Kosmologiens gyldne tidsalder

Corey S. Powell


Den 23. april 1992 tilføjede George F. Smoot fra Lawrence Berkeley Laboratory og hans medarbejdere endnu et kapitel til den videnskabelige udgave af fortællingen om skabelsen. Mens kameraernes lys skinnede og lukkerne snurrede bekendtgjorde de, at et instrument på National Aeronautics and Space Administration's (NASA's) Cosmic Background Explorer (COBE) satellit havde detekteret rester af klumpede strukturer, som eksisterede 300.000 år efter universet blev født i en enorm eksplosion, Big Bang, for omkring 10 til 15 milliarder år siden. Kort sagt kan COBE have fundet det oprindelige blåtryk, som bestemte det moderne univers' struktur. "Da fossilerne blev fundet i klipperne, gjorde det arternes oprindelse klart synlig", bemærker Jeremiah P. Ostriker fra Princeton Universitet. "Godt, COBE fandt sine fossiler".

Intensitetskort
over baggrundsstrålingen i forskellige retninger taget af Differential Microwave Radiometer på NASA's Cosmic Background Explorer (COBE) Satellit, den er ikke helt ensartet (skønt næsten). På dette billede betyder rød varmere fluktuationer og blå og sort koldere fluktuationer omkring middel.
    Fossilerne, som blev afdækket af COBE, består af variationer i den svage mikrobølgeglød, som gennemtrænger universet. Man mener disse variationer skyldes forhistoriske småbølger, som kunne have været spirene til dannelsen af galakserne og hobene af galakser. I et hug gav COBE's opdagelser vigtig støtte til Big Bang, men henviste samtidig de fleste af kosmologernes specifikke modeller for universets dannelse til affaldsspanden. Tabet ville have været større, hvis COBE ikke havde fundet de sigende svingninger. "Et nul-resultat ville have udslettet hele den nuværende samling teorier", siger Philip Lubin fra University of California at Santa Barbara, som har arbejdet med på COBE.
    Satellitten, som blev opsendt sidst i 1989, blev udtænkt for næsten to årtier siden af forskere på NASA's Goddard Space Flight Center for at give præcise målinger af baggrundsstrålingen. Et sæt instrumenter på COBE, som kaldes Differential Microwave Radiometers, har tilbragt de sidste to år med at søge efter afvigelser fra ensartetheden på mikrobølgehimlen. Rygter om resultaterne havde cirkuleret i det astronomiske samfund i månedsvis før Smoot og hans medarbejdere opregnede deres opdagelser på American Physical Society's årlige møde. "Masser af folk på COBE-holdet gik rundt og smilte som Cheshire katte", rapporterer John C. Mather fra Goddard Space Flight Center, som er projektforsker for satellitten. Den formelle bekendtgørelse af COBE's opdagelser igangsatte en ny runde videnskabelig debat. Er resultaterne virkelige? Hvad betyder de for kosmologien?
    Mikrobølgebaggrunden har været en disciplin i kosmologisk teori siden den blev opdaget af Arno A. Penzias og Robert W. Wilson fra Bell Telephone Laboratories i 1964. I begyndelsen blev de overraskede af den mystiske mikrobølgestøj, som forekom at gå ind i deres antenne fra alle retninger. Først da de talte med Robert H. Dicke fra Princeton, opdagede de, at Big Bang teorien forudsiger netop en sådan global fordeling af mikrobølgerne.
    Teoretikere mener, at denne stråling er en efterladenskab fra tidspunktet for Big Bang, da universet bestod af en yderst varm, uigennemsigtig suppe af ladede partikler og stråling. Da universets temperatur faldt til 3.000 kelvin (300.000 år efter Big Bang), kombineredes protoner og elektroner og dannede gennemsigtig, neutral brint. På det tidspunkt gik stof og stråling hver sin vej. I de 15 milliarder års udvidelse siden da, er strålingen afkølet til en effektiv temperatur på 2,74 kelvin, så koldt, at ethvert grundstof, undtaget helium, ville fryse til fast stof.
    "Jeg var ikke umiddelbart solgt til kosmologi", husker Wilson. Men et ufrugtbart år med søgen efter andre kilder til strålingen overbeviste ham til sidst. Mikrobølgestrålingen forbliver et af de vigtigste vidnesbyrd til fordel for teorien om, at universet begyndte som en ubegribelig varm, kompakt masse.
    Et af COBE's hovedformål var at afprøve teorien ved at måle mikrobølgestrålingens spektrum. Den enkleste version af Big Bang forudsiger, at strålingen fra det varme, tidlige univers skulle danne en jævn spektral kurve, der kaldes et sortlegeme spektrum. I januar 1990 frigav Mather og hans hold COBE's mikrobølgespektrum på et møde i American Astronomical Society. Den graf Mather smed på overhead projektoren lignede et perfekt sortlegeme spektrum så meget, at den kunne være kopieret fra en lærebog i fysik. De tilstedeværende astronomer brød ud i spontant bifald.

