Spørgsmålet om, hvordan universet begyndte, og hvordan det vil ende, har undret menneskeheden i årtusinder. De gamle grækere og mange andre civilisationer troede, at vores univers er evigt. Aristoteles var en af de første, der tænkte anderledes, og han foreslog, at universet var indesluttet i det, han kaldte en “himmelsfære”. Til alles overraskelse opdagede man omkring 1930, at universet ikke er uendeligt gammelt, men har en endelig alder. Astronomen Edward Hubble gjorde den forbløffende observation, at alle galakser bevæger sig væk fra hinanden. Man må derfor gå ud fra, at de var tættere på hinanden for 1000 år siden end i dag, endnu tættere for 1 million år siden og så videre. Til sidst, på et tidspunkt i fortiden, for omkring 13,7 milliarder år siden, må alt stof i universet have været presset sammen ved en enormt høj tæthed og temperatur.

Big Bang. Billedkilde: Counterbalance Foundation

Da udvidelsen fra denne begyndelsestilstand forløber som en gigantisk eksplosion, blev teorien hurtigt kendt som Big Bang. Oprindeligt blev navnet Big Bang brugt ironisk og fundet på af modstandere af Big Bang-teorien, fordi det i 1930'erne forekom mange utænkeligt, at universet ikke er uendeligt gammelt. Navnet Big Bang er dog blevet brugt lige siden, fordi det appellerede til både forskeres og lægfolks fantasi.

I øjeblikket er Big Bang-teorien den mest accepterede teori om universets oprindelse – men den er langt fra fuldstændig. Big Bang-teorien forklarer, hvordan universet kan have udviklet sig efter sin skabelse, men der er mange flere kosmologiske spørgsmål. Hvordan skete Big Bang? Og hvis vores univers udvider sig, hvad udvider det sig så ind i? Nogle af disse spørgsmål er spændende nye udfordringer for astronomerne, mens andre bare er forvirrende. Vi ved for eksempel, hvad der skete med universet fra en brøkdel af et sekund efter Big Bang, men kan ikke fuldt ud forklare den første brøkdel af et sekund, hvor rum og tid blev skabt. Så hvis du spørger, hvad der var før Big Bang? Ja, så intet, for rum og tid eksisterede ikke før Big Bang, så der er intet før Big Bang, og der var intet sted for noget at være alligevel.

Big Bang-teorien siger, at alt stof eksisterede lige fra begyndelsen, men at det hele var samlet ét sted. Før Big Bang var der hverken tid eller rum. Hubble opdagede, at galakserne bevægede sig væk fra hinanden, hvilket førte til idéen om et rum, der udvider sig. Det betyder, at det ikke er galaksernes egen bevægelse, der får dem til at fjerne sig fra hinanden. Det er selve rummet, der flytter galakserne fra hinanden.

I sin generelle relativitetsteori forklarer Albert Einstein, hvordan alle objekter i rummet er indlejret i rummet, og at det er selve rummet, der udvider sig og øger afstanden mellem objekterne. Alle punkter af stof og rum var samlet i ét punkt før Big Bang, hvilket betyder, at Big Bang skete overalt.

Det er måske lettere at tænke på en gummiballon. Ballonen forestiller rummet (her i 2 dimensioner). På ballonen sætter du hundredvis af mærker, der forestiller galakser. Hvis du puster ballonen op, ser det ud, som om mærkerne bevæger sig væk fra hinanden, men i virkeligheden er ballonens overflade mellem mærkerne blevet strakt, så alle ‘galakserne’ er kommet længere fra hinanden.

Edward Hubble indså, at alle galakserne bevægede sig væk fra hinanden, ved at observere lys fra ekstremt fjerne kilder. Han fandt ud af, at dette lys var forskudt mod den røde ende af det synlige spektrum. Det kan forklares med Doppler-effekten, som siger, at lys, der udsendes af en kilde, der bevæger sig væk fra iagttageren, observeres med en lavere frekvens.

