Big Bang: Hva skjedde egentlig ved universets fødsel?

Her vises Hubble -romteleskopet

Her vises Hubble -romteleskopets bilde av en kandidatgalakse som eksisterte 480 millioner år etter Big Bang (z ~ 10 -galaksen) og posisjonen i Hubble Ultra Deep Field (HUDF) der den ble funnet. Galaksen blir utpekt som den eldste, fjerneste som Hubble ennå har sett. Dette feltet - kalt HUDF09 - er det dypeste infrarøde bildet som noen gang er tatt av universet. (Bildekreditt: NASA, ESA, Garth Illingworth (University of California, Santa Cruz) og Rychard Bouwens (University of California, Santa Cruz og Leiden University) og HUDF09 -teamet.)

Det tok ganske mye mer enn syv dager å skape universet slik vi kjenner det i dag. guesswhozoo.com ser på himmelens mysterier i vår åttedelte serie: The History & Future of the Cosmos. Dette er del 5 i serien.

Universet vårt ble født for rundt 13,7 milliarder år siden i en massiv ekspansjon som sprengte rommet som en gigantisk ballong.

Det er i et nøtteskall Big Bang -teorien, som praktisk talt alle kosmologer og teoretiske fysikere støtter. Bevisene som støtter ideen er omfattende og overbevisende. Vi vet for eksempel at universet fortsatt utvider seg selv nå, i en stadig raskere hastighet.

Forskere har også oppdaget et forutsagt termisk avtrykk av Big Bang, universet som gjennomsyrer kosmisk mikrobølgeovn i bakgrunnen. Og vi ser ingen objekter åpenbart eldre enn 13,7 milliarder år, noe som tyder på det universet vårt ble til rundt den tiden.

'Alle disse tingene satte Big Bang på et ekstremt solid fundament,' sa astrofysiker Alex Filippenko ved University of California, Berkeley. 'Big Bang er en enorm vellykket teori.'

Så hva lærer denne teorien oss? Hva skjedde egentlig ved fødselen av vårt univers, og hvordan tok den formen vi observerer i dag? [ Infografisk tur: Universets historie og struktur ]

Denne grafikken viser en tidslinje for universet basert på Big Bang -teorien og inflasjonsmodeller.

Denne grafikken viser en tidslinje for universet basert på Big Bang -teorien og inflasjonsmodeller.(Bildekreditt: NASA/WMAP)

Begynnelsen

Tradisjonell Big Bang -teori antyder at universet vårt begynte med en egenart - et punkt med uendelig tetthet og temperatur hvis natur er vanskelig for våre sinn å forstå. Imidlertid reflekterer dette kanskje ikke nøyaktig virkeligheten, sier forskere, fordi singularitetstanken er basert på Einsteins teori om generell relativitet.

'Problemet er, det er ingen som helst grunn til å tro generell relativitet i det regimet,' sa Sean Carroll, en teoretisk fysiker ved Caltech. 'Det kommer til å bli feil, fordi det ikke tar hensyn til kvantemekanikk. Og kvantemekanikk vil absolutt være viktig når du kommer til det stedet i universets historie. '

Så begynnelsen på universet er fortsatt ganske grumsete. Forskere tror de kan hente historien på omtrent 10 til minus 36 sekunder - en billioner av en billioner av en billioner av et sekund - etter Big Bang.

På det tidspunktet, tror de, gjennomgikk universet en ekstremt kort og dramatisk inflasjonstid, som ekspanderte raskere enn lysets hastighet. Den doblet seg i størrelsen kanskje 100 ganger eller mer, alt i løpet av noen få små brøkdeler av et sekund. [ Big Bang til nå i 10 enkle trinn ]

(Inflasjon kan se ut til å krenke teorien om spesiell relativitetsteori, men det er ikke tilfelle, sier forskere. Spesiell relativitet mener at ingen informasjon eller materie kan føres mellom to punkter i rommet raskere enn lysets hastighet. Men inflasjonen var en utvidelse av plassen selv.)

'Inflasjonen var' smellet 'i Big Bang,' sa Filippenko til guesswhozoo.com. 'Før inflasjonen var det bare en liten smule ting, og muligens utvidet seg litt. Vi trengte noe som inflasjon for å gjøre universet stort. '

Dette raskt ekspanderende universet var stort sett tomt for materie, men det inneholdt store mengder mørk energi, går teorien. Mørk energi er den mystiske kraften som forskere tror driver universets nåværende akselererende ekspansjon.

Under inflasjonen fikk mørk energi universet til å glatte ut og akselerere. Men det holdt ikke fast lenge.

'Det var bare midlertidig mørk energi,' sa Carroll til guesswhozoo.com. 'Det konverterte til vanlig materie og stråling gjennom en prosess som kalles oppvarming. Universet gikk fra å være kaldt under inflasjonen til å bli varmt igjen da all den mørke energien forsvant. '

Forskere vet ikke hva som kan ha forårsaket inflasjonen. Det er fortsatt et av nøkkelspørsmålene i Big Bang -kosmologien, sa Filippenko.

