Det fantastiske univers

Hvad big bang-teorien forklarer og hvad den ikke forklarer

HVER morgen er et mirakel. Dybt inde i morgensolen omdannes brint til helium ved temperaturer på flere millioner grader. Røntgenstråler og gammastråler strømmer med utrolig kraft ud fra Solens kerne til de omliggende lag. Hvis Solen var gennemtrængelig ville disse stråler nå overfladen i løbet af nogle få sekunder. De begynder i stedet at rikochettere mellem tætpakkede atomer i Solens varmeisolerende gasser, hvorved de gradvis mister energi. Der går dage, uger og århundreder. Tusinder af år senere bryder den engang så dødelige stråling frem fra Solens overflade som et blidt gult lys der ikke længere udgør nogen fare, men lige netop er kraftigt nok til at bade Jorden med sin varme.

Også hver nat er et mirakel. Andre sole blinker til os over de enorme afstande i vor galakse. Nogle er superkæmper der er så store at hvis én af dem blev anbragt på samme position som vor sol, ville vor planet befinde sig inden i denne superkæmpe. Andre sole er små hvide dværge der er mindre end Jorden, men alligevel lige så tunge som Solen. Nogle af disse vil fortsat drive omkring i milliarder af år. Andre befinder sig på randen af en supernovaeksplosion der vil tilintetgøre dem. Under denne proces vil de et kort øjeblik overstråle hele galakser.

Primitive folkeslag har sat universet i forbindelse med søuhyrer, kæmpende guder, drager, skildpadder, elefanter, lotusblomster og drømmende guder. Senere, i den såkaldte oplysningstid, blev guderne fejet af bordet i begejstringen over de nye naturvidenskabelige landvindinger inden for matematik og fysik, for eksempel Newtons love. Nu har man for længst forladt de forestillinger der findes i gamle digte og legender. De der er børn af atomalderen har ikke valgt fortidens havuhyrer eller Newtons „maskine“ som model for skabelsen, men derimod det 20. århundredes altoverskyggende symbol — atombomben. Deres „skaber“ er en eksplosion. De kalder deres kosmiske ildkugle for big bang.

Hvad big bang „forklarer“

Den mest populære version af denne generations skabelsesopfattelse siger at universet ikke eksisterede for omkring 15 til 20 milliarder år siden. Der fandtes intet tomt rum, ingen tid, intet stof, intet ud over et umådelig tæt, lille punkt kaldet en singularitet, der eksploderede, hvorved vort nuværende univers opstod. I en brøkdel af et sekund i denne eksplosion var der et kort øjeblik hvor det spæde univers inflaterede eller udvidede sig langt hurtigere end lysets hastighed.

I løbet af de første få minutter af big bang skete der en kernefusion af universelt omfang, hvilket resulterede i de koncentrationer af brint og helium man har målt og en del af det litium der findes i det interstellare rum. Efter måske 300.000 år faldt temperaturen i den gassky der udgjorde hele universet, til en smule under temperaturen på Solens overflade, hvilket gjorde at elektroner kunne begynde at kredse om atomerne og udsende lys (fotoner). Dette urglimt kan i dag måles, skønt det er stærkt afkølet. Det måles som en universel baggrundsstråling i mikrobølgeområdet svarende til en temperatur på 2,7 kelvin.a Det var opdagelsen af denne baggrundsstråling i 1964-65 der overbeviste de fleste forskere om at der var noget om big bang-teorien. Det hævdes også at denne teori kan forklare hvorfor universet synes at udvide sig i alle retninger, og at fjerne galakser tilsyneladende er på vej bort fra os og fra hinanden med høj hastighed.

Eftersom big bang-teorien lader til at forklare så meget, hvorfor så drage den i tvivl? Fordi der også er meget den ikke forklarer. Det kan illustreres med et eksempel. Astronomen Ptolemæus, der levede i oldtiden, havde en teori om at Solen og planeterne kredsede om Jorden i store cirkler, samtidig med at de kredsede om sig selv i mindre cirkler, kaldet epicykler. Efterhånden som astronomerne i århundredernes løb samlede flere data, kunne de ptolemæiske kosmologer altid føje ekstra epicykler til deres øvrige epicykler og dermed „forklare“ de nye data. Men det betød ikke at teorien var sand. Til sidst var der ganske enkelt for meget at forklare. Andre teorier, som for eksempel den Kopernikus fremsatte om at Jorden kredsede om Solen, forklarede tingene bedre og mere enkelt. I dag er det vanskeligt at finde en ptolemæisk astronom.

