|
Universets oprindelse
Kosmologer nærmer sig de oprindelige processer der skabte og formede universet
Michael S. Turner*
Svag glød af en hed begyndelse Kosmisk acceleration og mørk energi
Universet er stort i både rum og tid og var i en stor del af menneskehedens historie udenfor vore instrumenters og sinds rækkevidde. Det ændrede sig dramatisk i det 20. århundrede. Fremskridtene blev drevet ligeligt af kraftfulde ideer – fra Einsteins almene relativitet til moderne teorier om elementarpartiklerne – og kraftige instrumenter – fra de 100- og 200-tommers reflektorer, som George Ellery Hale byggede, der førte os hinsides vor Mælkevejsgalakse, til Hubble Space Telescope, som har taget os tilbage til galaksernes fødsel. I løbet af de sidste 20 år er fremskridtets fart accelereret med erkendelsen, at mørkt stof ikke er lavet af almindelige atomer, opdagelsen af mørk energi og gryende, dristige ideer som kosmisk inflation og multiverset. Universet var for 100 år siden simpelt: evigt, uforanderligt, bestående af en enkelt galakse, indeholdende nogle få millioner synlige stjerner. Billedet er i dag mere komplet og meget rigere. Kosmos begyndte for 13,7 milliarder år siden med big bang. En brøkdel af et sekund efter begyndelsen var universet en hed, formløs suppe af de mest elementære partikler, kvarker og leptoner. Efterhånden som det udvidede sig og afkøledes, udviklede der sig lag på lag af struktur: neutroner og protoner, atomkerner, atomer, stjerner, galakser, hobe af galakser og endelig superhobe. Den observerbare del af universet bebos nu af 100 milliarder galakser, som hver indeholder 100 milliarder stjerner og sandsynligvis et lignende antal planeter. Selve galakserne holdes sammen af det mystiske mørke stofs gravitation. Universet fortsætter med at udvide sig og gør det faktisk med accelererende fart, drevet af mørk energi, en endnu mere mystisk form for energi, hvis gravitationskraft frastøder i stedet for at tiltrække. Det overordnede tema i fortællingen om vort univers er udviklingen fra kvarksuppens enkelhed til den kompleksitet, vi ser i dag i galakser, stjerner, planeter og liv. Disse egenskaber dukkede frem en efter en i løbet af milliarder af år, styret af fysikkens grundlæggende love. I vor rejse tilbage til skabelsens begyndelse rejser kosmologer først gennem universets veletablerede historie tilbage til det første mikrosekund; så til indenfor 10-34 sekund fra begyndelsen, for hvilken ideerne er godt udviklede men vidnesbyrdene ikke endnu faste, og endelig til skabelsens tidligste øjeblikke, for hvilke vore ideer stadig er spekulation. Skønt universets oprindelige skabelse stadig ligger hinsides vor forståelse, har vi drillende formodninger inkluderende ideen om multiverset, hvor universet består af et uendeligt antal adskilte underuniverser.
Ved brug af 100 tommer Hooker teleskopet på Mount Wilson i 1924 viste Edwin Hubble, at udflydende tåger, som man havde studeret og spekuleret over i adskillige hundrede år, var galakser ligesom vor egen – og forstørrede derved det kendte univers 100 milliarder gange. Nogle få år senere viste han, at galakser bevæger sig væk fra hinanden i et regelmæssigt mønster beskrevet af et matematisk forhold, nu kaldet Hubbles lov, ifølge hvilken galakser, der er længere væk, bevæger sig hurtigere. Det er Hubbles lov, spillet baglæns i tid, der peger på et big bang for 13,7 milliarder år siden. Hubbles lov fandt en klar fortolkning inde i den almene relativitet: selve rummet ekspanderer og galakserne bliver ført med på turen. Lys bliver også strakt, eller rødforskudt, - en proces der tapper dets energi, så universet afkøles, efterhånden som det ekspanderer. Kosmisk ekspansion giver beretningen, som får os til at forstå, hvordan vore dages univers blev til. Når kosmologerne forestiller sig at køre uret baglæns, bliver universet tættere, varmere, mere ekstremt og simplere. Ved udforskningen af begyndelsen sonderer vi også naturens indre arbejdsgang ved at drage fordel af en accelerator, som er kraftigere end nogen, der nogensinde er bygget på jorden – selve big bang. Ved at se ud i rummet med teleskoper stirrer astronomer tilbage i tiden – og jo større teleskop, jo længere tilbage stirrer de. Lyset fra fjerne galakser afslører en tidligere epoke og mængden, dette lys er rødforskudt med, viser, hvor meget universet er vokset i de mellemliggende år. Den nutidige rekordindehaver har en rødforskydning på omkring otte, hvilket repræsenterer en tid, da universet var en niendedel af dets nuværende størrelse og kun nogle få hundrede millioner år gammelt. Teleskoper som Hubble Space Telescope og 10 meter Keck teleskoperne på Mauna Kea tager os rutinemæssigt tilbage til epoken, da galakser som vor egen dannedes nogle få milliarder år efter big bang. Lys fra en endnu tidligere tid er så stærkt rødforskudt, at astronomer skal lede efter det i de infrarøde bånd og radiobåndene. Kommende teleskoper som James Webb Space Telescope, et 6,5 meter infrarødt teleskop, og Atacama Large Millimeter Array (ALMA), et netværk af 64 radiodiske i det nordlige Chile vil tage os til de allerførste stjerners og galaksers fødsel.