Galaksehopen Abell 1689 er kjent for måten den bøyer lys på i et fenomen som kalles gravitasjonslinser. Studie av klyngen har avslørt hemmeligheter om hvordan mørk energi former universet.

Galaksehopen Abell 1689 er kjent for måten den bøyer lys på i et fenomen som kalles gravitasjonslinser. Studie av klyngen har avslørt hemmeligheter om hvordan mørk energi former universet.(Bildekreditt: NASA, ESA, E. Jullo (JPL/LAM), P. Natarajan (Yale) og J-P. Kneib (LAM))

En annen idé

De fleste kosmologer anser inflasjon som den ledende teorien for å forklare universets egenskaper - spesielt hvorfor det er relativt flatt og homogent, med omtrent samme mengde ting spredt likt i alle retninger.

Ulike beviser peker mot at inflasjon er en realitet, sa teoretisk fysiker Andy Albrecht ved University of California, Davis. [Bilder: Peering Back to the Big Bang]

'De henger alle ganske fint sammen med inflasjonsbildet,' sa Albrecht, en av arkitektene for inflasjonsteori. 'Inflasjonen har gjort det utrolig bra.'

Imidlertid er inflasjon ikke den eneste ideen der ute som prøver å forklare universets struktur. Teoretikere har kommet med en annen, kalt den sykliske modellen, som er basert på et tidligere konsept kalt det ekpyrotiske universet.

Denne ideen mener at universet vårt ikke dukket opp fra et eneste punkt, eller noe lignende. Den 'hoppet' snarere til ekspansjon-i et mye mer beroligende tempo enn inflasjonsteorien forutsier-fra et allerede eksisterende univers som hadde blitt kontraherende. Hvis denne teorien er korrekt, har universet vårt sannsynligvis gjennomgått en endeløs rekke av 'smell' og 'knase'.

'Begynnelsen på vårt univers ville vært fin og endelig,' sa Burt Ovrut ved University of Pennsylvania, en av opphavsmennene til ekpyrotisk teori.

Den sykliske modellen antar at universet vårt består av 11 dimensjoner, bare fire som vi kan observere (tre av rommet og en av tiden). Vår firedimensjonale del av universet kalles en brane (forkortelse for membran).

Det kan være andre branes som lurer der ute i det 11-dimensjonale rommet, går tanken. En kollisjon mellom to branes kunne ha rystet universet fra sammentrekning til ekspansjon, noe som har ansporet Big Bang vi ser bevis på i dag.

Ser etter gravitasjonsbølger

Snart kan forskere sikkert vite hvilken teori - inflasjon eller syklisk modell - som er en bedre representasjon av virkeligheten.

For eksempel vil inflasjon sannsynligvis gi mye sterkere gravitasjonsbølger enn en ekpyrotisk 'sprett', sa Filippenko. Så forskere leter etter tegn på disse teoretiske forvrengningene av romtiden, som ennå ikke er observert.

Den europeiske romfartsorganisasjonens Planck -satellitt, som ble lansert i 2009, kan finne de unnvikende gravitasjonsbølgene. Det kan også samle andre bevis som kan tippe vekten, uansett, sa Ovrut.

- Dette er ting som i løpet av de neste 10 årene vil bli diskutert og forhåpentligvis avgjort, sier Ovrut til guesswhozoo.com.

Universet vi kjenner tar form

Kosmologer mistenker at de fire kreftene som styrer universet - tyngdekraften, elektromagnetisme og de svake og sterke atomkreftene - ble forenet til en enkelt kraft ved universets fødsel, klemt sammen på grunn av ekstreme temperaturer og tettheter som er involvert.

Men ting endret seg da universet utvidet seg og avkjølte seg. Rundt inflasjonstidspunktet skilte den sterke kraften seg sannsynligvis ut. Og med omtrent 10 billioner av sekunder etter det store smellet , de elektromagnetiske og svake kreftene ble også tydelige.

Like etter inflasjonen var universet sannsynligvis fylt med et varmt, tett plasma. Men med rundt 1 mikrosekund (10 til minus 6 sekunder) eller så hadde det avkjølt seg nok til at de første protonene og nøytronene kunne dannes, tror forskere.

I de tre første minuttene etter Big Bang begynte disse protonene og nøytronene å smelte sammen og danne deuterium (også kjent som tungt hydrogen). Deuteriumatomer slo seg deretter sammen og dannet helium-4.

Dette himmelske bildet av den kosmiske mikrobølgeovnen, laget av European Space Agency

Dette himmelske bildet av den kosmiske mikrobølgeovnen, skapt av European Space Agency's Planck-satellitt, viser ekko av Big Bang igjen fra universets morgen.(Bildekreditt: ESA/ LFI & HFI Consortia)

Rekombinasjon: Universet blir gjennomsiktig

Disse nyopprettede atomene var alle positivt ladet, da universet fremdeles var for varmt til å favorisere fangst av elektroner.