Professor Fred Hoyle har sammenlignet de ptolemæiske kosmologers bestræbelser for at lappe på deres teori trods nye opdagelser, med de bestræbelser tilhængerne af big bang i dag gør sig for at holde deres teori kørende. Han har skrevet følgende i sin bog The Intelligent Universe: „Forskernes hovedbestræbelser går ud på at dække over big bang-teoriens selvmodsigelser, at støtte en teori der er blevet stadig mere kompleks og uhåndterlig.“ Efter at have henvist til Ptolemæus’ forsøg på at redde sin teori ved hjælp af epicykler, skriver Hoyle videre: „Jeg tøver ikke med at sige at big bang-teorien som følge heraf viser klare sygdomstegn. Som jeg tidligere har nævnt viser erfaringen at en teori sjældent overlever når et mønster af fakta taler imod den.“ — Side 186.

I tidsskriftet New Scientist for 22.-29. december 1990 blev der fremført lignende tanker: „Den ptolemæiske metode er med rund hånd blevet anvendt på . . . big bang-modellen.“ Derefter spørger bladet: „Hvordan kan vi gøre reelle fremskridt inden for partikelfysikken og kosmologien? . . . Vi må være mere ærlige og åbenhjertige og indrømme at nogle af vore mest elskede hypoteser er rent spekulative.“ I øjeblikket strømmer det ind med nye observationer.

Spørgsmål som big bang ikke besvarer

Astronomer der har brugt den korrigerede optik i Hubble-rumteleskopet til at måle afstandene til andre galakser, har rejst væsentlige indvendinger mod big bang. De nye data giver teoretikerne nervøse trækninger!

Astronomen Wendy Freedman og andre har for nylig brugt Hubble-rumteleskopet til at måle afstanden til en galakse i stjernebilledet Jomfruen, og hendes målinger lader formode at universet udvider sig hurtigere end hidtil antaget, og derfor er yngre end man troede. Faktisk „antyder [det] at universet ikke er mere end otte milliarder år gammelt,“ kunne man læse i tidsskriftet Scientific American for juni 1995. Selv om otte milliarder år lyder som meget lang tid, er det kun omkring det halve af hvad man hidtil har antaget. Det resulterer i et særligt problem, for ifølge rapporten „viser andre data at visse stjerner er mindst 14 milliarder år gamle“. Hvis Freedmans beregninger holder, vil det betyde at disse gamle stjerner skulle være ældre end selve big bang!

Endnu et problem for big bang-teorien er de stadig flere vidnesbyrd om „bobler“ i universet som har en udstrækning på 100 millioner lysår, hvor galakser ligger i en struktur som en boble med et tomrum i midten. Margaret Geller, John Huchra og andre ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics har opdaget det de kalder en stor mur af galakser der har en udstrækning på omkring 500 millioner lysår tværs over den nordlige himmel. En anden gruppe astronomer, der er blevet kendt som de syv samuraier, har fundet vidnesbyrd om en anden kosmisk sammenhobning som de kalder „Den Store Tiltrækker“, der befinder sig nær de sydlige stjernebilleder Søslangen og Kentauren. Astronomerne Marc Postman og Tod Lauer tror at der må befinde sig noget endnu større på den anden side af Orion, noget der får i hundredvis af galakser, deriblandt vores egen, til at strømme i den retning ligesom tømmerflåder på en slags „rumflod“.

Alle disse strukturer er med til at øge forvirringen. Kosmologer siger at eksplosionen big bang foregik ekstremt jævnt og ensartet, en konklusion man bygger på den baggrundsstråling man anfører at den efterlod. Hvordan kunne en sådan jævn begyndelse frembringe disse massive og komplekse strukturer? „De seneste opdagelser af tiltrækkere og mure øger mysteriet om hvordan så mange strukturer kunne opstå i løbet af de 15 milliarder år universet har eksisteret,“ indrømmer Scientific American — et problem der blot bliver større efterhånden som Wendy Freedman og andre mindsker universets anslåede alder.

„Vi savner en hovedfaktor“

Margaret Gellers tredimensionelle kort med tusinder af sammenfiltrede og bobleagtige galaksesammenhobninger har ændret forskernes billede af universet. Hun foregiver ikke at hun forstår det hun ser. Den store mur hun har opdaget, kan tilsyneladende ikke udelukkende tilskrives tyngdekraften. „Jeg føler ofte at vi savner en hovedfaktor i vore forsøg på at forstå denne struktur,“ indrømmer hun.

