Universet: Definition, størrelse, Big Bang og fjerne galakser

Folk har længe haft idéer til at forklare universet. De fleste af de tidlige modeller havde jorden i universets centrum. Dette er kendt som geocentrisme. Nogle gamle grækere mente, at universet har uendeligt rum og har eksisteret i al evighed. De mente, at det havde et sæt himmelsfærer, som svarede til de faste stjerner, solen og de forskellige planeter. Kuglerne kredsede om en rund, men ubevægelig jord.

I løbet af hundreder af år førte bedre observationer til Kopernikus' solcentrerede model, kendt som heliocentrisme. Denne var meget kontroversiel på det tidspunkt og blev bekæmpet af religiøse autoriteter, især af den kristne kirke (se Giordano Bruno og Galileo).

Opfindelsen af teleskopet i Nederlandene i 1608 var et meget vigtigt øjeblik i astronomien. I midten af 1800-tallet var teleskoperne gode nok til, at man kunne se andre galakser. Det moderne optiske teleskop (der bruger synligt lys) er stadig mere avanceret. I mellemtiden forbedrede Isaac Newton ideerne om tyngdekraften og dynamikken (ligninger) og viste, hvordan solsystemet fungerede.

I 1900-tallet fik endnu bedre teleskoper astronomerne til at indse, at solsystemet befinder sig i en galakse bestående af milliarder af stjerner, som vi kalder Mælkevejen. De indså også, at der findes andre galakser uden for den, så vidt vi kan se. Dette startede en ny form for astronomi kaldet kosmologi, hvor astronomer undersøger, hvad disse galakser er lavet af, og hvordan de er spredt ud igennem, så de kan lære mere om universets historie, og hvordan det fungerer. Ved at måle galaksernes rødforskydning opdagede kosmologerne snart, at universet udvider sig (se: Hubble).

Big Bang

Den mest anvendte videnskabelige model for universet er kendt som Big Bang-teorien, som siger, at universet udvidede sig fra et enkelt punkt, der indeholdt al universets stof og energi. Der er mange former for videnskabeligt bevis, der støtter Big Bang-idéen. Astronomer mener, at Big Bang fandt sted for ca. 13,73 milliarder år siden, hvilket gør universet 13,73 milliarder år gammelt. Siden da har universet udvidet sig til at være mindst 93 milliarder lysår, eller 8,80 ×10 ²⁶meter, i diameter. Det udvider sig stadig lige nu, og udvidelsen bliver stadig hurtigere.

Astronomerne er dog stadig ikke sikre på, hvad der får universet til at udvide sig. Derfor kalder astronomerne den mystiske energi, der forårsager udvidelsen, for mørk energi. Ved at studere universets ekspansion har astronomerne også indset, at det meste af stoffet i universet kan være i en form, som ikke kan observeres af noget videnskabeligt udstyr, vi har. Dette stof er blevet kaldt mørkt stof. For at gøre det klart, at mørkt stof og mørk energi ikke er blevet observeret direkte (det er derfor, de kaldes "mørke"). Mange astronomer mener dog, at de må eksistere, fordi mange astronomiske observationer ville være svære at forklare, hvis de ikke fandtes.

Nogle dele af universet udvider sig endnu hurtigere end lysets hastighed. Det betyder, at lyset aldrig vil kunne nå frem til os her på Jorden, så vi vil aldrig kunne se disse dele af universet. Vi kalder den del af universet, som vi kan se, det observerbare univers.

Ordet univers kommer fra det gammelt franske ord Univers, som kommer fra det latinske ord universum. Det latinske ord blev brugt af Cicero og senere latinske forfattere i mange af de samme betydninger, som det moderne engelske ord bruges.

En anden fortolkning (måde at fortolke) af unvorsum er "alt roteret som ét" eller "alt roteret med ét". Dette henviser til en tidlig græsk model af universet. I denne model befandt alt stof sig i roterende kugler centreret om Jorden; ifølge Aristoteles var rotationen af den yderste kugle ansvarlig for bevægelse og forandring af alt indeni. Det var naturligt for grækerne at antage, at Jorden var stationær, og at himlen roterede omkring Jorden, fordi der kræves omhyggelige astronomiske og fysiske målinger (som Foucault-pendulet) for at bevise det modsatte.

