Rymden var inte alltid så stor
Det expanderande universumet, fullt av galaxer och den komplexa struktur som vi observerar i dag, uppstod från ett… mindre, hetare, tätare och mer enhetligt tillstånd. Men även detta ursprungliga tillstånd hade sitt ursprung, med kosmisk inflation som den främsta kandidaten till var allt detta kom ifrån.
C. Faucher-Giguère, A. Lidz och L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
Det finns få saker som vi kan föreställa oss som är så förbluffande stora som rymden är. Vårt observerbara universum, som sträcker sig ut till de djupaste avkrokarna av rymden som vi möjligen kan se, tar oss omkring 46 miljarder ljusår i alla riktningar. Från Big Bang fram till i dag har vårt universum expanderat samtidigt som det har haft gravitation, vilket har gett upphov till stjärnor och galaxer som är utspridda över rymdens vidder. Sammanlagt finns det för närvarande cirka 2 biljoner galaxer i det.
Och ändå, om vi går tillbaka i tiden får vi veta att vårt universum inte bara var en mycket mindre plats, utan att det i de tidigaste stadierna inte alls var imponerande stort. Rymden har kanske inte alltid varit stor, och det är bara det faktum att vårt universum har expanderat så grundligt och obevekligt som gör att vi ser det som så stort och tomt i dag.
Det avlägsna universumet, som vi här ser det genom Vintergatans plan, består av stjärnor och… galaxer samt ogenomskinliga gaser och stoft, som sträcker sig så långt bakåt som vi kan se. Men vi vet att vi inte ser allt, oavsett hur vi tittar.
Two Micron All Sky Survey (2MASS)
Om vi tittar på universum idag går det inte att förneka dess enorma skala. Vår galax Vintergatan innehåller någonstans i närheten av 400 miljarder stjärnor och sträcker sig över 100 000 ljusår i diameter. Avstånden mellan stjärnorna är enorma, och den närmaste stjärnan till vår sol (Proxima Centauri) befinner sig cirka 4,24 ljusår bort: över 40 biljoner kilometer.
Men även om vissa stjärnor är hopklumpade i grupper, antingen i flerstjärniga system eller stjärnhopar av olika slag, så är majoriteten av dem som vår sol: enstaka stjärnor som är relativt isolerade från alla andra inom en galax. Och när man går bortom vår egen galax blir universum mycket glesare, med endast en liten del av universums volym som faktiskt innehåller galaxer. Större delen av universum är, så vitt vi kan se, helt utan stjärnor och galaxer.
Universum är en fantastisk plats, och det sätt på vilket det blev till i dag är något som är mycket värt att vara … tacksam för. Även om våra mest spektakulära bilder av rymden är rika på galaxer är majoriteten av universums volym helt utan materia, galaxer och ljus.
NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI / AURA); J. Blakeslee
Vår lokalgrupp innehåller till exempel en annan stor galax: Andromeda, som ligger 2,5 miljoner ljusår från oss. Ett antal betydligt mindre galaxer finns också, bland annat Triangulumgalaxen (lokalgruppens tredje största), Stora Magellanska molnet (nr 4) och cirka 60 andra mycket mindre galaxer, alla inom cirka 3 miljoner ljusår från oss.
Ovanför detta finns galaxer klumpade och grupperade tillsammans i hela universum, med ett kosmiskt nät som består av stora galaxhopar som är sammanlänkade med galaxprickiga trådar. Universum kom att bli så här eftersom det inte bara expanderade och kyldes av, utan också för att det graviterade. De ursprungligen övertäta regionerna drog företrädesvis till sig materia och gav upphov till de strukturer som vi ser. De undertäta regionerna lämnade ifrån sig sin materia till de tätare regionerna och blev de stora kosmiska tomrummen som dominerar större delen av universums volym.
Växlingen av den kosmiska väven och den storskaliga strukturen i universum, som här visas med… expansionen i sig skalad ut, resulterar i att universum blir mer kluvet och klumpigare med tiden. Initialt kommer små densitetssvängningar att växa och bilda en kosmisk väv med stora tomrum som skiljer dem åt, men det som verkar vara de största väggliknande och superklusterliknande strukturerna är kanske trots allt inte riktiga, bundna strukturer.
Volker Springel
Sammantaget är vårt observerbara universum i dag verkligen enormt. Centrerat på någon observatör – inklusive oss själva – kan vi objekt så långt bort som 46,1 miljarder ljusår i alla riktningar. När man räknar ihop allt detta motsvarar det en volym på 4,1 × 1032 kubiska ljusår. Med till och med två triljoner galaxer i universum betyder det att varje galax i genomsnitt har ungefär 2 × 1020 kubiska ljusår i volym för sig själv.