Margaret Geller har endvidere sagt: „Vi ved ikke hvordan vi skal fortolke en så stor struktur, sammenholdt med big bang.“ Fortolkningerne af den kosmiske struktur på grundlag af den kortlægning der i øjeblikket findes, er langtfra endegyldige. Det svarer nogenlunde til at forsøge at kortlægge hele verden ud fra en opmåling af en ø som Fyn. Margaret Geller fortsætter: „En dag opdager vi måske at vi ikke har lagt brikkerne rigtigt sammen, og når det endelig lykkes vil det være så indlysende at vi vil undre os over hvorfor vi ikke havde tænkt på det noget før.“

Det fører os frem til det største af spørgsmålene: Hvad mener man det er der har forårsaget selve big bang? Selv en forsker som Andrei Linde, der var en af ophavsmændene til den meget populære version af big bang-modellen, teorien om det inflationære univers, indrømmer åbent at standardteorien ikke besvarer dette fundamentale spørgsmål. „Det første og væsentligste problem er selve eksistensen af big bang,“ siger han. „Man spekulerer uvilkårligt på hvad der kom før. Hvis ikke der eksisterede rumtid dengang, hvordan kunne alt da opstå af intet? . . . Den moderne kosmologis vanskeligste problem er stadig at forklare denne første singularitet — hvor og hvornår det hele begyndte.“

I en artikel i tidsskriftet Discover hed det for nylig at „ingen fornuftig kosmolog vil hævde at big bang er den endegyldige teori“.

Lad os engang gå udenfor og betragte den smukke og gådefulde stjernehimmel.

[Fodnote]

[Ramme på side 5]

Lysår — en kosmisk måleenhed

Universet er så stort at dét at måle det i kilometer ville svare til at måle afstanden fra London til Tokyo med et mikrometer. En mere bekvem måleenhed er et lysår, den afstand lyset tilbagelægger på et år, hvilket svarer til 9.460.000.000.000 kilometer. Eftersom lyset er det hurtigste i universet, og det kun skal bruge 1,3 sekunder til at nå os fra Månen og omkring 8 minutter til at nå os fra Solen, er et lysår en umådelig stor afstand.

Det fantastiske univers

Smukt, men gådefuldt

PÅ DENNE årstid stråler nattehimmelen i al sin pragt. Højt over os ses det vældige stjernebillede Orion, der på en januaraften er synlig lige fra Anchorage i Alaska til Cape Town i Sydafrika. Har du for nylig taget de velkendte stjernebilleder, som for eksempel Orion, nærmere i øjesyn? For ikke længe siden benyttede astronomer det reparerede Hubble-rumteleskop til at udforske dette stjernebillede, der også kaldes Jægeren.

Fra de tre stjerner i Orions bælte hænger hans sværd. Den uklare stjerne i midten af sværdet er faktisk ikke en stjerne men den berømte Oriontåge, et objekt af storslået skønhed selv når man betragter det gennem et amatørteleskop. Det er dog ikke glansen der fascinerer professionelle astronomer mest.

„Grunden til at astronomerne udforsker Oriontågen og dens mange unge stjerner, er at der her er tale om det største og mest aktive område i vores del af galaksen, et sted hvor stjerner fødes,“ skriver Jean-Pierre Caillault i tidsskriftet Astronomy. Tågen lader til at være en kosmisk fødeafdeling. Da Hubble-teleskopet fotograferede Oriontågen og fangede nogle detaljer som man aldrig før havde set, så astronomerne ikke blot stjerner og glødende gasarter, men noget Jean-Pierre Caillault har beskrevet som „tågede små ovaler. Pletter af orange lys. Det ser ud som om man ved et uheld er kommet til at spilde noget af sin frokost på fotografiet.“ Men forskerne betragter ikke de tågede ovaler som uheld der er sket i mørkekammeret. De tror at der er tale om „protoplanetariske skiver, det første solsystem man fra en afstand af 1500 lysår har iagttaget i det øjeblik det er ved at blive dannet“. Er stjerner, eller måske hele solsystemer, i dette øjeblik ved at blive født i Oriontågen? Det mener mange astronomer.

Fra fødsel til død

Sådan som Orion med bue i hånd er anbragt på himmelen, synes han at gøre front mod stjernebilledet Tyren. Selv med et lille teleskop vil man ved spidsen af Tyrens sydligste horn kunne se en svag lysplet. Den kaldes Krabbetågen, og i et stort teleskop forekommer den at være en eksplosion under udvikling. (Se billedet side 9). Hvis Oriontågen er en slags ’fødeafdeling’ for stjerner, så er Krabbetågen gravplads for en stjerne der døde under voldsomme begivenheder.