Den mest almindelige betegnelse for "universet" blandt de gamle græske filosoffer fra Pythagoras og fremefter var το παν (Alt), defineret som alt stof (το ολον) og alt rum (το κενον).

Største betydning

Den bredeste ordbetydning af universet findes i De divisione naturae af middelalderfilosoffen Johannes Scotus Eriugena, som definerede det som alting: alt, hvad der eksisterer, og alt, hvad der ikke eksisterer.

Tid indgår ikke i Eriugenas definition; derfor omfatter hans definition alt, hvad der eksisterer, har eksisteret og vil eksistere, såvel som alt, hvad der ikke eksisterer, aldrig har eksisteret og aldrig vil eksistere. Denne altomfattende definition blev ikke overtaget af de fleste senere filosoffer, men noget lignende findes i kvantefysikken.

Definition som virkelighed

Normalt tænker man, at universet er alt det, der eksisterer, har eksisteret og vil eksistere. Denne definition siger, at universet består af to elementer: rum og tid, der tilsammen kaldes rumtid eller vakuum, og stof og forskellige former for energi og impuls, der optager rumtiden. De to slags elementer opfører sig i henhold til fysiske love, hvori vi beskriver, hvordan elementerne interagerer.

En lignende definition af begrebet univers er alt det, der eksisterer på et enkelt tidspunkt, som f.eks. nutiden eller begyndelsen af tiden, som i sætningen "Universet var af størrelse 0".

I Aristoteles' bog Fysik opdelte Aristoteles το παν (alting) i tre nogenlunde analoge elementer: materie (det stof, som universet er lavet af), form (denne materies placering i rummet) og forandring (hvordan materie skabes, ødelægges eller ændres i sine egenskaber, og på samme måde hvordan form ændres). De fysiske love var de regler, der regulerede stoffets, formens og deres egenskaber og ændringer. Senere filosoffer som Lucretius, Averroes, Avicenna og Baruch Spinoza ændrede eller forfinede disse opdelinger. Averroes og Spinoza har f.eks. aktive principper, der styrer universet, og som virker på passive elementer.

Definitioner af rum-tid

Det er muligt at danne rum-tider, der hver især eksisterer, men som ikke kan røre, bevæge sig eller ændre sig (interagere med hinanden). En nem måde at forestille sig dette på er en gruppe af separate sæbebobler, hvor personer, der bor på den ene sæbeboble, ikke kan interagere med personer på andre sæbebobler. Ifølge en almindelig terminologi betegnes hver "sæbeboble" i rumtiden som et univers, mens vores særlige rumtid betegnes som universet, ligesom vi kalder vores måne for månen. Hele samlingen af disse separate rum-tider betegnes som multiverset. I princippet kan de andre usammenhængende universer have forskellige dimensionaliteter og topologier af rumtiden, forskellige former for stof og energi og forskellige fysiske love og fysiske konstanter, selv om sådanne muligheder er spekulationer.

Observerbar virkelighed

Ifølge en endnu mere restriktiv definition er universet alt inden for vores forbundne rumtid, som kan have en chance for at interagere med os og omvendt.

Ifølge den generelle relativitetsteori vil nogle områder af rummet måske aldrig interagere med vores, selv i universets levetid, på grund af lysets begrænsede hastighed og den fortsatte udvidelse af rummet. F.eks. vil radiomeddelelser, der sendes fra Jorden, måske aldrig nå frem til nogle områder af rummet, selv om universet ville eksistere for evigt; rummet kan udvide sig hurtigere, end lyset kan krydse det.

Det er værd at understrege, at disse fjerne områder af rummet anses for at eksistere og være en del af virkeligheden i lige så høj grad som vi selv, men vi kan aldrig interagere med dem, selv i princippet. Det rumlige område, inden for hvilket vi kan påvirke og blive påvirket, betegnes som det observerbare univers.

Strengt taget afhænger det observerbare univers af observatørens placering. Ved at rejse kan en observatør komme i kontakt med et større område af rumtiden end en observatør, der står stille, således at det observerbare univers for førstnævnte er større end for sidstnævnte. Ikke desto mindre kan selv den hurtigste rejsende ikke nødvendigvis interagere med hele rummet. Typisk betyder "det observerbare univers" det univers, som vi ser fra vores udsigtspunkt i Mælkevejsgalaksen.

