Det ydre Univers

Om begyndelsen

Kosmologien er læren om Universet som helhed, om dets struktur og udvikling. Den grundliggende iagttagelse indenfor moderne kosmologi var, at galakserne fjernede sig fra os, og at det sker med hastigheder, der vokser med deres afstand til os. Det er derfor indlysende, at hvis man kunne skrue tiden baglæns, ville galakserne nærme sig hinanden. Ved at regne på Universets udvidelse, kommer man frem til, at alt stof var samlet på ét sted for ca. 13,7 mia. år siden (plus/minus 0,2 mia. år). Jo mindre plads Universets stof var samlet på, jo varmere var det, og det tidlige univers var mange milliarder grader varmt. Alt stof var altså samlet i et punkt for ca. 13,7 mia. år siden, men hvad med før det? Det ved man ganske enkelt intet om.

Big Bang teorien går ud på, at alt er skabt af intet. Big Bang var ikke nogen egentlig eksplosion, men en pludselig dannelse af stof, rum, tid og naturlove. Det er kun tilsyneladende, at galakserne fjerner sig fra hinanden; det er rummet, der udvider sig, mens galakserne stort set ligger stille. Før Big Bang eksisterede hverken rummet, tiden eller stoffet. De første brøkdele af et sekund af Universets historie kan Big Bang teorien ikke redegøre for, for energitætheden var større end ved de voldsomste eksperimenter, der kan udføres her på Jorden, og derfor kendes de fysiske forhold de første brøkdele af et sekund efter Big Bang ikke. Et sekund efter Big Bang var temperaturen dalet til 10 mia. grader Celsius, og nu dannedes der protoner, neutroner og elektroner. Efter ca. to minutter var temperaturen faldet til 1 mia. grader, og protoner og neutroner kunne nu begynde at smelte sammen til atomkerner. Der dannedes tunge brintkerner og heliumkerner, og de overskydende protoner er almindelige brintkerner. Det ekstremt varme unge univers var helt uigennemsigtigt; først efter, at temperaturen var faldet til ca. 3.000 grader Celsius blev Universet gennemsigtigt.

Efter nogle hundrede tusind år var temperaturen faldet til 3.000 grader, og nu kunne de positivt elektrisk ladede atomkerner indfange de negativt elektrisk ladede elektroner, der indtil nu havde været frie elektroner, og der dannedes neutrale atomer. Universets baggrundsstråling stammer fra denne proces.

Efter ca. 100 mio. år var temperaturen faldet yderligere og Universet havde udvidet sig så meget, at dannelsen af de allerførste stjerner og galakser begyndte. Stjernedannelsen var meget stor i dette tidlige stadium af Universets tilblivelse. Universet udvider sig stadigt og stjernedannelse forekommer fortsat, men om Universet vil blive ved med at udvide sig, ved vi ikke. Det afhænger af, om gennemsnitstætheden, som vi ikke kender, er tilstrækkelig høj til, at Universets egen masse vil stoppe udvidelsen, og hvis der er masse nok, vil universet begynde at trække sig sammen igen, tiden vil så at sige gå baglæns, og ende med et enormt, varmt sammenfald, som har fået navnet Big Crunch. Hvis Universets gennemsnitstæthed ikke er høj nok til at stoppe udvidelsen, vil Universet fortsætte med at udvide sig og afkøles. Universets gennemsnitstemperatur er nu på 3 grader over det absolutte nulpunkt, der er - 273,15 grader Celsius. Hvis Universet bliver afkølet til det absolutte nulpunkt, stopper molekylerne i alt stof, og stoffet ophører med at eksistere.

Billedet viser en "skive" af Universet med fordelingen af de 14.000 synlige galakser, der er nærmere end 1/2 mia. lysår. Vores galakse befinder sig ved pilen. Man ser på billedet, at galakserne hober sig sammen i "hinder", der omgiver tomrum, som Universet mest består af.

Mælkevejen

Vores galakse, Mælkevejen, har fået sit navn, fordi den fremstår som et mælkehvidt, uregelmæssigt bånd på nattehimlen. Den ser sådan ud, fordi vi befinder os inden i den. Udefra ligner den vores nabogalakse, M-31 Andromeda galaksen, og er en typisk spiralgalakse. Mælkevejen har givet navn til galakserne, for ordet galakse har sin oprindelse i det græske ord gala, der betyder mælk.

M-31, Andromeda galaksen

Mælkevejen er altså en spiralgalakse, en stor roterende spiral, der består af 200 mia. stjerner. Dens har en diameter på 100.000 lysår, og dens tykkelse er i midten ca. 10.000 lysår, men kun 700 lysår længere ude. Den er således nærmest flad som en pandekage. Solen ligger 26.000 lysår fra Mælkevejens centrum og den er 225 mio. år om at foretage et omløb. Da vi befinder os inde i galaksen, ser vi mange stjerner, når vi ser på himlen i galaksen plan, men ser vi derimod ud i rummets dybder, er der ikke så mange stjerner at se.