Om alla galaxer var jämnt fördelade i universum, vilket de definitivt inte är, skulle man kunna sätta fingret på en galax och rita en sfär runt den med en radie på ungefär 6 miljoner ljusår utan att träffa en annan galax. Vår plats i universum har hundratals gånger den täthet av galaxer som vi förväntar oss i genomsnitt. Mellan galaxgrupperna och galaxhoparna i universum ligger majoriteten av dess volym, och det är mestadels tomt utrymme.
En karta över mer än en miljon galaxer i universum, där varje punkt är en egen galax. De… olika färgerna representerar avstånden, där rödare representerar längre bort. Trots vad man kan anta av den här bilden är större delen av universum tomt, intergalaktiskt utrymme.
Daniel Eisenstein och SDSS-III-samarbetet
Men anledningen till att universum är så här stort i dag är att det har expanderat och svalnat för att nå den här punkten. Även i dag fortsätter universum att expandera med en enorm hastighet: cirka 70 km/s/Mpc. I universums mest avlägsna delar, 46,1 miljarder ljusår bort, växer mängden universum som vi kan observera med ytterligare 6,5 ljusår för varje år som går.
Det betyder att om vi extrapolerar i motsatt riktning i tiden – om vi tittar så långt bakåt som vi vill i det förflutna – kommer vi att finna universum som det var när det var yngre, varmare och mindre. I dag sträcker sig universum 46 miljarder ljusår i alla riktningar, men det beror på att det har gått 13,8 miljarder år sedan Big Bang, och vårt universum innehåller en specifik blandning av mörk energi, materia och strålning i olika former.
Om vi gick tillbaka till när universum var bara 3 miljarder år gammalt (cirka 20 % av dess nuvarande ålder) skulle vi upptäcka att det bara hade en radie på cirka 9 miljarder ljusår (bara 0,7 % av dess nuvarande volym).
Ett urval av några av de mest avlägsna galaxerna i det observerbara universum, från Hubble Ultra… Deep Field. När vi observerar universum på stora avstånd ser vi det som det var i ett avlägset förflutet: mindre, tätare, hetare och mindre utvecklat.
NASA, ESA och N… Pirzkal (European Space Agency/STScI)
Och vi har inga problem med att titta tillbaka för att se galaxer och galaxhopar när universum var så ungt; bland annat rymdteleskopet Hubble har tagit oss mycket längre tillbaka än så. Vid den här tiden var galaxerna i genomsnitt mindre, blåare, mindre i massa och mindre utvecklade, eftersom universum inte hade haft tillräckligt med tid för att bilda de största och mest massiva strukturerna av alla.
Universum är i detta tidiga skede överlag mycket tätare än vad det är i dag. Antalet materiepartiklar förblir detsamma över tiden, även när universum expanderar, vilket innebär att universum vid en ålder av ~3 miljarder år är ungefär 150 gånger tätare än vad universum är idag, vid en ålder av ~13,8 miljarder år. Istället för ca 1 protons massa per kubikmeter finns det närmare 100 protons massa per kubikmeter. Vi kan dock gå tillbaka till mycket tidigare tider och hitta ett universum som inte bara är mindre och tätare, utan också dramatiskt annorlunda.
De första stjärnorna i universum kommer att vara omgivna av neutrala atomer av (mestadels) vätgas, som… absorberar stjärnljuset. Vätgasen gör universum ogenomskinligt för synligt, ultraviolett och en stor del av det nära infraröda ljuset, men längre våglängder kan ännu vara observerbara och synliga för observatorier i en nära framtid. Temperaturen under denna tid var inte 3K, utan tillräckligt varm för att koka flytande kväve, och universum var tiotusentals gånger tätare än vad det är idag i storskaligt genomsnitt.
Nicole Rager Fuller / National Science Foundation
Om vi går tillbaka till den tid då universum bara var 100 miljoner år gammalt – mindre än 1 % av dess nuvarande ålder – börjar saker och ting att se dramatiskt annorlunda ut. De allra första stjärnorna hade börjat bildas först nyligen, men det fanns inga galaxer ännu, inte ens en enda. Universum är ungefär 3 % av sin nuvarande storlek vid denna tidpunkt, vilket innebär att det bara har 0,003 % av sin nuvarande volym och 40 000 gånger sin nuvarande densitet. Den kosmiska mikrovågsbakgrunden är vid denna tidpunkt tillräckligt varm för att koka flytande kväve.