Universet er enormt og muligvis uendeligt stort. Den materie, der kan ses, er spredt over et område på mindst 93 milliarder lysår. Til sammenligning er diameteren af en typisk galakse kun 30.000 lysår, og den typiske afstand mellem to nabogalakser er kun 3 millioner lysår. Som eksempel kan nævnes, at vores Mælkevejsgalakse er ca. 100.000 lysår i diameter, og vores nærmeste søstergalakse, Andromedagalaksen, ligger ca. 2,5 millioner lysår væk. Det observerbare univers indeholder mere end 2 billioner (10¹² ) galakser og samlet set så mange som anslået 1×10²⁴ stjerner (flere stjerner end alle sandkorn på planeten Jorden).

Typiske galakser varierer fra dværggalakser med så få som ti millioner (10 ) ⁷stjerner til giganter med en billion (10¹² ) stjerner, der alle kredser om galaksens massecentrum. Et meget groft skøn ud fra disse tal ville således vise, at der er omkring en sextillion (10²¹ ) stjerner i det observerbare univers; en undersøgelse fra 2003 foretaget af astronomer fra Australian National University resulterede dog i et tal på 70 sextillioner (7 x 10 ). ²²

Den materie, der kan ses, er spredt ud over hele universet, når man beregner et gennemsnit over afstande på mere end 300 millioner lysår. På mindre længde-skalaer kan man imidlertid se, at materien danner "klumper", at mange atomer er kondenseret til stjerner, de fleste stjerner til galakser, de fleste galakser til galaksegrupper og -hobe og endelig de største strukturer som f.eks. galaksernes store mur.

Universets nuværende samlede massefylde er meget lav, ca. 9,9 × 10 10⁻³⁰ gram pr. kubikcentimeter. Denne masseenergi synes at bestå af 73 % mørk energi, 23 % koldt mørkt stof og 4 % almindeligt stof. Atomernes tæthed er ca. et enkelt brintatom for hver fire kubikmeter volumen. Egenskaberne ved mørk energi og mørkt stof kendes ikke. Mørkt stof bremser universets udvidelse. Mørk energi gør dets udvidelse hurtigere.

Universet er gammelt og foranderligt. Det bedste gode gæt på universets alder er 13,798 ± 0,037 milliarder år, baseret på hvad man har set af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling. Uafhængige skøn (baseret på målinger som f.eks. radioaktive dateringer) er enige, selv om de er mindre præcise og varierer fra 11-20 mia. år. til 13-15 mia. år.

Universet har ikke været det samme på alle tidspunkter i sin historie. Denne voksende størrelse forklarer, hvordan mennesker på Jorden kan se lyset fra en galakse 30 milliarder lysår væk, selv om lyset kun har rejst i 13 milliarder år; selve rummet mellem dem har udvidet sig. Denne udvidelse er i overensstemmelse med observationen af, at lyset fra fjerne galakser er blevet rødforskudt; de udsendte fotoner er blevet strækket til længere bølgelængder og lavere frekvens under deres rejse. Hastigheden af denne rumlige udvidelse accelererer, hvilket fremgår af undersøgelser af type Ia-supernovaer og andre data.

De relative mængder af forskellige kemiske grundstoffer - især de letteste atomer som hydrogen, deuterium og helium - synes at være identiske i hele universet og gennem hele dets historie, som vi kender til. Universet synes at have meget mere stof end antimaterie. Universet synes ikke at have nogen elektrisk nettoladning. Tyngdekraften er den dominerende vekselvirkning på kosmologiske afstande. Universet synes heller ikke at have nogen nettomoment eller vinkelmoment. Fraværet af nettoladning og impulsmoment er forventeligt, hvis universet er endeligt.

Universet ser ud til at have et glat rum-tidskontinuum bestående af tre rumlige dimensioner og en tidsmæssig dimension (tid). I gennemsnit er rummet meget næsten fladt (tæt på nul-krølling), hvilket betyder, at euklidisk geometri eksperimentelt set er sandt med stor nøjagtighed i det meste af universet. Universet kan dog have flere dimensioner, og dets rumtid kan have en global topologi med mange forbindelser.

