Kosmologi

Af Erling Poulsen

Kosmologien er læren om universet som helhed, dets struktur og udvikling, og det har altid optaget mennesket. Mange forskellige skabelsesmyter har været benyttet til at forklare vor eksistens.

Den grundliggende iagttagelse indenfor moderne kosmologi var, at galakserne fjernede sig fra os, og at det skete med hastigheder, der voksede med deres afstand. Det er indlysende, at det betyder at de så må have været meget tættere på hinanden engang i fortiden. Ved at regne på universets udvidelse kommer man til, at alt stof var samlet samme sted for 10-20 mia. år siden. Jo mindre plads universets energi havde, jo varmere var det. Det tidlige univers var mange milliarder grader varmt.

Geometrien i Universet
Efter Universet var dannet – med sit stof, rum, tid og naturlove – for stoffet fra hinanden med stor bevægelsesenergi. Stoffet påvirkede dog andet stof med tyngdekraft, og det bremsede udvidelsen. Der blev oplagret mere og mere tyngdeenergi i Universet, og denne kom fra bevægelsesenergien, udvidelsen blev bremset. Opbremsningen er bestemt af den gennemsnitlige massefylde, hvis den gennemsnitlige massefylde i Universet er større end OMEGAstof=1 (kaldet den kritiske tæthed), som svarer til ca. tre brintatomer/m3, vil stoffets tyngde stoppe udvidelsen,  og Universet vil ende med at falde sammen. Hvis OMEGAstof=1 vil Universet udvide sig med stadig langsommere hastighed, der går mod 0. Er OMEGAstof<1, vil Universet udvide sig i al evighed, men langsommere og langsommere. Man taler om et lukket, fladt eller åbent Univers.

 

Finopløst billede taget med ballonophængt mikrobølgeteleskop i 35 km højde i december 1998. Billedet viser ca 1° store uregelmæssigheder i baggrundsstrålingen, hvilket tyder på at OMEGAstof er meget tæt på 1, og Universet altså er fladt. Den manglende masse må derfor være en form for “mørk energi”, der frastøder på store afstande.

Størrelsen af OMEGAstof kan vurderes på forskellig måde, og giver samstemmende resultater:
Alderen på de ældste stjerner tyder på at OMEGAstof<1
Massefylden af protoner og neutroner tyder på at 0,3<OMEGAstof<0,6
Galaksehobe tyder på at 0,3<OMEGAstof<0,5
Galaksernes udvikling tyder på at 0,3<OMEGAstof<0,5
Den kosmiske mikrobølgebaggrund tyder på at OMEGAstof<=1
Supernovaer af type Ia tyder på at 0,2<OMEGAstof<0,5

Som det ses, tyder det meste af den nyere forskning på, at vi lever i et åbent univers.

q0 og Universets skæbne
Opbremsningen måles også med størrelsen q0, opbremsningsparameteren. Hvis den er 0, er Universet tomt, og intet bremser udvidelsen. Er den 0<q0<½ er OMEGAstof<1 og Universet er åbent. Er q0=½ er OMEGAstof=1 og Universet er fladt. Og er q0>½ er Universet lukket, OMEGAstof>1.

Geometrien kan også udtrykkes på følgende måde:

Åben: To parallelle linjer vil fjerne sig mere og mere fra hinanden. Som på overfladen af en saddel.
Flad: To parallelle linjer vil aldrig mødes og altid have samme afstand. Som på en almindelig tavle.
Lukket: To parallelle linjer vil nærme sig hinanden og til sidst skære hinanden. Som på en kugleoverflade.

Universets skæbne vises tit i diagrammet til højre, hvor “Universets skala” er en eller anden meget stor afstand mellem to objekter i Universet. Denne størrelse tegnes så som funktion af tiden, funktionen afhænger af q0. 