Mælkevejens centrum

I Mælkevejens centrum befinder der sig et sort hul. Et sort hul er en masseansamling, der er så stor, at dens gravitation forhindrer, at noget som helst undslipper den. End ikke lyset kan undslippe et sort hul. Det sorte hul i Mælkevejens centrum indeholder 2,6 millioner solmasser på et område, der er mindre end 10 lysminutter (ca. 200 mio. km.). Der er observeret en stjerne i kredsløb om Mælkevejens centrum; den har en langstrakt bane og en omløbstid på 15 år. Den er kun 17 lystimer fra centrum, når den er nærmest, og dens hastighed er da 5.000 km/sek. Det er disse tal, der har gjort det muligt at beregne det sorte huls masse. Stjernens kredsløb vil efterhånden blive mindre og mindre, og når den når ind til en mindsteafstand på 2-3 lystimer, vil tyngdekræfter rive den i stykker, og dens stof vil i en skive hvirvle ind mod hullet. Mens stoffet hvirvler ind vil gnidningsmodstand varme stoffet op til meget høje temperaturer, og der udsendes gammastråling. Til sidst forsvinder stoffet ind i det sorte hul. Andre galakser har også sorte huller i deres centrum, og nogle sorte huller er meget aktive og optager meget store mængder stof. Mælkevejens sorte hul er meget stille, den optager ikke ret meget stof i øjeblikket. Ud fra måling af gammastrålingen fra Mælkevejens sorte centerhul kan det beregnes, at det sluger, hvad der svarer til en gennemsnits komet om dagen. Tidligere har det været mere forslugent og det bliver det sikkert igen engang i fremtiden.

Afstanden til galakserne

Når vi ser ud i Universet, ser vi samtidig tilbage i tiden. Med de store teleskoper på Jorden og med Hubble teleskopet foretager vi tidsrejser tilbage i tiden. De fjerneste galakser, vi har observeret befinder sig ca. 13 mia. lysår væk. Billedet viser Hubble teleskopets dybeste kig ud i Universet nogensinde (13 mia. lysår)

Længere tilbage i tiden kan vi ganske enkelt ikke se. Og hvorfor så ikke? Vil man kigge dybere, støder man på den tid, hvor Universet endnu ikke var afkølet til 3.000 grader Celsius. Ved temperaturer over 3.000 grader er Universet uigennemsigtig. Derfor møder vi en barriere, når vi nærmer os tiden nogle hundrede millioner år efter Big Bang.

Måling af afstande i Universet er en kompliceret affære. I begyndelsen af forrige århundrede opdagede astronomerne en type variable stjerner, der kaldes cepheider. Disse stjerner udsender meget energi, og deres periode og deres lysstyrke hænger sammen på en måde, så man ved at måle deres periode kan beregne deres samlede lysudsendelse. Ved at sammenligne den samlede lysudsendelse med lysstyrken set fra Jorden, kan man finde afstanden, for lysstyrken aftager som bekendt med afstanden. På den måde fastslog man, at afstanden til Andromeda galaksen var over 2 mil. lysår. Tidligere havde man antaget, at Andromeda galaksen var en gaståge i Mælkevejen, men da man nu kendte dens afstand, forstod man, at den var en selvstændig galakse. Målemetoden med cepheider virker ud til en afstand på adskillige lysår, men når afstanden til fjerne galakser skal bestemmes, må man tage andre midler i brug. I dag bruger man observationer af supernovaer til at måle afstande på flere milliarder lysår. En supernova er en gigantisk eksplosion, der afslutter meget tunge stjerners liv. Energiudsendelsen ved supernovaer er ret ens, og en sammenligning med en supernovas tilsyneladende lysstyrke giver afstanden til galaksen, der rummer supernovaen. Med denne metode kan man måle afstande op til 4 milliarder lysår.

Edge-On Galaxy

Om et objekt nærmer sig eller fjerner sig fra iagttageren, kan måles ved at se om det lys, vi modtager, er mere blåt eller mere rødt end det burde være. Det har vist sig, at galakserne bevæger sig væk fra os med større hastigheder jo fjernere, de er. Det kaldes Hubbles Lov. Med Hubbles Lov kan endnu fjernere galaksers afstand måles. Man måler rødforskydningen, og det giver direkte afstanden.

Den manglende masse

Stjernerne bevæger sig rundt om galakserne centre, og jo hurtigere en stjerne bevæger sig, jo tungere må galaksen være, for at kunne fastholde stjernen i sin kredsløb. Man kan altså måle på stjerners hastigheder og bruge målingerne til at beregne galaksers masse. Når man bruger denne metode, støder man på et problem, nemlig at galakserne er ca. 10 gange tungere end massen af de stjerner og gasskyer, vi kan se. Hvad den manglende masse består af, vides ikke, men et godt bud kunne være, at der findes mange flere sorte huller, end vi regner med.

Galaksernes fordeling

Galakserne klumper sig sammen i hobe. I vores lokale hob er der 20 galakser, hvoraf de 3 er spiralgalakser, nemlig Mælkevejen, Andromeda galaksen og en tredie, Triangulum galaksen, der har betegnelsen M-33. M-33 er ca. 2,5 mio. lysår væk, men den nærmer sig Mælkevejen med en hastighed på 24 km/sek. De andre galakser i den lokale hob er små og uregelmæssige.

M-33 Triangulum Galaxy

Galaksehobene er ikke jævnt fordelt i Universet; man kan finde store områder, hvor der ingen hobe er. Universet ligner faktisk sæbeskum, med galakser der, hvor sæbehinderne er, og store tomme bobler imellem dem. Hvorfor Universet er opbygget på denne måde, vides ikke.