Universet har de samme fysiske love og konstanter overalt. Ifølge den gældende standardmodel for fysik består alt stof af tre generationer af leptoner og kvarker, som begge er fermioner. Disse elementarpartikler vekselvirker via højst tre fundamentale vekselvirkninger: den elektrosvage vekselvirkning, som omfatter elektromagnetisme og den svage kernekraft, den stærke kernekraft, som beskrives af kvantekromodynamikken, og tyngdekraften, som i øjeblikket bedst beskrives af den generelle relativitetsteori.

Den specielle relativitetsteori gælder i hele universet i lokalt rum og tid. Ellers gælder den generelle relativitetsteori. Der er ingen forklaring på de særlige værdier, som de fysiske konstanter synes at have i hele universet, f.eks. Plancks konstant h eller gravitationskonstanten G. Der findes flere bevarelseslove, f.eks. bevarelse af ladning, bevarelse af impuls, bevarelse af vinkelbevægelse og bevarelse af energi.

Den generelle relativitetsteori

Præcise forudsigelser af universets fortid og fremtid kræver en præcis teori om gravitation. Den bedste teori, der findes, er Albert Einsteins generelle relativitetsteori, som hidtil har bestået alle eksperimentelle tests. Da der imidlertid ikke er foretaget strenge eksperimenter på kosmologiske længdeskalaer, kan det tænkes, at den generelle relativitetsteori er upræcis. Ikke desto mindre synes dens forudsigelser at stemme overens med observationerne, så der er ingen grund til at vedtage en anden teori.

Den generelle relativitetsteori indeholder et sæt af ti ikke-lineære partielle differentialligninger for rumtidsmetrikken (Einsteins feltligninger), som skal løses ud fra fordelingen af masse-energi og impuls i hele universet. Da disse er ukendte i nøjagtig detalje, har kosmologiske modeller været baseret på det kosmologiske princip, som siger, at universet er homogent og isotropisk. Dette princip hævder, at de forskellige galakser, som universet består af, har samme tyngdevirkning som et fint støv, der er fordelt ensartet i hele universet med samme gennemsnitlige tæthed. Antagelsen om et ensartet støv gør det let at løse Einsteins feltligninger og forudsige universets fortid og fremtid på kosmologiske tidsskalaer.

Einsteins feltligninger indeholder en kosmologisk konstant (Lamda: Λ), som er relateret til energitætheden i det tomme rum. Afhængigt af dens fortegn kan den kosmologiske konstant enten bremse (negativ Λ) eller fremskynde (positiv Λ) universets udvidelse. Selv om mange videnskabsmænd, herunder Einstein, havde spekuleret i, at Λ var nul, har nylige astronomiske observationer af type Ia-supernovaer afsløret en stor mængde mørk energi, der fremskynder universets udvidelse. Foreløbige undersøgelser tyder på, at denne mørke energi hænger sammen med en positiv Λ, selv om alternative teorier endnu ikke kan udelukkes.

Big Bang-modellen

Den fremherskende Big Bang-model forklarer mange af de eksperimentelle observationer, der er beskrevet ovenfor, såsom korrelationen mellem galaksers afstand og rødforskydning, det universelle forhold mellem hydrogen og heliumatomer og den allestedsnærværende, isotrope baggrundsstråling i mikrobølger. Som nævnt ovenfor skyldes rødforskydningen rummets metriske udvidelse; efterhånden som rummet selv udvider sig, øges bølgelængden af en foton, der rejser gennem rummet, ligeledes, hvorved dens energi mindskes. Jo længere tid en foton har været på rejse, jo mere ekspansion har den gennemgået; derfor er ældre fotoner fra fjernere galakser de mest rødforskydede. Bestemmelse af sammenhængen mellem afstand og rødforskydning er et vigtigt problem i den eksperimentelle fysiske kosmologi.

