Big Bang

Denne artikkelen omhandler Big Bang-teorien. For det norske bandet, se Bigbang. For det koreanske bandet, se Bigbang (sørkoreansk band)

Tradisjonell fremstilling av Big Bang-teorien

Big Bang-teorien (Illustrasjon).

The Big Bang, også kalt det store smellet eller ursmellet, er populærnavnet på en type teoretiske modeller innen kosmologien som beskriver universets begynnelse og utvikling.

Big Bang-modeller av universets historie ble studert av den russiske matematikeren Aleksander Friedmann allerede i begynnelsen av 1920-årene. Han påviste at Albert Einsteins generelle relativitetsteori naturlig fører til ekspanderende modeller av universet. I 1927, uavhengig av Friedmann, kom den belgiske astronomen og fysikeren Georges Lemaître frem til det samme resultatet.

Modellene til Friedmann og Lemaitre ble først tatt alvorlig etter at den amerikanske astronomen Edwin Hubble i 1929 påviste at fjerne galakser beveger seg vekk fra oss, og med en hastighet som øker proporsjonalt med avstanden fra oss. De ekspanderende løsningene i generell relativitetsteori gir en naturlig tolkning av disse observasjonene som et resultat av at rommet mellom galaksene utvider seg. Lemaîtres artikkel fra 1927 ble oversatt til engelsk i 1931, men da uten konstanten som siden har blitt kalt Hubbles konstant.

At rommet utvider seg betyr at den fysiske avstanden mellom to gitte objekter øker med tiden. Som en konsekvens av dette må alt innenfor den delen av universet som vi kan observere en gang for lenge siden ha vært samlet på et mye mindre område. Ekstrapolerer man modellene langt nok tilbake i tid, kommer man til et punkt hvor alt innenfor det observerbare universet var samlet i et uendelig lite område.

Nøyaktig hvor lenge siden universet var slik avhenger av parametre som for eksempel massetettheten i universet. Med de beste målingene av de relevante størrelsene man har tilgjengelig nå, finner man at dette var universets tilstand for omtrent 13,8 milliarder år siden. Det er imidlertid all grunn til å tro at modellen bryter sammen før vi kommer til dette punktet, blant annet fordi kvantegravitasjonseffekter blir viktige. Big Bang-modellene sier derfor strengt tatt ingenting om universets tilblivelse, men bør oppfattes som modeller for universets historie og utvikling fra en tett og varm fase fram til dagens situasjon.

Det viktigste empiriske grunnlaget for Big Bang-modellene er den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, mengdeforholdene av de letteste grunnstoffene, og det kosmologiske rødskiftet.

Selve navnet «Big Bang» ble introdusert av den engelske astrofysikeren Fred Hoyle i 1949.

Observasjonelt bevis

Hubbles-Lemaîtres lov og kosmologisk ekspansjon

Utdypende artikkel: Hubbles lov

Observasjoner tyder på at alle galakser som er tilstrekkelig langt unna oss til at gravitasjonsvirkningen mellom galaksen og Melkeveien er neglisjerbar, beveger seg bort fra oss. Altså utvider universet seg. Vi kan vite det fordi lyset til mange objekter, som for eksempel galakser, er rødforskjøvet. Hastigheten galaksene beveger seg bort fra oss med er proporsjonal med avstanden til dem. Både farten og avstanden øker: v = H₀ D, der:

• v er hastigheten målt langs forbindelseslinjen mellom oss og galaksen som observeres,
• H₀ er Hubbleparameteren, målt til 70.4 +1.3
  −1.4 km/s/Mpc,
• D er avstanden til galaksen som observeres.

Denne lineære sammenhengen er kjent som Hubbles–Lemaîtres lov. Gitt antakelsen at universet er homogent og isotropt betyr denne observasjonen at hele det synlige universet må ha vært samlet i et svært lite området på et tidligere tidspunkt.

Egentlig er det selve rommet som utvider seg, og tar med seg galaksene som står stille. Hvis rommet utvider seg, betyr det at det må ha hatt en mye større tetthet før, for hvis universet utvider seg, synker temperaturen.

Kosmisk mikrobølgebakgrunn

Forutsigelsen om at universet tidligere har vært i en svært tett tilstand innebærer også at temperaturen må ha vært svært høy. Når temperaturen er så høy at en stor andel av fotonene i den termiske strålingen kan ionisere hydrogen vil midlere fri veilengde for et foton være kort. Når universet utvidet seg falt temperaturen, og når temperaturen var lav nok til at hydrogen ikke lenger ble ionisert ble universet gjennomsiktig. Ifølge Big Bang-teorien skal det ikke ha vært noen vesentlig absorpsjon av denne strålingen etter denne fasen. Den kritiske temperaturen der strålingen ble frigjort var ca. 3300 K og rødforskyvningen siden denne fasen er omkring z=1100. Dette betyr at Big Bang-teorien forutsier at universet har en homogen og isotrop bakgrunn av termisk stråling med en karakteristisk stråling omkring 3 K. Denne strålingen er observert i overensstemmelse med forutsigelsen og er målt i stor nøyaktighet av blant annet satellittene COBE og WMAP. Arno Penzias og Robert Wilson observerte bakgrunnsstrålingen i 1965.