Computersimuleringer siger, at disse stjerner og galakser dukkede op, da universet var omkring 100 millioner år gammelt. Før da gik universet gennem en tid kaldet de ”mørke tidsaldre,” da det var næsten kulsort. Rummet var fyldt med en vælling uden særpræg, fem dele mørkt stof en del brint og helium, der fortyndedes efterhånden som universet ekspanderede. Stoffet var lidt ujævnt i tæthed og gravitationen virkede til at forstærke disse variationer i tæthed: mere tætte områder ekspanderede langsommere end de mindre tætte områder. Ved 100 millioner år ekspanderede de tætteste områder ikke bare langsommere, men begyndte faktisk at kollapse. Sådanne områder indeholdt omkring en million solmasser materiale hver. De var de første gravitationelt bundne objekter i kosmos.
Mørkt stof redegjorde for størstedelen af deres masse, men var, som navnet antyder, ude af stand til at udstråle eller absorbere lys. Så det forblev i en udstrakt sky. Brint og helium gas udsendte derimod lys, tabte energi og blev koncentreret i skyens midte. Med tiden kollapsede det hele vejen ned til stjerner. Disse første stjerner var meget mere massive end vore dages stjerner – hundreder af solmasser. De levede meget korte liv, før de eksploderede og efterlod de første tunge grundstoffer. I løbet af den næste milliard år eller der omkring samlede gravitationskraften disse million-solmasser skyer til de første galakser. Stråling fra de oprindelige brintskyer, som er mægtigt rødforskudt af ekspansionen, skulle kunne detekteres af gigantiske rækker af radioantenner med et totalt indsamlingsareal på op til en kvadratkilometer. Når de er bygget, vil disse opstillinger iagttage den første generation stjerner og galakser ionisere brinten og bringe de mørke tidsaldre til afslutning [se ”The Dark Ages of the Universe,” af Abraham Loeb; Scientific American, November 2006], [Universets mørke tidsaldre].
Svag glød af en hed begyndelse Hinsides de mørke tidsaldre er gløden fra det hede big bang ved en rødforskydning på 1.100. Denne stråling er blevet rødforskudt fra synligt lys (en rød-orange glød) hinsides selv det infrarøde til mikrobølger. Det, vi ser fra den tid, er en væg af mikrobølgestråling, der fylder himlen – den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling (CMB) opdaget i 1964 af Arno Penzias og Robert Wilson. Den giver et glimt af universet ved den spæde alder på 380.000 år, perioden da atomerne dannedes. Før da var universet en næsten ensartet suppe af atomkerner, elektroner og fotoner. Efterhånden som det afkøledes til en temperatur på omkring 3.000 kelvin, kom kernerne og elektronerne sammen og dannede atomer. Fotonerne ophørte med at spredes fra elektronerne og strømmede uhindret tværs gennem rummet og afslørede universet på en simplere tid før stjernernes og galaksernes eksistens. I 1992 opdagede NASAs Cosmic Background Explorer satellit, at CMBs tæthed har lette variationer – omkring 0,001 procent – som afspejler en let klumpethed i fordelingen af stof. Graden af oprindelig klumpethed var nok til at virke som sædekorn for de galakser og større strukturer, der senere ville dukke frem efter gravitationens virkning. Mønsteret af disse variationer i CMB tværs over himlen præger også grundlæggende egenskaber ved universet, som dets overordnede tæthed og sammensætning, såvel som spor af dets tidligste øjeblikke; det omhyggelige studie af disse variationer har afsløret meget om universet.