Men vi kan gå mycket längre tillbaka i tiden och upptäcka ett ännu mindre universum. Ljuset från den kosmiska mikrovågsbakgrunden som vi ser sändes ut när universum bara var 380 000 år gammalt: när det var mer än en miljard gånger tätare än det är idag. Om du ritade en cirkel runt vår lokala superkluster i dag, Laniakea, skulle den omsluta en mycket större volym än vad hela det observerbara universum gjorde under de tidiga, heta och täta stadierna.
Vid de höga temperaturer som uppnåddes i det mycket unga universum kan inte bara partiklar och fotoner… spontant skapas, om de får tillräckligt med energi, utan även antipartiklar och instabila partiklar också, vilket resulterar i en primitiv partikel- och antipartikelsoppa. Men även under dessa förhållanden kan endast ett fåtal specifika tillstånd, eller partiklar, uppstå, och när några sekunder har gått är universum mycket större än det var i de tidigaste stadierna.
Brookhaven National Laboratory
Det betyder att om vi gick tillbaka till en tid då universum var ungefär ett decennium gammalt, tio år efter att Big Bang först inträffade, skulle hela det observerbara universumet – som innehåller all den materia som vi har och som utgör 2 triljoner galaxer (och fler) idag – inte vara större än Vintergatans galax.
Det betyder att om vi gick tillbaka till en tid då endast en sekund hade förflutit sedan Big Bang, då det sista av det tidiga universums antimateria (i form av positroner) höll på att förintas, skulle hela det observerbara universum bara vara ungefär 100 ljusår i diameter.
Och det betyder att i universums mycket tidiga skeden, när endast kanske en picosekund (10-12 sekunder) hade förflutit sedan Big Bang, kunde hela det observerbara universum rymmas inom en sfär som inte var större än jordens bana runt solen. Hela det observerbara universumet var i Big Bangs tidiga skeden mindre än vårt solsystem.
Storleken på universum, i ljusår, jämfört med den tid som förflutit sedan Big Bang… Bang. Detta presenteras på en logaritmisk skala, med ett antal betydelsefulla händelser kommenterade för tydlighetens skull. Detta gäller endast det observerbara universum.
E. Siegel
Man skulle kunna tro att man kan ta universum hela vägen tillbaka till en singularitet: till en punkt med oändlig temperatur och densitet, där all dess massa och energi koncentrerades till en singularitet. Men vi vet att det inte är en korrekt beskrivning av vårt universum. I stället måste en period av kosmisk inflation ha föregått och skapat Big Bang.
Från bevis i dagens kosmiska mikrovågsbakgrund kan vi dra slutsatsen att det måste ha funnits en maximal temperatur som universum uppnådde under den heta Big Bang: inte mer än cirka 5 × 1029 K. Även om det talet är enormt är det inte bara begränsat, det ligger långt under Planckskalan. När man räknar ut matematiken finner man en minsta diameter för universum i början av den heta Big Bang: cirka 20 centimeter, eller ungefär lika stor som en fotboll.
Blå och röda linjer representerar ett ”traditionellt” Big Bang-scenario, där allting startar vid tiden t=0,… inklusive själva rymdtiden. Men i ett inflationärt scenario (gult) når vi aldrig en singularitet, där rymden går till ett singulärt tillstånd; i stället kan den bara bli godtyckligt liten i det förflutna, medan tiden fortsätter att gå bakåt i all evighet. Endast den sista minibråttan av en sekund, från slutet av inflationen, präglar vårt observerbara universum i dag. Storleken på vårt nu observerbara universum i slutet av inflationen måste ha varit minst lika stor som en fotboll, inte mindre.
E. Siegel
Det är sant att vi inte vet hur stor den icke observerbara delen av universum verkligen är; den kan vara oändlig. Det är också sant att vi inte vet hur länge inflationen varade eller vad, om något, som föregick den. Men vi vet att när den heta Big Bang började måste all den materia och energi som vi ser i vårt synliga universum idag allt det som sträcker sig 46,1 miljarder ljusår i alla riktningar ha koncentrerats till en volym som var ungefär lika stor som en fotboll.
Under åtminstone en kort tidsperiod var den enorma rymd som vi tittar ut och observerar idag allt annat än stor. All materia som utgör hela massiva galaxer skulle ha fått plats i en region av rymden som var mindre än ett suddgummi för en penna. Ändå har vi genom 13,8 miljarder år av expansion, avkylning och gravitation nått fram till det enorma universum som vi i dag befinner oss i ett litet hörn av. Rymden må vara det största vi känner till, men storleken på vårt observerbara universum är ett resultat av senare tid. Rymden har inte alltid varit så stor, och bevisen finns skrivna i universum så att vi alla kan se dem.