Det er muligvis denne naturkatastrofe som er blevet observeret af kinesiske astronomer. De har beskrevet hvordan der, den 4. juli 1054, pludselig viste sig en „gæstestjerne“ i Tyren der lyste så klart at den i 23 dage var synlig selv om dagen. „I nogle få uger strålede stjernen med en lysstyrke svarende til omkring 400 millioner sole,“ siger astronomen Robert Burnham. Astronomer kalder et sådant bemærkelsesværdigt stjerneselvmord for en supernova. Endnu i dag, næsten tusind år efter, drøner resterne af denne eksplosion gennem rummet med en anslået hastighed af 80 millioner kilometer om dagen.

Hubble-rumteleskopet har også været rettet mod denne tåge, og ifølge tidsskriftet Astronomy har man opdaget „detaljer i Krabbetågen som astronomerne aldrig havde forventet“. Astronomen Paul Scowen siger at opdagelserne „sikkert vil få de teoretiske astronomer til at klø sig i nakken et godt stykke tid fremover“.

Nogle astronomer, som for eksempel Harvard-universitetets Robert Kirshner, mener at det er vigtigt at man får forståelse af resterne af supernovaer som Krabbetågen, fordi det kan medvirke til at man vil kunne måle afstanden til andre galakser, noget der i øjeblikket er genstand for intens forskning. Som vi har set har uenigheden om hvor langt der er til andre galakser resulteret i en livlig debat om hvorvidt big bang-modellen kan bruges til at forklare universets skabelse.

Over Tyren, men stadig synlig på den nordlige halvkugle på den vestlige januarhimmel, kan man se et svagt lysskær i stjernebilledet Andromeda. Dette lysskær er Andromeda-galaksen, det fjerneste objekt man kan se med det blotte øje. Orion og Tyren befinder sig så at sige lige i vores kosmiske baggård, blot nogle få tusind lysår fra Jorden. Man anslår imidlertid at Andromeda-galaksen befinder sig to millioner lysår borte. Der er tale om en stor spiral af stjerner, meget lig vor egen galakse, Mælkevejen, blot større, nemlig 180.000 lysår i diameter. Når man ser på det blide skær fra Andromeda, rammes øjnene af lys der måske er over to millioner år gammelt!

I de senere år har Margaret Geller og andre iværksat nogle ambitiøse projekter med henblik på at foretage en tredimensionel kortlægning af alle de galakser der omgiver os, og de foreløbige resultater har rejst alvorlige spørgsmål om big bang-teorien. De kosmiske kartografer har opdaget at der ikke findes en jævn fordeling af galakser i alle retninger, men derimod ’en gobelin af galakser’ med en struktur der har en udstrækning på flere millioner lysår. „Hvordan denne gobelin er blevet vævet af det så godt som ensartede stof det nydannede univers bestod af, er en af kosmologiens største gåder,“ hedder det i bladet Science.

Mens vi denne januaraften betragter nattehimmelen, bliver vi slået af dens betagende skønhed. Men det vi ser afføder også nogle spørgsmål om selve universets oprindelse og natur og de mysterier der omgiver det. Hvordan begyndte det? Hvordan opnåede det den kompleksitet det har i dag? Hvad vil der ske med de himmellegemer der omgiver os? Kan nogen besvare disse spørgsmål? Lad os se.

[Ramme på side 8]

Hvordan ved de hvor langt der er?

Når astronomer fortæller os at Andromeda-galaksen befinder sig to millioner lysår borte, er der i virkeligheden blot tale om et kvalificeret gæt. Man har ikke fundet en nøjagtig metode til at måle sådanne svimlende afstande. Afstandene til de nærmeste stjerner, de der befinder sig inden for en afstand af omkring 200 lysår, kan måles direkte ved hjælp af parallaksemåling, der indbefatter brugen af simpel trigonometri. Men denne metode kan kun bruges i forbindelse med stjerner der er så tæt på Jorden at de synes at bevæge sig ganske lidt efterhånden som Jorden kredser om Solen. De fleste stjerner, samt alle galakser, befinder sig meget længere borte. Det er her gætterierne begynder. Selv afstanden til stjerner der så at sige befinder sig i vores baggård, som den berømte røde superkæmpe Betelgeuze i Orion, må man gætte sig til. Man anslår at den befinder sig mellem 300 og 1000 lysår borte. Det bør derfor ikke overraske os at der er uenighed blandt astronomer når det gælder afstandene til galakserne, der er en million gange større.