Når vi ruller en film af universets udvikling tilbage fra det punkt, ser vi urplasmaen blive mere og mere hed og tæt. Forud for omkring 100.000 år overskred strålingens energitæthed stoffets, hvilket afholdt stoffet fra at klumpe sammen. Dette tidspunkt markerer således begyndelsen på gravitationel samling af alle strukturerne, der ses i universet i dag. Endnu længere tilbage, da universet var mindre end et sekund gammelt, manglede atomkernerne endnu at dannes; kun deres bestanddele – nemlig, protoner og neutroner – eksisterede. Kerner dukkede op, da universet var sekunder gammelt og temperaturene og tæthederne var lige de rette til kernereaktioner. Denne proces af big bang kernesyntese producerede kun de letteste grundstoffer i den periodiske tabel: en masse helium (omkring 25 procent af atomerne i universet ved masse) og mindre mængder lithium og isotoperne deuterium og helium 3. Resten af plasmaet (omkring 75 procent) forblev i form af protoner, der med tiden ville blive brintatomer. Alle resten af grundstofferne i den periodiske tabel dannedes milliarder af år senere i stjerner og stjerneeksplosioner. Teorien for kernesyntese forudsiger nøjagtigt mængderne af grundstoffer og isotoper målt i de mest oprindelige prøver på universet – nemlig, de ældste stjerner og gasskyer med høj rødforskydning. Mængden af deuterium, som er meget følsom overfor tætheden af atomer i universet, spiller en speciel rolle: dens målte værdi betyder, at almindeligt stof udgør 4,5 +- 0,1 procent af den totale energitæthed. (Resten er mørkt stof og mørk energi.) Denne vurdering stemmer præcist overens med den sammensætning, der er erfaret ud fra analyse af CMB. Denne overensstemmelse er en stor triumf. At disse to meget forskellige målinger, en baseret på kernefysik, da universet var et sekund gammelt og den anden baseret på atomfysik, da universet var 380.000 år gammelt, stemmer overens, er en stærk afprøvning ikke blot af vor model af, hvordan kosmos udviklede sig, men af hele den moderne fysik.
Tidligere end et mikrosekund kunne selv protoner og neutroner ikke eksistere og universet var en suppe af naturens grundlæggende byggesten: kvarker, leptoner, og dem der bærer kræfterne (fotoner, W og Z bosoner og gluoner). Vi kan stole på, at kvarksuppen eksisterede, fordi eksperimenter på partikelacceleratorer har genskabt lignende betingelser her på Jorden i dag [se ”The First Few Microseconds,” af Michael Riordan og William A. Zajc; Scientific American, Maj 2006]. For at udforske denne epoke støtter kosmologerne sig ikke på større og bedre teleskoper men på kraftige ideer fra partikelfysik. Udviklingen af partikelfysikkens Standardmodel for 30 år siden har ført til dristige spekulationer, inkluderende strengteori, om, hvordan de tilsyneladende adskilte fundamentale partikler og kræfter forenes. Som det viser sig, har disse nye ideer betydninger for kosmologi, der er ligeså vigtige som den oprindelige ide om det hede big bang. De antyder dybe og uventede forbindelser mellem det meget store og det meget lilles verden. Svar på tre nøglespørgsmål – det mørke stofs natur, asymmetrien mellem stof og antistof og oprindelsen til selve den klumpede kvarksuppe – er begyndt at dukke op.