En lavere frekvens betyder, at det observerede lys ser mere rødligt ud end det lys, kilden udsender, og denne effekt kaldes rødforskydning.

Illustration af Doppler-effekten. Billedkilde: epicphysics.com

Doppler-effekten gælder for alle typer bølger, men den er lettest at forklare med lyd. Forestil dig en motorcykel, der bevæger sig hen mod en iagttager B. Dens motor udsender lydbølger (støj) i alle retninger, men efterhånden som motorcyklen kører fremad, indhenter den de lydbølger, den udsendte tidligere, så afstanden mellem bølgefronterne bliver mindre. Det øger lydbølgernes frekvens, hvilket betyder, at B hører en lysere lyd. Bag motorcyklen er effekten omvendt: Afstanden mellem bølgefronterne bliver større, efterhånden som motorcyklen bevæger sig væk fra iagttager A, der hører en dybere lyd.

Lys udsættes for en lignende effekt. For lysudsendende objekter, der bevæger sig hen mod iagttageren, presses bølgerne sammen, hvilket giver en højere frekvens og kortere bølgelængder, der ser blålige ud. For galakser, der bevæger sig væk fra os, forskydes lyset mod lavere frekvenser (længere bølgelængder) og ser mere rødt ud.

Dette billede viser, at lyset fra fjerne galakser er rødt i stedet for gult, fordi de bevæger sig væk fra os. Kilde: ESA/NASA

Teorier om, hvordan det helt tidlige univers så ud, er meget spekulative, da det er meget svært at vide noget detaljeret om ting, der skete for 13,7 milliarder år siden.

Vi ved, at temperaturen i universets begyndelse var så høj, at alt stof var opløst i elementarpartikler som kvarker, elektroner og fotoner. Der var ingen atomkerner, atomer, faste stoffer, planeter eller stjerner. På dette tidspunkt kunne kun elementarpartikler eksistere.

Omkring et millisekund efter Big Bang var temperaturen faldet nok til, at protoner og neutroner kunne dannes ved, at tre elementære kvarker smeltede sammen.

Der findes seks forskellige slags kvarker. To af dem udgør næsten alt stof: up- og down-kvarken. Tre kvarker kan gå sammen og danne enten en proton (2 up + 1 down) eller en neutron (1 up + 2 down).

I 1965 byggede to amerikanske forskere, Penzias og Wilson, en ny radioantenne med hidtil uset følsomhed for at måle satellitsignaler. Ved et tilfælde opdagede de en mystisk mikrobølgestråling, der kom fra langt ude i rummet, men de anede ikke, hvor den kom fra. Senere fandt man ud af, at denne stråling var blevet skabt ved Big Bang. Den kaldes den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, og den hæver rummets temperatur fra nul til 2,7K. Strålingen er næsten fuldstændig ens i alle retninger.

Du kan endda selv observere baggrundsstrålingen! Alle, der har set et analogt fjernsyn, før det er blevet stillet ordentligt ind, ved, at det viser ‘sne’ på skærmen. Omkring 10 % af det flimmer, man ser, skyldes baggrundsstrålingen. Det sker naturligvis ikke med digitale fjernsyn.

Hvor kommer den fra?

Efter dannelsen af de første atomkerner af brint og helium og spor af lithium forblev disse lette grundstoffer indlejret i et hav af elektroner, som stammede fra endnu tidligere øjeblikke i universets historie. Hver elektron har en negativ elektrisk ladning, mens hver proton er positivt ladet. Disse protoner og elektroner tiltrækker hinanden på grund af deres modsatte ladninger, og derfor forsøger elektronerne at danne skyer omkring protonerne.

Den høje temperatur opløser dog straks skyerne og sender protoner og elektroner gennem rummet ad tilfældige baner. Det tog 300 000 år, før universet havde udvidet sig og var kølet nok af til at nå en temperatur, hvor en elektronsky kunne forblive stabil. Kerner med tilhørende elektroner er det, vi i dag kender som atomer.