Data fra Galakseundersøgelse
De tomme vidder og "væggene" som danner universets struktur i stor skala er her kortlagt af 11.000 galakser. Vor galakse, Mælkevejen er i centrum. Den ydre radius ligger i en afstand af omkring 450 millioner lysår. De mørke kegleformede sektorer til højre og venstre skyldes at Mælkevejens plan skygger for udsynet. (Smithsonian Astrophysical Observatory, 1993. Nordlige data (top)--Margaret Geller og John Huchra, sydlige data (bund)--Luiz da Costa et al.
    De nylige COBE data hjælper med at løse et endnu mere knudret problem. I de sidste 28 år har kosmologerne, uden held, kigget efter variationer i strålingen, som skulle være frembragt af uregelmæssigheder i Big Bang. Samtidig har astronomerne udviklet en stigende forståelse for den kosmiske strukturs skala og kompleksitet. Undersøgelse af enorme områder af rummet afslører galakser, der er organiseret i enorme flader og tråde. De største dannelser strækker sig over omkring 300 millioner lysår, omkring 3 procent af det synlige univers' radius. Observatører er også fremkommet med galakser og kvasarer, der er så fjerne, at de må være dannet kun ca. en milliard år efter Big Bang.
    Det tidlige kosmos' klumpethed behøver ikke at have været særlig udtalt for at frembringe så store og fjerne objekter. Tyngden forstærker alle variationer: områder, som er lidt tættere end middel tenderer mod at trække sig sammen for at blive mere koncentrerede på bekostning af områder, som er forholdsvis udtyndede. Alligevel må der have været nogen struktur til stede helt ved begyndelsen, for at den tyngdemæssige forstærkning kunne komme i gang.
    På steder, hvor stoffet hobede sig sammen, ville tyngdens lokale træk stjæle energi fra de fotoner (den elektromagnetiske strålings individuelle partikler), der var på vej væk, således at den baggrundsstråling, som havde sin oprindelse i det område, ville synes relativ kold. Af samme grund ville områder med lav tæthed se varme ud. Begyndelsens struktur burde derfor vise sig som pletter med varierende temperatur på mikrobølgehimlen.
    Til Big Bang fortalernes fortrydelse vedblev mere og mere følsomme studier af mikrobølgebaggrunden at vise en fuldstændig ensartet stråleglød. Teoretikerne justerede pligtskyldigt deres modeller, så de tog hensyn til mindre og mindre begyndelses-tæthedsfluktuationer. Men de gjorde det velvidende, at fraværet af temperaturvariationer, der kunne detekteres, ville være Big Bang kosmologiens dødsdom. Det ser ud til, at COBE's præcisionsinstrumenter har reddet den. De detekterede fluktuationer adskiller sig kun fra himlens middeltemperatur med 30 milliontedele af en kelvin - nær grænsen for COBE's følsomhed. Da han blev spurgt om sin tillid til resultaterne, smilede Smoot og sagde, at han ville satse sit personlige omdømme på den kendsgerning, at de er virkelige.