[Ramme på side 8]

Supernovaer, pulsarer og sorte huller

Midt i Krabbetågen ligger et af de mærkeligste objekter i det kendte univers. Ifølge forskere er der tale om en lille død stjerne der roterer i sin grav 30 gange i sekundet, og udsender radiostråling der blev opdaget i 1968. Den er komprimeret til en ufattelig massefylde og kaldes en pulsar. Den beskrives som en roterende supernovarest der er så komprimeret at elektronerne og protonerne i atomerne i den oprindelige stjerne er blevet presset sammen til neutroner. Forskere mener at den engang har haft en massiv kerne svarende til en superkæmpe som Betelgeuze eller Rigel i Orion. Da stjernen eksploderede og de yderste lag spredtes i rummet, var der kun den indskrumpede kerne tilbage, en hvidglødende slagge hvor kernereaktionerne for længst var ophørt.

Forestil dig at man tager en stjerne der har en massefylde svarende til to af vore sole og presser den sammen til en kugle med en diameter på 15 til 20 kilometer. Eller forestil dig at man tager planeten Jorden og presser den sammen til den får en diameter på 120 meter. Én kubikcentimeter ville i givet fald veje over én milliard tons.

Det lader dog ikke til at pulsaren er det mest massive stof der findes. Hvis Jorden blev presset sammen så den blev på størrelse med en marmorkugle, ville dens tyngdekraft blive så stor at end ikke lys ville kunne slippe bort. En sådan lillebitte Jord ville blive til det der kaldes et sort hul. De fleste astronomer tror at disse huller findes, men man har endnu ikke bevist det, og de er tilsyneladende ikke så almindelige som man troede for nogle få år siden.

[Ramme på side 10]

Er farverne ægte?

Mennesker som udforsker himmelen gennem en lille stjernekikkert bliver ofte skuffede når de første gang lokaliserer en kendt galakse eller stjernetåge. Hvad er der blevet af de smukke farver de har set på fotografier? „Galaksernes farver kan ikke ses direkte af det menneskelige øje, end ikke gennem de største teleskoper, eftersom deres lys er for svagt til at aktivere nethindens farvefølsomme celler,“ siger astronomen Timothy Ferris, der skriver om videnskabelige emner. Det har fået nogle til at konkludere at de smukke farver man kan se på astronomiske billeder er falske, føjet til ved fremkaldelsen af fotografiet. Men det er ikke tilfældet. „Farverne er ægte,“ skriver Ferris, „og astronomerne har gjort sig store anstrengelser for at gengive dem nøjagtigt.“

I sin bog Galaxies forklarer Ferris at fotografier af fjerntliggende objekter, som for eksempel af galakser eller af stjernetåger, „er tidsoptagelser man har foretaget ved at rette et teleskop mod en galakse og lade emulsionen på en fotografisk plade belyse i op til flere timer. En mekanisme kompenserer for Jordens rotation og holder teleskopet rettet mod galaksen mens astronomen, eller i nogle tilfælde et automatisk styresystem, foretager hårfine korrektioner.“

[Diagram/illustrationer på side 7]

(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)

1 Stjernebilledet Orion kan i januar ses på nattehimmelen verden over

2 Oriontågen, et betagende foto af den tågede „stjerne“

3 Dybt inde i Oriontågen — er det en kosmisk fødeafdeling?

[Kildeangivelser]

#2: Astro Photo – Oakview, CA

#3: C. R. O’Dell/Rice University/Nasa photo

[Illustration på side 9]

Andromedagalaksen er det fjerneste objekt man kan se med det blotte øje. Dens rotationshastighed synes at være i modstrid med Newtons tyngdelov og rejser spørgsmålet om hvorvidt der findes mørkt stof der ikke kan ses gennem teleskoper

[Kildeangivelse]

Astro Photo – Oakview, CA

[Illustration på side 9]

Krabbetågen i Tyren — er det en stjernegravplads?

[Kildeangivelse]

Bill og Sally Fletcher

[Illustrationer på side 10]

Herover: Galaksen Vognhjulet. En mindre galakse kolliderede med denne galakse, bevægede sig gennem dens midte og efterlod den blå ring af milliarder af nydannede stjerner der omgiver Vognhjulet

[Kildeangivelse]

Kirk Borne (ST Scl), og NASA

Herunder: Katteøjetågen. Formationerne kan måske bedst forklares ved at centret udgøres af to stjerner

[Kildeangivelse]

J. P. Harrington og K. J. Borkowski (University of Maryland), og NASA