Big Bang och alltingens ursprung

Hur började universum? Det är en fråga som forskare och filosofer har funderat över genom historien när de tittade på stjärnhimlen ovanför. Det är astronomiens och astrofysikens uppgift att ge ett svar. Men det är inte lätt att hantera.

De första stora glimmerna av ett svar kom från himlen 1964. Det var när astronomerna Arno Penzias och Robert Wilson upptäckte en mikrovågsignal begravd i data de tog för att leta efter signaler som studsades från Echo ballongsatelliter. De antog vid den tiden att det var helt enkelt oönskat brus och försökte filtrera bort signalen.

Det visar sig dock att det de upptäckte kom från en tid kort efter universums början. Även om de inte visste det då, hade de upptäckt Kosmisk mikrovågsugnbakgrund

Vad började universumets födelse? Enligt fysik sprang universum till existens från en singularitet - en term fysiker använder för att beskriva rymdområden som trotsar fysikens lagar. De vet väldigt lite om singulariteter, men det är känt att sådana regioner finns i kärnorna i svarta hål. Det är en region där all massa som sopas upp av ett svart hål pressas in i en liten punkt, oändligt massiv, men också mycket, väldigt liten. Föreställ dig att klämma jorden till något som är storleken på en kärnpunkt. En singularitet skulle vara mindre.

Det är inte att säga att universum började som ett svart hål, dock. Ett sådant antagande skulle väcka frågan om något som finns innan Big Bang, som är ganska spekulativ. Per definition fanns inget före början, men det faktum skapar fler frågor än svar. Till exempel, om ingenting fanns före Big Bang, vad gjorde att singulariteten skapades i första hand? Det är en "gotcha" -fråga som astrofysiker fortfarande försöker förstå.

Men när singulariteten skapades (hur som helst det hänt) har fysiker dock en god uppfattning om vad som hände nästa. Universum befann sig i ett hett, tätt tillstånd och började expandera genom en process som kallas inflation. Det gick från mycket liten och mycket tät, till ett mycket hett tillstånd. Sedan kyldes den när den expanderade. Denna process kallas nu Big Bang, en term som först myntades av Sir Fred Hoyle under en British Broadcasting Corporation (BBC) radiosändning 1950.

Även om termen innebär någon form av explosion, fanns det verkligen inte ett utbrott eller ett bang. Det var verkligen den snabba expansionen av rum och tid. Tänk på det som att spränga en ballong: när någon blåser luft in, expanderar ballongens utsida utåt.

Det mycket tidiga universum (i taget några bråkdelar av en sekund efter att Big Bang började) var inte bundet av fysikens lagar som vi känner dem idag. Så ingen kan med stor noggrannhet förutsäga hur universumet såg ut då. Ändå forskare ha kunnat konstruera en ungefärlig representation av hur universum utvecklades.

För det första var spädbarnsuniverset så varmt och tätt att till och med elementära partiklar som protoner och neutroner kunde inte existera. Istället olika typer av materia (kallas materia och antimateria) kolliderade tillsammans och skapade ren energi. När universum började svalna under de första minuterna började protoner och neutroner bildas. Långsamt samlades protoner, neutroner och elektroner för att bilda väte och små mängder helium. Under de miljarder år som följde bildades stjärnor, planeter och galaxer för att skapa det nuvarande universum.

Så tillbaka till Penzias och Wilson och CMB. Vad de hittade (och för vilka de vann en Nobelpriset), beskrivs ofta som ”ekot” från Big Bang. Det efterlämnade en signatur av sig själv, precis som ett eko som hörs i en kanjon representerar en "signatur" av det ursprungliga ljudet. Skillnaden är att i stället för ett hörbart eko är Big Bangs ledtråd en värmesignatur över hela rymden. Denna signatur har studerats specifikt av rymdskeppet Cosmic Background Explorer (COBE) och Wilkinson Mikrovågsugn Anisotropy Probe (WMAP). Deras data ger det tydligaste beviset för den kosmiska födelsehändelsen.

Medan Big Bang teori är den mest accepterade modellen som förklarar universums ursprung och stöds av alla observationsbeviset, det finns andra modeller som använder samma bevis för att berätta något annorlunda berättelse.

Vissa teoretiker hävdar att Big Bang-teorin bygger på ett falskt premiss - att universum är byggt på en ständigt växande rymdtid. De föreslår ett statiskt universum, som ursprungligen förutsades av Einsteins teori om allmän relativitet. Einsteins teori modifierades först senare för att tillgodose hur universum verkar expandera. Och expansion är en stor del av berättelsen, särskilt när det handlar om existensen av mörk energi. Slutligen verkar en omberäkning av universumets massa stödja Big Bang-teorin om händelser.

Medan vår förståelse av de faktiska händelserna fortfarande är ofullständig, hjälper CMB-data att forma teorierna som förklarar kosmos. Utan Big Bang kunde inga stjärnor, galaxer, planeter eller liv existera.

• Big Bang är namnet som ges till universums födelsehändelse.
• Big Bang tros ha inträffat när något inledde en utvidgning av en liten singularitet, för cirka 13,8 miljarder år sedan.
• Ljus från kort efter Big Bang kan detekteras som den kosmiska mikrovågsstrålningen (CMB). Det representerar ljus från en tid då det nyfödda universum tändes upp cirka 380 000 år efter att Big Bang inträffade.

• "Big Bang." NASA, NASA, www.nasa.gov/subject/6890/the-big-bang/.
• NASA, NASA, science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-powered-the-big-bang.
• "Origins of the Universe." nationella geografiska, National Geographic, 24 april. 2017, www.nationalgeographic.com/science/space/universe/origins-of-the-universe/.

Uppdaterad och redigerad av Carolyn Collins Petersen.