    I dette tilfælde er "virkelige" en noget uklar betegnelse. COBE's kort over mikrobølgestrålingen domineres af instrumentstøj; omkring to tredjedele af de data, der vises på kortet, har deres oprindelse i COBE eller i nærliggende kilder, som man ikke kan redegøre for og ikke i det unge univers. Nogle af fluktuationerne vist på kortet repræsenterer ægte signaler, men indtil nu kan COBE forskerne ikke sige hvilke. "Jeg kan ikke stærkt nok understrege, at man ikke kan se på noget enkelt punkt og sige 'Det er en kosmisk fluktuation'", advarer Charles L. Bennett fra Goddard Space Flight Center, den deputerede hovedforsker på COBE's mikrobølgeradiometre. Kun ved at anvende matematiske analyseteknikker, som statistisk midling, kan man bevise, at nogle af pletterne ikke stammer fra instrumenterne, forklarer han.
    Grunden til usikkerheden ligger i den enorme opgave med at gøre rede for enhver anden kilde til mikrobølgeudsendelse end den kosmiske baggrund. Vor galakse, Mælkevejen, udsender en mængde mikrobølger, som Bennett og hans kolleger har fratrukket for at afsløre baggrundssignalet. Andre galakser udsender også mikrobølger, og varme gasskyer i galaksehobe tilfører deres egne små temperatur fluktuationer.
    Sådanne ikke-kosmologiske signaler burde vise sig indenfor vinkler af lille skala, men COBE ser på store baner af himlen, som er syv grader brede (200 gange Månens tilsyneladende areal). Individuelle galakser burde midle sig ud i COBE observationerne. Edward L. Wright fra University of California i Los Angeles undersøgte, om signalerne COBE ser svarede til placeringen af kendte galaksehobe, som er forholdsvis tæt på og fandt ingen overensstemmelse. Alligevel forbliver nogle astronomer lidt skeptiske. John P. Huchra fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics spiller djævelens advokat og foreslår at mikrobølgefluktuationerne kunne frembringes af en tidligere ukendt klasse af astronomiske objekter i vores nærhed og ikke af tæthedsvariationer kort efter Big Bang.
    Indtil videre tager de fleste kosmologer imidlertid COBE resultaterne for pålydende og slår sig ned for at prøve at forstå deres betydning. De mest indlysende tabere er teorier, hvori tætte, energirige feltdefekter (som domænevægge eller mønstre) tjente som de kerner om hvilke galakserne dannedes. Sådanne teorier forudsagde eksistensen af nogle få særlig intense temperaturfluktuationer, som COBE ikke ser. David N. Spergel fra Princeton, som har arbejdet på mønsterbaserede kosmologier, tog nyhederne helt pænt. "Jaså, mønstre er døde", sagde han muntert, "Sådan er kosmologi".
    Den teori der indtil videre har haft mest fordel af COBE resultaterne har været den inflatoriske kosmologi, en yderst populær videreudvikling af Big Bang, som blev udviklet først i 1980'erne af Alan H. Guth fra Massachusetts Institute of Technology og forfinet af Andrei D. Linde fra Stanford University og Paul Steinhardt fra University of Pennsylvania. I denne model gennemgik universet en kort fase, umiddelbart efter dets fødsel, hvorunder naturkræfterne opførte sig meget anderledes end de gør nu, således at gravitationen effektivt blev en frastødende kraft. Som konsekvens udvidede universet sig på en lille brøkdel af et sekund (10-32 sekund eller deromkring) med en faktor 1030 eller mere.