Det ser nu ud til, at den tidlige kvarksuppe var stedet for det mørke stofs fødsel. Det mørke stofs identitet forbliver uklar, men dets eksistens er meget godt etableret. Vor galakse og enhver anden galakse, såvel som galaksehobe, holdes sammen af uset mørkt stofs gravitation. Hvad end det mørke stof er, så skal det vekselvirke svagt med almindeligt stof; ellers ville det have vist sig på andre måder. Forsøg på at finde forenende rammer for naturens partikler og felter har ført til forudsigelsen af stabile eller langlivede partikler, der kan udgøre mørkt stof. Disse partikler ville være tilstede i dag som levninger fra kvarksuppens fase og forudsiges at vekselvirke meget svagt med atomer. En kandidat kaldes neutralinoen, den letteste af en formodet ny klasse af partikler, der er tungere modstykker til de kendte partikler. Neutralinoen menes at have en masse mellem 100 og 1.000 gange protonens, lige indenfor rækkevidde af eksperimenter, der skal udføres af Large Hadron Collider på CERN nær Geneve. Fysikerne har også bygget ultrafølsomme, underjordiske detektorer såvel som satellit- og ballonbårne udgaver for at lede efter denne partikel eller biprodukterne fra dens vekselvirkninger. En anden kandidat er axionen, en superletvægtspartikel på omkring en trilliontedel af elektronens masse. Dens eksistens antydes af dunkle aspekter ved kvarkers adfærd, som Standardmodellen forudsiger. Arbejde med at detektere den udnytter den kendsgerning, at i et meget stærkt magnetisk felt kan en axion transformeres til en foton. Både neutralinoer og axioner har den vigtige egenskab, at de, i en specifikt teknisk forstand, er ”kolde.” Skønt de dannedes under stegende hede forhold, bevægede de sig langsomt og klumpede derfor let sammen i galakser. Den tidlige fase med kvarksuppe indeholder sikkert også hemmeligheden om, hvorfor universet i dag mest indeholder stof snarere end både stof og antistof. Fysikerne mener, at universet oprindeligt havde ens mængder af begge, men på et eller andet tidspunkt udviklede det et lille overskud af stof – omkring en ekstra kvark for hver milliard antikvarker. Denne ubalance sikrede, at nok kvarker ville overleve annihilation med antikvarker efterhånden som universet ekspanderede og afkøledes. For mere end 40 år siden afslørede accelerator eksperimenter, at fysikkens love er en lille smule forskudt til fordel for stoffet og i en serie meget tidlige partikelvekselvirkninger, som man stadig ikke forstår, førte denne fordel til skabelsen af overskuddet af kvarker. Selve kvarksuppen menes at være opstået på et ekstremt tidligt tidspunkt – måske 10-34 sekund efter big bang i et udbrud af kosmisk ekspansion kaldet inflation. Dette udbrud, som blev drevet af energien af et nyt felt (groft analogt med det elektromagnetiske felt) kaldet inflaton, ville forklare sådanne grundlæggende egenskaber ved kosmos som dets generelle ensartethed og den klumpethed, som såede galakserne og andre strukturer i universet. Idet inflationsfeltet henfaldt bort, frigav det sin resterende energi i kvarker og andre partikler og skabte således big bangs hede og selve kvarksuppen. Inflation fører til en dyb forbindelse mellem kvarkerne og kosmos: kvantesvingninger i inflationsfeltet på den subatomare skala bliver blæst op til astrofysisk størrelse af den hurtige ekspansion og bliver sædekornene til al den struktur, vi ser i dag. Med andre ord er det mønster, vi ser på CMB himlen, et gigantisk billede af den subatomare verden. Observationer af CMB stemmer overens med denne forudsigelse og giver det stærkeste vidnesbyrd om, at inflation eller noget lignende skete meget tidligt i universets historie.
Når kosmologer prøver at gå endnu længere for at forstå selve universets begyndelse, bliver vore ideer mindre faste. Einsteins almene relativitetsteori har givet det teoretiske grundlag for et århundrede med fremgang i vor forståelse af universets udvikling. Alligevel stemmer den ikke overens med den moderne fysiks anden søjle, kvanteteori, og disciplinens største udfordring er at bringe de to i overensstemmelse. Kun med en sådan forenet teori vil vi kunne behandle de allertidligste øjeblikke i universet, den såkaldte Planck æra før omkring 10-43 sekund, da selve rumtiden tog form. Prøvende forsøg på en forenet teori har ført til nogle bemærkelsesværdige spekulationer om selve vor begyndelse. Strengteori forudsiger, for eksempel, eksistensen af yderligere rumdimensioner og muligvis andre universer, der svæver i dette større rum. Det, vi kalder big bang, kan måske have været vort univers' kollision med et andet [se ”The Myth of the Beginning of Time,” af Gabriele Veneziano; Scientific American, Maj 2004], [Myten om tidens begyndelse]. Giftermålet mellem strengteori og begrebet inflation har ført til den måske dristigste ide til nu, den om et multivers – nemlig, at universet består af et uendeligt antal adskilte stykker, hver med sine egne, lokale fysiklove [se ”The String Theory Landscape, ” af Raphael Bousso og Joseph Polchinski; Scientific American, September 2004], [Strengteoriens landskab]. Multiversbegrebet, som stadig er i sin barndom, drejer sig om to teoretiske resultater. For det første antyder ligningerne, der beskriver inflation, stærkt, at hvis inflation skete én gang, skulle den ske igen og igen med et uendeligt antal inflatoriske områder skabt i tidens løb. Intet kan bevæge sig mellem disse områder, så de påvirker ikke hinanden. For det andet antyder strengteori, at disse områder har forskellige fysiske parametre, som antallet af rumlige dimensioner og typen af stabile partikler.