 

 

 

Nyeste resultater 2002, Ia problemet
Målingen af afstanden til supernovaer af type Ia viser, at Universet ikke bare udvider sig, men gør det med øget hastighed, til alles overraskelse er q0 negativ.
Den eneste kraft, der virker over de store afstande i Universet, er tyngden, som vi kender som en altid tiltrækkende kraft. Måske er tyngdekraften frastødende over store afstande, men hvor energien til denne kraft er, vides ikke (måske energitætheden i det tomme rum tilfører frastødende tyngde, et fysisk princip der endnu ikke er forstået). Samme målinger giver en alder på Universet på mellem 12,7 og 15,7 mia. år. Teoretisk reddes situationen af en størrelse, der kaldes Den kosmologiske konstant. En størrelse Albert Einstein fandt på i 1916 i forbindelse med Den Almene Relativitetsteori; han kunne ikke lide tanken om et dynamisk univers og indførte størrelsen for at få teorien til at medføre et stabilt univers. Senere fjernede han konstanten igen og kaldte den sin største fejltagelse. Senere har den spøgt flere gange i teoretisk fysik , og er nu måske bekræftet ved observation.

Hvis der er stof i Universet, burde fjerne supernovaer lyse kraftigere. Da der er stof, må der også være noget andet, endnu ukendt.

 

 

 

Stof og energi 


Da meget tyder på, at universet er fladt, må det meste af dets indhold være i form af usynlig energi, som også giver den acceleration, der er omtalt ovenfor. Resten er stof, hvoraf det meste er i form af endnu ukendte partikler, som kun i ringe grad vekselvirker med stof, som vi kender det. Og resten (4,4%, heraf er ca. 1% i stjernerne) er det stof vi kender i form af stjerner, tåger, planeter, atomer, træer, dig og atomer.

På grafen til højre kan Universets størrelse (dvs. den typiske afstand mellem to objekter) til forskellige tider ses. Ved udregningen er OMEGAstof sat til 0,3, OMEGAL sat til 0,7 (i forhold til den kritiske tæthed) og Universets alder er sat til 15,447 mia år (det er de anerkendte værdier for øjeblikket (juni 2001)). Der er indtegnet en stiplet ret linje for lettere at kunne se, hvordan Universet udvidede sig langsommere og langsommere i de første 10 mia. år, hvorefter det begyndte at udvide sig hurtigere og hurtigere. Det kan også illustreres ved at tegne kurven over væksthastigheden, som jo traditionelt skulle blive mindre og mindre, da stoffet bremser Universets udvidelse. Men kurven er vokset de sidste 5-6 mia. år. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nyeste resultater 2013, WMAP
Syv års analyse af resultaterne fra denne satellit har bekræftet resultaterne ovenfor og har kunnet gøre nogle mere præcise. Billedet af variationerne i baggrundsstrålingen ser nu sådan ud for hele himlen

Gennemsnitstemperaturen er 2,725˚K (˚C over det absolutte nulpunkt) de røde og blå områder er henholdsvis 0,0002˚K over og under gennemsnittet. Og tidspunktet for, hvornår denne stråling stammer fra (Universet blev gennemsigtigt) er 380.000 år efter Big Bang

Denne måling giver følgende resultater:
Der er gået 13,82 ± 0,06 milliarder år siden Big Bang
Hubblekonstanten er 67.15 ± 0,4 km/sek/Mpc
Inflationsmodellen er blevet styrket
Den totale massetæthed (tætheden af normalt stof, mørkt stof og mørk energi) er 1.0023 ± 0.0055 af den tæthed det skulle have hvis det er fladt (så ville den være 1)
Normalt stof udgør 4.9 ± 0.16 % (heraf er 0,4 % stjerner, planeter o.lign. og resten er gas), mørkt stof udgør 26.8 ± 1.4 % og mørk energi udgør resten 
Den mørke energis tilstandsligningsparameter w er 0.980 ± 0.053, efter den herskende model for Universet skulle den være 1 (hvis den er det så er w konstant for et givet rummål uafhængigt af om Universet har udvidet sig og dermed ligne Einsteins kosmologiske konstant)
Beviser at der var Helium før de første stjerner, forventet men ikke bevist
De første stjerner viste sig ved en rødforskydning z på 10.4 ± 1.2, eller da Universet var 460 ± 80 millioner år gammelt.