Men det endret seg omtrent 380 000 år etter Big Bang. I en epoke kjent som rekombinasjon begynte hydrogen- og heliumioner å fange elektroner og danne elektrisk nøytrale atomer. Lys spreder seg betydelig fra frie elektroner og protoner, men langt mindre fra nøytrale atomer. Så fotoner var nå mye mer fri til å cruise gjennom universet.

Rekombinasjon endret dramatisk utseendet på universet; det hadde vært en ugjennomsiktig tåke, og nå ble den gjennomsiktig. Den kosmiske mikrobølge bakgrunnsstrålingen vi observerer i dag stammer fra denne epoken. [ Video: Tåke fra tidlig univers sett ]

Men likevel var universet ganske mørkt lenge etter rekombinasjon, og ble virkelig lysende da de første stjernene begynte å skinne omtrent 300 millioner år etter Big Bang. De hjalp til med å angre mye av det rekombinasjonen hadde oppnådd. Disse tidlige stjernene - og kanskje noen andre mysteriekilder - kastet av nok stråling til å dele det meste av universets hydrogen tilbake i dets protoner og elektroner.

Denne prosessen, kjent som reionisering, ser ut til å ha gått rundt 1 milliard år etter Big Bang. Universet er ikke ugjennomsiktig i dag, slik det var før rekombinasjon, fordi det har utvidet seg så mye. Universets materie er veldig fortynnet, og fotonerspredning er derfor relativt sjelden, sier forskere.

Over tid gravitert stjernene sammen for å danne galakser, noe som førte til mer og mer storskala struktur i universet. Planeter samles rundt noen nydannede stjerner, inkludert vår egen sol. Og for 3,8 milliarder år siden slo livet rot på jorden.

Denne ekstremt fjerne protokollen representerer en gruppe galakser som dannes veldig tidlig i universet, omtrent bare en milliard år etter Big Bang.

Denne ekstremt fjerne protokollen representerer en gruppe galakser som dannes veldig tidlig i universet, omtrent bare en milliard år etter Big Bang.(Bildekreditt: Subaru/ P. Capak (SSC/ Caltech))

Før Big Bang?

Selv om mye om universets første øyeblikk fortsatt er spekulativt, er spørsmålet om hva som gikk før Big Bang enda mer mystisk og vanskelig å takle.

Til å begynne med kan selve spørsmålet være useriøst. Hvis universet kom fra ingenting, som noen teoretikere tror, ​​markerer Big Bang øyeblikket da tiden begynte. I så fall ville det ikke være noe som 'før', sa Carroll.

Men noen forestillinger om universets fødsel kan foreslå mulige svar. Den sykliske modellen antyder for eksempel at et kontraherende univers gikk foran vårt ekspanderende. Carroll kan også forestille seg noe som eksisterer før Big Bang.

'Det kan bare være tomt rom som eksisterte før Big Bang skjedde, så noen kvantefluktuasjoner fødte et univers som vårt,' sa han. 'Du kan forestille deg at en liten boble av plass klemmer seg gjennom en svingning og blir fylt med bare en liten liten klatt energi, som deretter kan vokse inn i universet som vi ser gjennom inflasjon.'

Filippenko mistenker også at noe i den stilen kan være sant.

'Jeg tror tiden i universet vårt startet med Big Bang, men jeg tror vi var en svingning fra en forgjenger, et morunivers,' sa Filippenko.

Vil vi noengang vite?

Kosmologer og fysikere jobber hardt med å finpusse teoriene sine og bringe universets tidligste øyeblikk i skarpere og skarpere fokus. Men vil de noen gang virkelig vite hva som skjedde ved Big Bang?

Det er en skremmende utfordring, spesielt siden forskere jobber med en fjerning på 13,7 milliarder år. Men ikke tell ut vitenskapen, sa Carroll. Tross alt, for 100 år siden, forsto folk veldig lite om universet. Vi visste ikke om generell relativitet, for eksempel eller kvantemekanikk. Vi visste ikke at universet ekspanderte, og vi visste ikke om Big Bang.

'Vi vet alle disse tingene nå,' sa Carroll. - Fremskrittstakten er faktisk utrolig rask, så jeg ville aldri gi etter for pessimisme. Det er ingen grunn i den siste historien om kosmologi og fysikk til å være pessimistisk om våre muligheter for å forstå Big Bang. '

Albrecht uttrykte lignende optimisme og sa at vi en dag til og med kan finne ut hva som om noe fantes før Big Bang.

'Jeg baserer mitt håp på at kosmologi har vært så vellykket,' sa han til guesswhozoo.com. 'Det virker som om naturen har sendt oss en klar melding om at vi virkelig kan gjøre vitenskap med universet.'

Du kan følge guesswhozoo.com seniorforfatter Mike Wall på Twitter: @michaeldwall . Følg guesswhozoo.com for det siste innen romvitenskap og leting på Twitter @Spacedotcom og på Facebook .