Hvis vi kunne hente kunnskap fra flere typer stråling enn elektromagnetisk stråling, ville vi kanskje fått flere og nye svar.

Mengdeforhold av lette grunnstoffer

Den høye temperaturen og tettheten ved begynnelsen av Big Bang innebærer at i en kort periode kunne protoner og nøytroner fusjonere til tyngre kjerner. Denne prosessen er kjent som Big Bang-nukleosyntese. Gitt forholdet mellom antall nøytroner og antall protoner på dette tidspunktet forutsier Big Bang-modellen i hvilke mengder de ulike grunnstoffene ble laget. De grunnstoffene som ble dannet i nukleosyntesen er deuterium, helium-3, helium-4 og litium-7. Forutsigelsen fra modellen er i tilfredsstillende overensstemmelse med observasjoner.

Inflasjonsepoken

De enkleste Big Bang-modellene har en rekke problemer, blant annet:

• Horisontproblemet: På grunn av lysets endelige hastighet vil man forvente at ikke hele det observerbare univers har vært i kausal kontakt på noe tidspunkt. Dette står i motsetning til observasjonen at den kosmologiske bakgrunnsstrålingen er isotrop.
• Flathetsproblemet: Universet vi observerer er flatt, det vil si at geometrien er euklidsk. I enkle Big Bang-modeller krever dette ekstrem finjustering av massetettheten i det tidlige univers, siden ekspansjonen driver geometrien bort fra flat geometri med mindre krumningen i utgangspunktet var eksakt null.

Begge problemene løses hvis man antar at universet en gang like etter Big Bang hadde en fase med svært rask ekspansjon. En slik rask ekspansjon vil kunne drive områder i kausal kontakt så langt fra hverandre at de ennå ikke har kommet i kausal kontakt igjen. Dette forutsetter at rommet har ekspandert så raskt at avstanden mellom punkter økte mye raskere enn lyshastigheten. Flathetsproblemet løses ved at den raske ekspansjonen naturlig driver universets geometri mot en flat geometri uavhengig om det har positive eller negativ krumning. Dermed gir inflasjonshypotesen en naturlig forklaring på hvorfor universet ser ut til å startet i en tilstand om var svært nær flat geometri.

Det finnes ingen konsensus om hva som forårsaket den raske ekspansjonen i inflasjonsepoken.

Kontroverser

Big Bang-teorien var i begynnelsen kontroversiell. Fred Hoyles «steady state»-teori var basert på en modell av Einstein fra 1917 med et sfærisk og statisk univers. Einstein møtte Lemaitre i 1927, men lot seg ikke overbevise. Hubbles observasjoner kunne ha alternative forklaringer, og Einstein arbeidet med en forening av et statisk univers og Hubbles observasjoner i 1931, et arbeid han gav opp. Han godtok, sannsynligvis motvillig, ideen om et ekspanderende univers.

Hoyle reviderte sin teori for et statisk univers, og kom blant annet med en «quasi-steady state»-kosmologi i 1993. Hoyle var motstander av Big Bang-teorien hele sitt liv.

Behovet for fininnstilling, og da særlig Flathets-problemet, er en av teoriens gjenstående svakheter. Balansen mellom energi og masse må ha hatt en nøyaktighet på 10⁻⁶² for at universet ikke skulle bli en kule eller hyperbolsk.

Det faktum at teoriens far, Georges Lemaitre, var ordinert prest, førte til at enkelte avviste ham som ekte vitenskapsmann, mens andre avviste teorien som i strid med Bibelen.

Ung jord kreasjonister avviser teorien fordi den forutsetter at universet er mye eldre enn det helt bokstavelige tolkninger av Bibelen kan gi inntrykk av.

Pave Pius XII uttalte, til Hoyles fryd og Lemaitres frustrasjon, at Big Bang-teorien kunne brukes til å bevise Gud. Pave Frans erklærte i 2014 at «...Big bang er virkelig, og Gud er ikke en magiker med en tryllestav.»

Motstanden mot Big Bang-teorien har derfor stått sterkest i protestantiske miljøer, hvor man har støttet «vitenskapen» gjennom ideene til Hoyle og Einstein, har vært kritiske til paven, og ikke har hatt noe pavelig akademi som vitenskapelig autoritet. I 2017 mente 38 % av den amerikanske befolkningen at jorden var mindre enn 10 000 år gammel.

Se også

• Det observerbare universet

Eksterne lenker

• (en) Big Bang – kategori av bilder, video eller lyd på Commons
• (en) det store smellet i Unified Astronomy Thesaurus