Ideen om multiverset giver nye svar på to af hele videnskabens største spørgsmål: hvad skete der før big bang og hvorfor er fysikkens love, som de er (Einsteins berømte spekulation om ”hvorvidt Gud havde noget valg” om lovene). Multiverset gør spørgsmålet om før big bang til et åbent spørgsmål, fordi der var et uendeligt antal big bang begyndelser, som hver blev udløst af sit eget udbrud af inflation. På samme måde skubbes Einsteins spørgsmål til side: indenfor uendeligheden af universer er alle fysiklovenes muligheder blevet afprøvet, så der er ingen særlig grund til de love, der styrer vort univers. Kosmologerne har blandede følelser om multiverset. Hvis de adskilte underuniverser er sandt afbrudte, kan vi ikke håbe på at afprøve deres eksistens; de synes at ligge udenfor videnskabens rige. En del af mig ønsker at skrige, Et univers af gangen, tak! På den anden side løser multiverset forskellige begrebsmæssige problemer. Hvis det er korrekt, vil det få Hubbles forstørrelse af universet med bare en faktor på 100 milliarder og Kopernikus' forvisning af Jorden fra universets centrum i det 16. århundrede til at forekomme som små fremskridt i vor forståelse af vor plads i kosmos. Moderne kosmologi har ydmyget os. Vi er lavet af protoner, neutroner og elektroner, som tilsammen kun redegør for 4,5 procent af universet og vi eksisterer kun på grund af dybe forbindelser mellem det meget lille og det meget store. Begivenheder styret af fysikkens mikroskopiske love tillod stoffet at dominere over antistoffet, frembragte den klumpethed, som såede galakser, fyldte rummet med partikler af mørkt stof, der giver den gravitationelle infrastruktur og sikrede at mørkt stof kunne bygge galakser, før mørk energi blev af betydning og ekspansionen begyndte at accelerere. Samtidig er kosmologi i selve sin natur meget arrogant. Ideen, at vi kan forstå noget så uhyre i både rum og tid, som vort univers, er, rent ud sagt, fuldkommen absurd. Denne mærkelige blanding af ydmyghed og arrogance har bragt os temmelig langt i det sidste århundrede med fremskridt i vor forståelse af den nuværende univers og dets oprindelse. Jeg er optimist med hensyn til yderligere fremgang i de kommende år og jeg tror fast på, at vi lever i kosmologiens gyldne tidsalder.
Kosmisk acceleration og mørk energi: I mørket
The Early Universe. Edward W. Kolb og Michael S.
Turner. Westview Press,
1994. The
Inflationary Universe. Alan Guth. Basic, 1998. Quarks
and the Cosmos. Michael
S. Turner i Science, Vol. 315, siderne 59-61; 5. Januar, 2007. Dark Energy and the Accelerating Universe. Joshua Frieman, Michael S. Turner og Dragan Huterer i Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, siderne 385-432; 2008. Til rådighed online på arxiv.org/abs/0803.0982
Illustrationer af Melissa Thomas. *Michael S. Turner var pioner i den
interdisciplinære forening af partikelfysik, astrofysik og kosmologi og
ledede National Academy studiet, der fremlagde visionen for det nye felt
tidligt i dette årti. Han er
professor på Kavli Institute for Cosmological Physics ved University of
Chicago. Fra 2003 til 2006 stod han i spidsen for National Science
Foundations matematiske og fysiske videnskabsdirektorat. Hans æresbevisninger inkluderer Warner Prize
of the American Astronomical Society, Lilienfeld Prize of the American
Physical Society og Klopsted Award fra American Association of Physics
Teachers. Fra Origin
of the Universe, Scientific
American, September 2009, siderne 22-29.
|
