Hur kom universum igång?

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

Ett konstnärs koncept om hur Big Bang kan ha sett ut, om någon hade varit i närheten för att se det. HENNING DALHOFF / Getty Images

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 som de tog för att leta efter signaler som studsades från Echo ballongsatelliter. De antog då att det helt enkelt var oönskat brus och försökte filtrera bort signalen.

Antennen som Penzias och Wilson använde när de snubblat över signalerna från den kosmiska bakgrundsstrålningen som talar om universumets födelse. Fabioj, CC BY-SA 3.0

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 den kosmiska mikrovågsugnbakgrunden (CMB). CMB hade förutsagits av en teori som kallas Big Bang, som antydde att universum började som en tät het punkt i rymden och plötsligt expanderade utåt. De två mänens upptäckt var det första beviset på den ursprungliga händelsen.

Big Bang

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 ett fastställande. 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 blåsa upp en ballong: när någon blåser luft in, expanderar ballongens utsida utåt.

Ögonblicken efter Big Bang

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 spädbarnuniverset så varmt och tätt att till och med elementära partiklar som protoner och neutroner inte kunde existera. Istället kolliderade olika typer av materia (kallad materia och anti-materia) 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.

Bevis för Big Bang

Så tillbaka till Penzias och Wilson och CMB. Vad de hittade (och för vilka de vann ett Nobelpris), 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 i hela rymden. Denna signatur har specifikt studerats av rymdskeppet Cosmic Background Explorer (COBE) och Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Deras data ger det tydligaste beviset för den kosmiska födelsehändelsen. 

Den detaljerade himmelbilden av spädbarnsuniverset skapat från sju år med WMAP-data. Bilden avslöjar 13,7 miljarder år gamla temperatursvingningar (visas som färgskillnader) som motsvarar frön som växte till att bli galaxerna. NASA / WMAP Science Team

Alternativ till Big Bang Theory

Även om Big Bang-teorin är den mest accepterade modellen som förklarar universums ursprung och stöds av alla observationsbevis, finns det andra modeller som använder samma bevis för att berätta en något annorlunda historia.

En del teoretiker hävdar att Big Bang-teorin är baserad på ett falskt förutsättning - att universum är byggt på en ständigt växande rymdtid. De föreslår ett statiskt universum, vilket 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 historien, särskilt eftersom det innebär att det finns 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.