Universets Utvikling

 

Kort historikk

I 1920-årene oppdaget Edwin Hubble at noen stjerner, diffuse objekter som på den tiden var emne for debatt blant astronomer, varierer periodisk i utsrålt effekt. De viktigste er Kefeidene, og Hubble ble etter hvert i stand til å vise at slike stjernehoper var deler av galakser langt utenfor vår egen galakses grenser. Senere klarte han ved hjelp av sine oppdagelser å måle hastigheten og avstanden til disse galaksene. Det viste seg nemlig at Universet ikke var statisk, men utvidet seg hele tiden. Ved å analysere stjernespektre fant man bl.a. ved hjelp av dopplerformelen at spektrene var forskjøvet mot rødt, noe som måtte bety at galaksene fjerner seg fra hverandre. Hubble fant at farten er proporsjonal med avstanden mellom galaksene (Hubbles lov: v = Hr).

Kosmologer har senere forbedret Hubbles teorier og utviklet disse videre, og i dag er de fleste enige om at det er rommet mellom galaksehopene som utvider seg, altså blir Universet som helhet større. Men dette må da bety at Universet en gang har vært betydelig mindre enn det er nå, og det er her Big Bang teorien faller på plass. Man har tenkt seg ulike modeller for Universets utvikling, og det er fremdeles et åpent spørsmål hva som er mest i tråd med virkeligheten.

De fleste med en viss interesse for kosmologi har hørt om de tre modellene for Universets utvikling:

1. Steady State

Universet er statisk: Etter hvert som masse går til grunne, vil ny masse bli skapt. Dette synet var mest populært på 1960-tallet, men mistet mye av troverdigheten ved oppdagelsen av den kosmiske mikrobølgestrålingen i 1965.

2. Syklisk univers

Universet er syklisk, det vil si at det etter å ha utvidet seg over lengre tid, vil begynne å trekke seg sammen igjen. Når Universet nærmer seg den opprinnelige tilstanden ("Big Crunch"), vil imidlertid en ny utvidelse (et nytt "Big Bang") finne sted, og slik vil det fortsette i all evighet - med alternerende utvidelse og sammentrekning.

3. Ekspanderende univers

Universet utvider seg, hvilket må bety at det hadde en begynnelse, da denne utvidelsen begynte ("Big Bang"). Dette er den modellen som man finner mest grunn til å feste lit til i dag.

Steady State teorien vil vi ikke kommentere nærmere, fordi vi nokså trygt kan si at denne teorien har blitt "avlivet" bl.a. pga. oppdagelsen av mikrobølge-bakgrunnsstrålingen. Det antas at denne strålingen stammer fra glødingen i det varme, tidlige Univers, som nå er så sterkt rødforskjøvet at det ikke fortoner seg som lys, men som mikrobølger. Steady State teorien kan ikke gi noen forklaring på denne bakgrunnsstrålingen, som er omtrent lik fra alle kanter, i motsetning til teorien om Big Bang. Strålingen indikerer at Universet måtte ha vært mye tettere i fortiden.

Teorien om "the Big Bang", eller det store smellet, er nå såpass allment akseptert (til og med i den katolske kirke!) at vi kaller den standardmodellen for Universet. Både teorien om et syklisk Univers og teorien om det ekspanderende Univers baserer seg på standardmodellen. Den avgjørende faktoren for hvilken av disse teoriene som er den riktige, eller rettere sagt den mest riktige, er den gjennomsnittlige massetettheten i Universet. Dette er fordi det er massetettheten som avgjør hvor sterke gravitasjonskreftene som holder Universet sammen er. Er gravitasjonskreftene for svake, vil utvidelsen fortsette i all fremtid.

 

Syklisk Univers (Big Bang à Big Crunch)

 

fys37_red.jpg (12444 bytes)

Hvis den omtalte massetettheten i Universet er større enn den kritiske tettheten, vil gravitasjonskreftene føre til at utvidelsen av universet etter hvert vil gå saktere, og til slutt stoppe helt opp. Universet ekspanderer altså til det når en maksimumsstørrelse og trekker seg så sammen igjen til et punkt, en singularitet (se fig.).