Andre eksperimentelle observationer kan forklares ved at kombinere rummets generelle udvidelse med atomfysik og atomfysik. Efterhånden som universet udvider sig, falder energitætheden af elektromagnetisk stråling hurtigere end af stof, da en fotoners energi falder med dens bølgelængde. Selv om universets energitæthed nu er domineret af stof, var den altså engang domineret af stråling; poetisk talt var alting lys. Efterhånden som universet udvidede sig, faldt dets energitæthed, og det blev koldere; i takt hermed kunne materiens elementarpartikler stabilt forbinde sig til stadig større kombinationer. I den tidlige del af den materiedominerede æra blev der således dannet stabile protoner og neutroner, som derefter blev forbundet til atomkerner. På dette stadium var materien i universet hovedsagelig et varmt, tæt plasma af negative elektroner, neutrale neutrinoer og positive atomkerner. Atomreaktioner mellem atomkerner førte til de nuværende store mængder af de lettere kerner, især brint, deuterium og helium. Til sidst blev elektroner og kerner kombineret til stabile atomer, som er gennemsigtige for de fleste bølgelængder af stråling; på dette tidspunkt blev strålingen adskilt fra stoffet og dannede den allestedsnærværende, isotrope baggrund af mikrobølgestråling, der observeres i dag.

Andre observationer er ikke klart besvaret af den kendte fysik. Ifølge den fremherskende teori var der en lille ubalance mellem stof og antimaterie ved universets skabelse eller udviklede sig meget kort tid derefter. Selv om stof og antimaterie for det meste annihilerede hinanden og producerede fotoner, overlevede en lille rest af stof, hvilket gav det nuværende stofdominerede univers.

Adskillige beviser tyder også på, at universet har været udsat for en hurtig kosmisk inflation meget tidligt i dets historie (ca. 10⁻³⁵ sekunder efter dets skabelse). Nylige observationer tyder også på, at den kosmologiske konstant (Λ) ikke er nul, og at universets nettomasse-energiindhold er domineret af mørk energi og mørkt stof, som ikke er blevet videnskabeligt karakteriseret. De adskiller sig fra hinanden ved deres gravitationseffekter. Mørkt stof graviterer som almindeligt stof og bremser dermed universets udvidelse; mørk energi tjener derimod til at fremskynde universets udvidelse.

Multiverse-hypotesen

Nogle mennesker tror, at der findes mere end ét univers. De mener, at der findes en række universer, der kaldes multiverset. Pr. definition kan noget i ét univers ikke påvirke noget i et andet univers på nogen måde. Multiverset er endnu ikke en videnskabelig idé, fordi der ikke er nogen måde at teste den på. En idé, der ikke kan testes eller ikke er baseret på logik, er ikke videnskabelig. Så det vides ikke, om multiverset er en videnskabelig idé.

Dette er et videnskabeligt emne, der kaldes "Universets endelige skæbne". Det er et emne inden for kosmologien. Der er mulige scenarier for dets udvikling. Det grundlæggende spørgsmål er, om dets eksistens er begrænset eller uendelig.

Universets fremtid er et mysterium. Der findes dog et par teorier baseret på universets mulige former:

• Hvis universet er en lukket kugle, vil det holde op med at udvide sig. Universet vil gøre det modsatte og blive til en singularitet, der kan give anledning til et nyt Big Bang. Dette er Big Crunch- eller Big Bounce-teorien.
• Hvis universet er en åben kugle, vil det fremskynde udvidelsen. Efter 22.000.000.000.000 (22 milliarder) år vil universet rives fra hinanden med kraften. Dette er Big Rip-teorien.
• Hvis universet er fladt, vil det udvide sig for evigt. Alle stjerner vil miste deres energi.
• Efter et googol år vil de sorte huller også være væk. Dette er universets varmedød eller Big Freeze-teorien.
• Der kan opstå en tilfældig "Boltzmann-hjerne", og tilfældige kvantefluktuationer og kvantetunnellering kan generere et nyt Big Bang efter utrolig lang tid. I løbet af uendelig tid kunne der også ske et entropifald ved hjælp af Poincaré-recurrenssætningen eller termiske fluktuationer.

Der er stor enighed blandt kosmologer om, at universets form anses for at være "flad" (parallelle linjer forbliver parallelle) og vil fortsætte med at udvide sig for evigt.