Fotoners (lyspartiklers) baner kan ændres ved sammenstød med elektriske ladninger, men de vekselvirker ikke med neutrale atomer. Derfor fortsatte de oprindelige fotoner fra Big Bang uforstyrret ad deres baner, da alle elektroner først var blevet bundet i atomer, og vi ser i dag disse fotoner som den kosmiske baggrundsstråling. Strålingen giver altså et øjebliksbillede af universet i en “spæd” alder af 300 000 år.

Figuren viser et detaljeret billede af hele himlen med det spæde univers, skabt ud fra ni års WMAP-data. De forskellige farver på billedet viser, at universet 300 000 år efter Big Bang ikke var ens overalt. Farveforskellene viser temperaturudsving, der svarer til de kim, der voksede op og blev til galakserne. Kilde: NASA/WMAP

Findes der beviser for Big Bang-teorien? Ja, teorien understøttes af følgende observationer:

1. Universets udvidelse, hvor galakserne bevæger sig væk fra hinanden. Det betyder, at alt stof i universet må have været presset sammen ved enormt høj temperatur og tæthed på tidspunktet for Big Bang.
2. Forekomsten af de lette kerner ²H, ³He, ⁴He og ⁷Li kan kun forklares, hvis man antager, at de blev dannet i de første minutter efter Big Bang.
3. Observationen af den kosmiske baggrundsstråling, der kommer fra langt ude i rummet. Denne strålings oprindelse kan forklares ved at antage, at den opstod kort efter Big Bang. 

I omkring en milliard år efter Big Bang bestod universet kun af brint og helium i gasform. Der var ingen stjerner og ingen planeter. Efterhånden begyndte nogle af gasskyerne at falde sammen om sig selv og danne protostjerner, som til sidst blev varme nok til at antænde, hvorved de allerførste stjerner opstod. Ud fra stjernerne dannes så galakser og planeter. Vores Sol blev dog først dannet, efter at generationer af stjerner var kommet og gået, 8 til 9 milliarder år efter Big Bang.

Et enkelt støvkorn fra solsystemets begyndelse. Kilde: NASA

Det omgivende støv og den omgivende gas smeltede langsomt sammen under påvirkning af tyngdekraften, efterhånden som større stykker tiltrak mindre stykker. Efterhånden som de voksede, gjorde deres vægt dem til sidst kugleformede, og de blev til planeter.

Vi er heldige, at vores solsystem blev dannet ret sent. Vores planet består af sten, som ikke fandtes tidligere i universets historie. Disse tunge grundstoffer måtte dannes af andre stjerner og derefter slynges ud i rummet igen, da stjernerne døde. Dette stof samlede sig derefter omkring vores Sol og dannede ikke kun Jorden, men også Merkur, Venus og Mars.

Solsystemet, der består af Solen og planeterne, blev dannet af en sky af gas og støv, der så nogenlunde sådan her ud. Kilde: NASA

Selvom man kan måle, hvor hurtigt galakserne bevæger sig væk fra hinanden, er det ikke let at forudsige universets fremtid. Universets udvidelse er først og fremmest drevet af Big Bang, men stoffet i universet kan ved hjælp af tyngdekraften trække alt tilbage mod centrum.

Der er en række muligheder, og det hele afhænger af universets tæthed:

1. Hvis universets tæthed er lav, vil tyngdetiltrækningen fra stoffet i universet ikke kunne overvinde udvidelsen, så universet vil fortsætte med at udvide sig for evigt. Jo lavere tæthed, desto hurtigere kan det udvide sig. Det kaldes modellen med det åbne univers.
2. Hvis universets tæthed er høj, vil universet udvide sig i et stykke tid, men bremses undervejs, indtil det når en maksimal størrelse. Så vil tyngdekraften trække alt sammen igen, indtil universet falder sammen til den singularitet, det startede med, i det, vi kalder Big Crunch. Det kaldes et lukket univers, da det har en endelig størrelse og kan føre til et nyt Big Bang, der skaber et nyt univers.
3. Hvis tætheden ligger præcis på grænsen mellem de to modeller, det vi kalder den kritiske tæthed, vil universet stadig fortsætte med at udvide sig, men udvidelseshastigheden vil aftage.