Big Bang etterfølges dermed av det vi kan kalle Big Crunch. Enkelte teoretikere mener at etter Big Crunch kan det igjen oppstå et nytt Big Bang, og hele Universet, det vil si både tiden og rommet, vil oppstå på nytt, kanskje på helt nye vilkår enn "forrige gang" (f.eks. med andre fysiske lover enn de vi kjenner i dag). Vi sier derfor at universet er syklisk. Dette er fordi i en eventuell Big Bang singularitet vil alle fysiske lover opphøre, tid vil ikke eksistere, og tettheten vil være uendelig). Denne Big Crunch teorien kaller vi også for teorien om et lukket univers, og indikerer en ballongform på universet, noe som vil si at rommet er endelig i utstrekning.

 

Det ekspanderende Univers

fys38_red.jpg (9135 bytes)

Som vi har nevnt tidligere fant astronomene tidlig i det 20. århundret ut at galaksene beveger seg fra hverandre. Oppdagelsen av det ekspanderende Univers var en av de virkelig store intellektuelle revolusjonene i dette århundret. Det store spørsmålet er nå hva som vil skje i fremtiden – om ekspansjonen vil fortsette, eller om tyngdekraften vil være stor nok til å bremse eller kanskje stoppe utvidelsen. Det er når massetettheten i Universet er mindre enn den kritiske tettheten at vi får det vi kaller et åpent univers, altså at Universet vil fortsette å ekspandere i all fremtid. Figuren til venstre viser hvordan nabogalaksene skiller lag i en slik modell. Det er i denne sammenheng vi kommer inn på teorien om oppblåsing, eller "Inflatory Universe".

Denne ballongteorien, som ble utviklet av Alan Guth, Andrei Linde og Paul Steinhard, foreslår en meget stor utvidelseshastighet like etter Big Bang, på den tiden da energitettheten i Universet var etter alt å dømme dominert av en kosmologisk konstant (et matematisk hjelpemiddel som Einstein brukte for å gi rommet/tidrommet en generell tendens til å ekspandere), som etter hvert førte til dannelsen av all materie og all stråling som fyller Universet i dag.

Kort kan vi si at ballongteorien/oppblåsingsteorien forutsier minst to ting:

Det oppstår imidlertid en del nye spørsmål ved denne teorien, f.eks. når det gjelder temperatur i forhold til Universets størrelse og den kosmologiske konstanten, spørsmål som vi ikke har hatt ressurser til å gå nærmere inn på i dette prosjektet.

fys39_red.jpg (10475 bytes)

Skulle Universet utvide seg slik som på figuren til venstre, vil temperaturen etter hvert bli mindre og mindre, og vi vil til slutt få et veldig kaldt og øde Univers, noe som også kalles "Big Chill". Universets geometriske form vil da bli omtrent som en hestesal, dvs. motsatt av det lukkede Universet. I dette tilfellet er rommet uendelig. Det er imidlertid minst like sannsynlig at Universets tetthet ligger tett oppunder den kritiske tettheten, slik at universet vil fortsette å utvide seg nå også, men med mindre og mindre hastighet (dog aldri så lavt som null). Figuren til venstre her viser en modell av denne teorien. Her sier vi at Universet er flatt. Utvidelsen går mot null når tiden går mot uendelig.

 

 

Konklusjon – modeller for Universets utvikling

Vi har nå forsøkt å drøfte ulike sider ved de tre teoriene for Universets utvikling som vi listet opp tidligere. Vi har kunnet fastslå at Steady State teorien nok er ute av bildet, så vi står altså igjen med et ekspanderende univers, som på bakgrunn av dagens observasjoner vil fortsette å ekspandere i all evighet. Universets død vil i så fall bli en langdryg prosess. En annen mulighet er at Universet inneholder mye mer masse enn vi i dag er i stand til å observere (mørk materie) - så mye at ekspansjonen vil stoppe opp og bli fulgt av en sammentrekning. Vi kommer tilbake til denne mørke materien senere i rapporten. Dette scenariet er det samme som i alternativ 2 ovenfor, men med den viktige forskjell at det ikke er noe grunnlag for å regne med at vi deretter vil få en ny ekspansjon. Universet vil da rett og slett forsvinne, og det er like meningsløst å spørre hvor det blir av som å spørre hvor det kom fra da det ble til. Det er i denne sammenheng viktig å merke seg at det ikke bare er selve rommet som plutselig oppstår og forsvinner, men også tiden. Det finnes ikke noe før eller etter henholdsvis Big Bang og Big Crunch.

Av: John H. Embretsen, johnemb@bigfoot.com