Computer Simulering
viser hvordan spirer af tæthedsfluktuationer i det tidlige univers lader stoffet klumpe sig sammen til galakser og hobe af galakser. Slutresultatet viser tråde, der med tiden er vokset til en længde på over 100.000 lysår og omgiver gigantiske bobler af gas med lav tæthed. Trådenes skæringspunkter frembringer områder med høj tæthed(vist i rødt), som menes at danne galakseklynger. Simulering: (Greg L. Bryan and Michael L. Norman, Grand Challenge Cosmology Consortium).
    Inflationen tiltaler så mange kosmologer fordi den forklarer to vanskelige kosmiske gåder: hvorfor mikrobølgestrålingen har næsten den samme temperatur i alle retninger og hvorfor universets tæthed er så tæt på den værdi, der behøves for med tiden at stoppe dets udvidelse. Under inflationsæraen udvidedes og udglattedes lokale temperaturvariationer, samtidig blev rummets geometri flad (karakteristisk for kritisk tæthed), uanset dets form i begyndelsen. Inflationen giver også en mekanisme til frembringelse af kosmisk struktur. I disse første øjeblikke ville små svingninger i kvanteenergien have udvidet sig sammen med resten af universet for at blive til makroskopiske områder med relativ høj tæthed. Disse områder med høj tæthed kunne have udviklet sig til klynger og superhobe af galakser.
    Inflatoriske modeller forudsiger, at områder med høj tæthed bør have en skala-uafhængig (gaussisk) fordeling - dvs. mønstrene i variationerne skal kvalitativt være identiske på alle forskellige vinkelskalaer. COBE ser netop en sådan fordeling af varme og kolde pletter på himlen. Imidlertid bemærker Guth hurtigt, at selv om COBE's resultater er konsistente med inflation, beviser de den ikke.
    Teoretikerne har vidt forskellige syn på andre kosmologiske teoriers levedygtighed. I en kommende artikel i Astrophysical Journal Letters, udskiller Wright og hans medforfattere en klasse teorier, der kaldes isokrumning modeller, som værende elimineret af COBE. "Nej, slet ikke!" svarer P. James E. Peebles fra Princeton, da han bliver spurgt om hans arbejde på sådanne modeller er blevet forældet. Adskillige kosmologer bemærker, at teorier der frembringer struktur via kosmiske strenge, yderst tætte, sammenviklede feltdefekter relateret til mønstre, kunne stemme med COBE observationerne. Ostriker tvivler stærkt på, at strenge har klaret sig bedre end mønstre. "David Spergel var bare mere ærlig", siger han.
    Uanset hvilken bestemt kosmologisk model man vælger, rejser COBE kortene et frustrerende problem. Temperatur fluktuationerne er meget små, kun omkring en del af 100.000. Andre eksperimenter har vist, at fluktuationerne på mindre vinkelskalaer også er yderst ringe. Så ringe variationer vil ikke have haft nemt ved at frembringe tætte, yderst ordnede galakser indenfor en eller to milliarder år efter Big Bang. Almindeligt stof kunne ikke begynde at samle sig til kondenserede strukturer før universet blev gennemsigtigt for stråling. Selv da ville strålingen have holdt stoffet for varmt til hurtigt at kunne samle sig til galakser.
    I de seneste år har kosmologerne foreslået, at universet indeholder en anden, usynlig komponent - koldt mørkt stof - som meget nemmere klumper sig sammen. Eksistensen af mørkt stof passer godt med inflatorisk kosmologi, fordi sådanne modeller forudsiger, at universet netop er tæt nok til at kunne standse den nuværende ekspansion. Det lysende stof, som er synligt for astronomerne, tilfører kun omkring 1 procent til den kritiske tæthed.
    For at det mørke stof skal kunne hjælpe med til at danne galakser, skal det bestå af partikler, som ikke vekselvirker med elektromagnetisk stråling, såkaldt ikke-baryon mørkt stof. Protoner, neutroner og elektroner er udelukket. Teoretikere har foreslået en tilsyneladende uendelig liste af kandidat partikler. En efter en har højenergi fysikken udelukket dem; ingen er endnu blevet bekræftet.