Figuren viser de tre modeller for universets udvidelse. De nuværende observationer synes at støtte modellen med det åbne univers.

Jorden er omkring 4600 millioner år gammel. I begyndelsen var Jorden så varm, at alt var smeltet. Efter 500 millioner år var Jorden kølet nok af til, at der kunne dannes oceaner, og planeten blev beboelig. Så dukkede de første primitive livsformer op i havene. Derefter tog det uhyre lang tid (omkring 4 000 millioner år), før livet udviklede sig fra de første primitive livsformer til planter, så til dyr og til sidst til mennesker.

Mennesker har kun levet på Jorden i de sidste 4 millioner år. Og det er kun i mindre end 100 år, at menneskeheden har haft en forståelse af, hvordan universet er opbygget, og hvordan det opstod ved Big Bang.

Forholdene på Jorden var præcis rigtige for liv. Den har lige præcis den rette temperatur til flydende vand, ligger tæt nok på Solen til at kunne udnytte dens energi, har ilt, som vi kan indånde, og en måne, der stabiliserer vores klima.

Denne illustration viser de naturfænomener, der har skabt livet, som vi kender det på Jorden. Kilde: California Space Institute

Mange forskere mener, at der findes liv uden for Jorden. Med milliarder af andre stjernesystemer virker det absurd at tro, at Jorden er den eneste planet, der kan rumme liv. I vores solsystem er de mest sandsynlige steder, hvor der kunne findes primitivt liv, Mars og en af Jupiters måner. På Mars er der tegn på, at der tidligere har været vand, og forskerne mener, at der på Europa ligger et gigantisk ocean under den isdækkede overflade.

Pr. 2011 var der opdaget godt over 500 planeter uden for solsystemet, og der bliver hele tiden fundet flere. På nogle af dem kunne der være lige præcis de rette betingelser for liv. Måske kunne der findes teknologiske civilisationer, der er langt mere avancerede end os. Nogle mener dog, at hvis der var så mange rumvæsner derude, ville vi have set nogle af dem nu. Det kaldes Fermis paradoks, fordi det var Enrico Fermi, der først formulerede idéen. En af de mest sandsynlige forklaringer er, at de enorme afstande mellem forskellige avancerede civilisationer gør kontakt umulig. Selv hvis der var 1000 avancerede civilisationer derude, ville det, hvis vi alle er 1000 lysår fra hinanden, være usandsynligt, at nogen ville komme på besøg på Jorden.

Nogle forskere mener, at det er utroligt heldigt, at universet – blandt alle de uendeligt mange måder, det kunne have udviklet sig på – netop har udviklet sig sådan, at der er skabt præcis de rette betingelser for, at vi kan overleve. På tidspunktet for Big Bang var der for eksempel kun et bittelille overskud (en milliardtedel) af stof i forhold til antistof i universet. Hvis mængderne havde været nøjagtig ens, ville alt stof og antistof være blevet annihileret og omdannet til stråling, hvilket ville have givet et kedeligt univers uden noget fast stof, heller ikke os selv. Hvis overskuddet af stof blot havde været en lillebitte smule større eller mindre end den faktiske værdi, ville intet liv have været muligt. Hvis det havde været lidt større, ville universet være faldet sammen på grund af tyngdetiltrækningen. Der ville simpelthen ikke have været tid nok til, at liv kunne udvikle sig. Hvis overskuddet af stof på den anden side havde været lidt mindre, ville udvidelsen være gået så hurtigt, at der ikke kunne dannes nogen bundne strukturer, og universet ville kun indeholde elementarpartikler.