verket var den kosmiska bakgrundsstrålning som big bang-anhängarna sökte efter. Penzias och Wilson hade snubblat över ekot av universums första ljus.

När Penzias och Wilson mätte strålningens temperatur fann de dessutom att den var omkring tre grader över absoluta nollpunkten, vilket var mycket nära Gamovs teoretiskt beräknade temperatur.

Hoyle och gänget letade desperat efter en tillfredsställande förklaring till bakgrundsstrålningen inom ramen­ för steady state-teorin, men hur de än försökte så lyckades de inte och de var till slut tvungna att erkänna sig besegrade.

För sin upptäckt fick Penzias och Wilson dela på 1978 års nobelpris i fysik.

Perfekt bild

Högflygande strålningsjakt - Från marken är det omöjligt att få en fullständig bild av den kosmiska bakgrundsstrålningen. Innan man hade tillgång till satellitmätningar använde man sig därför bland annat av ett specialutrustat U-2-spionplan för att komma så högt upp i atmosfären som möjligt, och därigenom få en lite bättre bild av bakgrundsstrålningen. Bild: US Air Force

Högflygande strålningsjakt - Från marken är det omöjligt att få en fullständig bild av den kosmiska bakgrundsstrålningen. Innan man hade tillgång till satellitmätningar använde man sig därför bland annat av ett specialutrustat U-2-spionplan för att komma så högt upp i atmosfären som möjligt, och därigenom få en lite bättre bild av bakgrundsstrålningen. Bild: US Air Force

Även om big bang-forskarna nu hade de bevis de väntat på och big bang-teorin gått segrande ur striden, så var de inte nöjda. Det fanns fortfarande de som tvivlade.

På grund av ett antal faktorer, bland annat att jordens atmosfär absorberar mycket av bakgrundsstrålningen, var det nämligen svårt att göra vettiga mätningar från marken. Utan ett satellitinstrument gick det därför inte att gå vidare.

Lösningen hette Cobe, Cosmic Background Explorer. Projektet påbörjades av Nasa redan 1974, men det skulle ta 15 år innan Cobe-satelliten den 18 november 1989 lämnade jorden.

Mer än 1 000 personer var inblandade i det mödosamma arbetet med att göra Cobe till verklighet och under hela den utdragna processen leddes projektet av John Mather.

Det krävdes utan tvekan ett stort mått tålamod, men de långa förberedelserna lönade sig. Efter bara nio minuters aktivitet gav Cobe resultat. Precis som man hoppats kunde man omedelbart se att bakgrundsstrålningen hade en mycket unik egenskap. Strålningen hade nämligen vad man brukar kalla för perfekt svartkroppsform.

För att strålning ska kunna anta svartkroppsform, vilket betyder att strålningens form inte beror på någonting annat än temperaturen, krävs väldigt speciella omständigheter.

Att bakgrundsstrålningen dessutom har exakt samma form och temperatur i alla riktningar betyder att den från början sänts ut av en och samma källa, oavsett varifrån i universum den kommer. Det enda som kan förklara att strålning från rymdens alla hörn på detta vis delar ett gemensamt ursprung är att hela universum har ett gemensamt ursprung, det vill säga big bang.

Med andra ord undanröjde upptäckten av bakgrundsstrålningens svartkroppsform alla tvivel om hur universum kom till.

Strålningens form gjorde det också möjligt att fastställa att universum då strålningen sändes ut var närmare 3 000 grader Celsius, och att strålningen idag motsvarar en temperatur på ganska exakt 2,73 grader över absoluta nollpunkten.

Livsviktiga skönhetsfläckar

Genom att för första gången göra en fullständig kartläggning av den kosmiska bakgrundsstrålningen fungerade Cobe lite som en tidsmaskin. Satelliten gav oss nämligen en bild av hur universum såg ut vid den tidpunkt då bakgrundsstrålningen först släpptes fri, alltså då universum var 380 000 år gammalt.

Du kanske tycker att 380 000 år låter mycket, men om man jämför universum med en människas livs­cykel så motsvarar det bara ett två timmar gammalt embryo. Den kosmiska bakgrundsstrålningen visar alltså ett mycket ungt universum, inte ens på babystadiet.

Samtidigt som denna unika inblick i universums tidiga utveckling bevisade en gång för alla att bakgrundsstrålningen verkligen var ett resultat av big bang, så oroade man sig emellertid för att bilden skulle vara alltför perfekt.

Om bakgrundsstrålningen varit fullkomligt jämn, utan några som helst avvikelser från den perfekta form som Cobe-satellitens första mätningar registrerade, så borde universum ha sett väldigt annorlunda ut. Det hade nämligen inneburit att även materien skulle ha varit jämnt fördelad över kosmos. Och om detta varit fallet, så skulle inga galaxer, stjärnor eller planeter ha bildats. Allt hade bara varit en jämn smet av partiklar som ständigt rörde sig bort från varandra.