Hob af galakser
er repræsentativt for, hvordan Universet så ud da det var 60% af sin nuværende alder. Hubble Space Telescope optog billedet ved at fokusere på hoben, mens det fuldførte 10 kredsløb. Adskillige par galakser ser ud til at være fanget i hinandens tyngdefelt. Sådanne vekselvirkninger findes sjældent i nærliggende hobe og er vidnesbyrd om, at Universet udvikler sig.
Koldt mørkt stof har også andre problemer. Nogle kosmologiske modeller, som indarbejder koldt mørkt stof kan gøre rede for eksistensen af store hobe og superhobe af galakser. Andre kan forklare dannelsen af individuelle galakser. Ingen kan begge dele. Derfor har nogle forskere mistanke om, at koldt mørkt stof kan vise sig at være hjernespind. "Fysikerne har været meget utilbøjelige til at acceptere det, som astronomien viser dem", siger Penzias, der argumenterer for et mindre tæt univers, som kun indeholder almindeligt stof. "Koldt mørkt stof er dødt", billiger Peebles.
    På den anden side er det helt sikkert, at de kosmologier, som besvarer adskillige af de mest grundlæggende spørgsmål om Big Bang, kræver, at meget af det mørke stof skal være ikke-baryon stof. (Et tæt univers, som kun bestod af almindeligt stof, ville have opnået en sammensætning, der var helt anderledes end den man observerer). Studier af strømmen af galakser i stor skala peger også på et univers domineret af ikke-baryon mørkt stof. Og hvis teoretikerne forlader deres mystiske partikler, må de udtænke en anden mekanisme, som ville få galakser til at dannes hurtigt.
    Huchra indskyder "to ord som får teoretikerne til at ryste i bukserne: magnetiske felter". Nuværende kosmologiske modeller tager ikke hensyn til magnetiske felter. Skønt få forskere tror, at magnetisme havde meget at gøre med galaksedannelse, fortsætter et talende mindretal, anført af den svenske nobelpristager Hannes Alfvén, med at argumentere for et andet synspunkt. J. Anthony Tyson fra AT&T Bell Laboratories, som har udført grundige kortlægninger af mørkt stof omkring galaksehobe, har mistanke om, at kosmisk struktur stammer fra "en eller anden sygelig proces, måske sorte huller". Og så er der altid den mulighed, at man mangler at opdage en eller anden helt ny mekanisme.
    Når man lytter til den nuværende diskussionsrunde, kan det være vanskeligt at huske præcis, hvor langt kosmologiske teorier er nået siden opdagelsen af mikrobølgebaggrunden for mindre end tre årtier siden. Penzias husker, at da han startede var der slet ingen data at afprøve teorierne med. Smoot anslog en lignende tone på pressekonferencen i april, da han igen og igen udbrød, "Dette er kosmologiens gyldne tidsalder".
    Skæbnen for den nuværende høst af kosmologiske ideer vil afhænge af mere detaljerede målinger af mikrobølgebaggrunden. På grund af dens store synsfelt, svarer de mindste detaljer som ses af COBE i det tidlige univers til detaljer, som i størrelse overskrider de største ansamlinger af galakser, som ses i astronomernes undersøgelser dybt ind i himlen. Undersøgelser af mikrobølgehimlen for mindre (på størrelse med bueminutter) detaljer vil give mere direkte information om, hvordan de nuværende galakser og galaksehobe opstod. Faktisk har sådanne studier været i gang i en årrække nu, men astronomerne mangler endnu at se nogen uensartethed i himlens temperatur. "Det er ikke nogen tilfredsstillende situation", indrømmer Lubin, "men endnu er det ikke en direkte konflikt med COBE".
    Nu da COBE har vist temperaturvariationernes størrelse, vil andre forskere have en bedre fornemmelse for, hvor følsomme deres eksperimenter skal være. Lubin og hans kolleger analyserer data fra et ballon-båret mikrobølgeteleskop og forbereder en anden flyvning til efteråret. "Vi burde snart se noget", siger han, skønt "vi kan ikke tabe: hvis COBE tager fejl og der ingen fluktuationer er, ville det være endnu mere spændende".
    I mellemtiden hviler COBE forskerne ikke på deres laurbær. Wright lover at når COBE fuldfører sin mission i 1994 vil mikrobølgemålingerne indeholde langt mindre støj, så det endelig vil være muligt at pege på en detalje på kortet og sige, med vished, "Det er en kosmisk fluktuation".
    Hvordan kosmologien vil se ud efter den kommende rystelse er rent gætteri. "Hver generation tror den har svarene og hver generation ydmyges af naturen", spekulerer Lubin. Selv om COBE's målinger synes at forstærke det regerende inflation-plus-koldt-mørkt-stof scenario, er der slået skår i det intellektuelle hjørne. Nylige observationer af hastigheden, hvormed universet udvider sig, tyder på, at de inflatoriske modeller paradoksalt kræver, at universet er yngre end de objekter det indeholder. Kosmologerne overvejer at indføre en anden komponent af mørkt stof (som logisk nok kaldes, varmt mørkt stof) for at hale deres modeller af strukturdannelse i land.
    Næsten ingen tvivler på troværdigheden af selve Big Bang. På den anden side ved ingen, hvordan man skaber en direkte forbindelse mellem de forhold der herskede på tidspunktet for kosmos' oprindelse og dem der hersker nu. Ostriker korrigerer dem, der "behandler dette [kosmologi] som teologi som man skal tro. Dette er videnskab!" Universet har tilbragt milliarder af år med at skrive skabelsens fortælling. Mennesker vil uden tvivl prøve på at læse den et stykke tid endnu.


Big Bang: Et moderne eventyr om universets fødsel og udvikling, George Smoot og Keay Davidson, oversat af Jan Teuber, Haase 1994, ISBN 87-559-0945-0.

DAMTP om den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling

Oversat fra The Golden Age of Cosmology, Scientific American, juli 1992, ss. 9-12.


6. april, 2000.
Det selv-reproducerende inflatoriske univers :Én sti: Inflation er død; længe leve inflation
Index