George Smoot ansvarade för det instrument ombord på Cobe som hade till uppgift att undersöka denna viktiga detalj. Fanns det några små ojämnheter, eller skulle forskarna ställas inför en gåta av astronomiska mått?

Till allas lättnad fann Smoot att det under bakgrundsstrålningens perfekta yta gick att hitta små skavanker. Strålningens temperatur var inte exakt densamma över hela himlen. Variationerna var visserligen extremt små, men upptäckten var trots det av enormt stor betydelse.

Big bang-teorins förutsägelser om en extremt jämn, men inte fullkomligt jämn, bakgrundsstrålning höll.

De minimala variationerna visade att materien i det tidiga universum inte var så jämnt fördelad som det först såg ut, utan att den på vissa ställen börjat klumpa ihop sig. Dessa klumpar var början till det universum vi nu lever i. Det var nämligen dessa frön som senare skulle komma att gro och bli till stjärnor, galaxer och galaxhopar.

Med andra ord hade man hittat drivkraften bakom att universum ser ut som det gör, och anledningen till att det finns stjärnor, planeter och liv.

I ett berömt uttalande gick Smoot till och med så långt som att säga: ”Om du är religiös, är det som att se Gud.”

Hur som helst hade John Mather och George Smoot med Cobes hjälp för alltid förändrat kosmologin, det vill säga läran om universums uppkomst och utveckling. Kosmologin hade förvandlats från en obskyr gren av astronomin till en precisionsvetenskap.

Guldfeber

Planck - Med rymdsonden Plancks hjälp hoppas Esa i framtiden kunna vaska fram ännu mer information om hur universum fungerar ur bakgrundsstrålningen. Kanske kan forskarna då också säga mer om hur universums framtid kommer att se ut. Bild: Esa/AOES Medialab

Planck - Med rymdsonden Plancks hjälp hoppas Esa i framtiden kunna vaska fram ännu mer information om hur universum fungerar ur bakgrundsstrålningen. Kanske kan forskarna då också säga mer om hur universums framtid kommer att se ut. Bild: Esa/AOES Medialab

Man skulle kunna säga att Cobes framgångar var början på en ny era. Astronomerna insåg nu vilken guldgruva bakgrundsstrålningen var, och det dröjde inte länge förrän man började leta efter nya sätt att utvinna ännu mer information ur det uråldriga ljuset.

Ett exempel är Nasas rymdsond Wmap, som sköts upp år 2001. Wmaps uppgift var densamma som Cobes, att kartlägga bakgrundsstrålningen, men forskarna lyckades denna gång förbättra precisionen ordentligt. På så vis kunde Wmap både bekräfta och bygga vidare på Cobes resultat.

Wmap lyckades exempelvis gräva fram information om vad som hänt så pass långt tillbaka i tiden som en bråkdels sekund efter big bang. Denna tillbakablick stärkte bland annat tilltron till den teori som säger att universum i begynnelsen för ett ögonblick växte i en rasande takt, som får dagens expansion att blekna i jämförelse. Detta brukar inom kosmologin kallas för inflationen.

Ett par andra resultat från Wmap var att big bang inträffade för ungefär 13,7 miljarder år sedan och att de första stjärnorna började bildas redan då universum var omkring 400 miljoner år gammalt. Det senare resultatet kunde tas fram tack vare att bakgrundsstrålningen inte bara innehåller information om universums barndom, utan även om händelser som inträffat långt senare.

Men trots ett gediget arbete, så tror forskarna att bakgrundsstrålningen är långt ifrån uttömd på information. Med största sannolikhet finns det fortfarande massvis av värdefull kunskap om universum att hämta, om man bara gräver tillräckligt djupt.

Till sin hjälp kommer kosmologerna inom kort att få ännu ett nytt verktyg. Den europeiska satelliten Planck ska nämligen år 2008 göra Wmap sällskap. Förhoppningen är att Esas projekt ska kunna lära oss ännu mer om hur universum kom till, hur det utvecklades och därigenom även hur framtiden kommer att se ut.

Nasa har dessutom planer på att inom två årtionden konstruera ett instrument som ska kunna observera självaste big bang.

Fakta: 
Universums utveckling

Hur universum utvecklats är fortfarande inte solklart, men tack vare projekt som COBE och WMAP har bilden börjat klarna väsentligt.

Det hela började med big bang, universums förunderliga födelse.

lEn bråkdels sekund senare följde inflationen, då universums storlek på ett ögonblick växte explosionsartat.

  • Efter omkring 380 000 år bildades de första atomerna, och bakgrundsstrålningen släpptes fri.
  • Då universum var omkring 400 miljoner år dök de första stjärnorna upp. Därefter var det fritt fram också för galaxer och planeter.
  • Nu har det gått 13,7 miljarder år och vi människor börjar på allvar att pussla ihop universums historia.
Material från
Allt om Vetenskap nr 1 2007

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter