Spørsmålet om hvordan universet begynte, og hvordan det kommer til å ende, har opptatt menneskeheten i årtusener. De gamle grekerne og mange andre sivilisasjoner trodde at universet vårt er evig. Aristoteles var en av de første som tenkte annerledes, og han foreslo at universet var avgrenset i det han kalte en «himmelsfære». Til alles overraskelse oppdaget man rundt 1930 at universet ikke er uendelig gammelt, men har en endelig alder. Astronomen Edward Hubble gjorde den forbløffende observasjonen at alle galakser beveger seg bort fra hverandre. Man må derfor anta at de var nærmere hverandre for 1000 år siden enn i dag, enda nærmere for 1 million år siden og så videre. Til slutt, på et tidspunkt i fortiden, for omkring 13,7 milliarder år siden, må all materien i universet ha vært presset sammen med en enormt høy tetthet og temperatur.

Big Bang. Bildekilde: Counterbalance Foundation

Siden utvidelsen fra denne starttilstanden foregår som en gigantisk eksplosjon, ble denne teorien raskt kjent som Big Bang. Opprinnelig ble navnet Big Bang brukt ironisk; det ble funnet på av motstandere av Big Bang-teorien, fordi det på 1930-tallet virket utenkelig for mange at universet ikke er uendelig gammelt. Men navnet Big Bang har vært brukt helt siden, fordi det satte fantasien i sving hos både forskere og lekfolk.

For tiden er Big Bang-teorien den mest aksepterte teorien om universets opprinnelse – men den er langt fra fullstendig. Big Bang-teorien forklarer hvordan universet kan ha utviklet seg etter at det oppsto, men det finnes mange flere kosmologiske spørsmål. Hvordan skjedde Big Bang? Og hvis universet vårt utvider seg, hva utvider det seg inn i? Noen av disse spørsmålene er spennende nye utfordringer for astronomene, mens andre rett og slett er forvirrende. Vi vet for eksempel hva som skjedde med universet fra en brøkdel av et sekund etter Big Bang, men vi kan ikke fullt ut forklare den første brøkdelen av et sekund, da rommet og tiden ble skapt. Hva om du spør hva som var før Big Bang? Vel, ingenting, for rom og tid fantes ikke før Big Bang, så det finnes ikke noe før Big Bang, og det fantes ikke noe sted der noe kunne ha vært uansett.

Big Bang-teorien sier at all materie fantes helt fra begynnelsen, men at alt var samlet på ett sted. Før Big Bang fantes det verken tid eller rom. Hubble oppdaget at galaksene beveget seg bort fra hverandre, og det førte til ideen om at rommet utvider seg. Det betyr at det ikke er galaksenes egen bevegelse som driver dem bort fra hverandre. Det er rommet selv som fører galaksene fra hverandre.

I Albert Einsteins generelle relativitetsteori forklarer han hvordan alle objekter i rommet er innleiret i rommet, og at det er selve rommet som utvider seg, slik at avstanden mellom objektene øker. Alle punkter av materie og rom var samlet i ett punkt før Big Bang, og det betyr at Big Bang skjedde overalt.

Det kan være lettere å tenke på en gummiballong. Ballongen representerer rommet (todimensjonalt i dette tilfellet). På ballongen setter du hundrevis av merker som skal forestille galakser. Hvis du blåser opp ballongen, ser det ut som om merkene beveger seg bort fra hverandre, men i virkeligheten er det ballongens hud mellom merkene som har strukket seg og ført alle «galaksene» lenger fra hverandre.

Edward Hubble innså at alle galaksene beveget seg bort fra hverandre, ved å observere lys fra ekstremt fjerne kilder. Han fant ut at dette lyset var forskjøvet mot den røde enden av det synlige spekteret. Dette kan forklares med dopplereffekten, som sier at lys som sendes ut fra en kilde som beveger seg bort fra observatøren, observeres med lavere frekvens.

En lavere frekvens betyr at det observerte lyset ser rødere ut enn lyset som kilden sender ut, og denne effekten kalles rødforskyvning.

Illustrasjon av dopplereffekten. Bildekilde: epicphysics.com

Dopplereffekten gjelder for alle typer bølger, men den er lettest å forklare med lyd. Tenk deg en motorsykkel som beveger seg mot en observatør B. Motoren sender ut lydbølger (støy) i alle retninger, men når motorsykkelen kjører framover, tar den igjen lydbølgene den sendte ut tidligere, slik at avstanden mellom hver bølgefront blir mindre. Dette øker frekvensen til lydbølgene, og det betyr at B hører en lysere lyd. Bak motorsykkelen er effekten omvendt: Avstanden mellom bølgefrontene blir større når motorsykkelen beveger seg bort fra observatør A, som hører en dypere lyd.

Lys opplever en lignende effekt. For lysende objekter som beveger seg mot observatøren, presses bølgene sammen, noe som gir høyere frekvens og kortere bølgelengder, som ser blåaktige ut. For galakser som beveger seg bort fra oss, forskyves lyset mot lavere frekvenser (lengre bølgelengder) og ser rødere ut.

Dette bildet viser at lyset fra fjerne galakser er rødt i stedet for gult, fordi de beveger seg bort fra oss. Kilde: ESA/NASA

Teoriene om hvordan det helt tidlige universet var, er svært spekulative, fordi det er svært vanskelig å vite noe i detalj om ting som skjedde for 13,7 milliarder år siden.

Vi vet at temperaturen i begynnelsen av universet var så høy at all materie var oppløst i elementærpartikler som kvarker, elektroner og fotoner. Det fantes ingen atomkjerner, atomer, faste stoffer, planeter eller stjerner. På dette tidspunktet kunne bare elementærpartikler eksistere.

Omkring et millisekund etter Big Bang hadde temperaturen sunket nok til at protoner og nøytroner kunne dannes ved at tre elementære kvarker smeltet sammen.

Det finnes seks ulike typer kvarker. To av dem bygger opp nesten all materie: opp- og ned-kvarken. Tre kvarker kan slå seg sammen og danne enten et proton (2 opp + 1 ned) eller et nøytron (1 opp + 2 ned).

I 1965 bygde to amerikanske forskere, Penzias og Wilson, en ny radioantenne med enestående følsomhet for å måle satellittsignaler. Ved et tilfelle oppdaget de en gåtefull mikrobølgestråling som kom fra langt ute i rommet, men de ante ikke hvor den kom fra. Senere fant man ut at denne strålingen ble skapt i Big Bang. Den kalles den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen, og den hever temperaturen i rommet fra null til 2,7 K. Strålingen er nesten helt jevn i alle retninger.

Du kan til og med observere bakgrunnsstrålingen selv! Alle som har sett et analogt TV-apparat før det er stilt inn riktig, vet at det viser «snø» på skjermen. Omkring 10 % av flimringen man ser, skyldes bakgrunnsstrålingen. Dette skjer selvsagt ikke med digitale TV-apparater.

Hvor kommer den fra?

Etter at de første atomkjernene av hydrogen og helium og spor av litium var dannet, lå disse lette grunnstoffene innleiret i et hav av elektroner som stammet fra enda tidligere øyeblikk i universets historie. Hvert elektron har en negativ elektrisk ladning, mens hvert proton er positivt ladet. Disse protonene og elektronene tiltrekker hverandre på grunn av de motsatte ladningene, og derfor prøver elektronene å danne skyer rundt protonene.

Men den høye temperaturen løser straks opp skyene og sender protoner og elektroner gjennom rommet i tilfeldige baner. Det tok 300 000 år før universet hadde utvidet seg og kjølt seg nok ned til å nå en temperatur der en elektronsky kunne forbli stabil. Kjerner med tilhørende elektroner er det vi i dag kjenner som atomer.

Banene til fotoner (lyspartikler) kan endres ved kollisjoner med elektriske ladninger, men fotonene vekselvirker ikke med nøytrale atomer. Derfor fortsatte de opprinnelige fotonene fra Big Bang uforstyrret i banene sine så snart alle elektronene var bundet i atomer, og vi ser disse fotonene i dag som den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Denne strålingen gir altså et øyeblikksbilde av universet i en «spedbarnsalder» på 300 000 år.

Figuren viser et detaljert bilde av hele himmelen fra spedbarnsuniverset, laget av data fra ni år med WMAP-målinger. De ulike fargene i bildet viser at universet 300 000 år etter Big Bang ikke var likt overalt. Fargeforskjellene viser temperatursvingninger som tilsvarer kimene som vokste til galaksene. Kilde: NASA/WMAP

Finnes det noe bevis for Big Bang-teorien? Ja, teorien støttes av følgende observasjoner:

1. Universets utvidelse, der galaksene beveger seg bort fra hverandre. Det betyr at all materien i universet må ha vært presset sammen ved enormt høy temperatur og tetthet på tidspunktet for Big Bang.
2. Mengden av de lette kjernene ²H, ³He, ⁴He og ⁷Li kan bare forklares hvis man antar at de ble dannet i de første minuttene etter Big Bang.
3. Observasjonen av den kosmiske bakgrunnsstrålingen som kommer fra langt ute i rommet. Opprinnelsen til denne strålingen kan forklares ved å anta at den oppsto kort tid etter Big Bang. 

I omkring en milliard år etter Big Bang besto universet bare av hydrogen og helium i gassform. Det fantes verken stjerner eller planeter. Etter hvert begynte noen av gasskyene å falle sammen og danne protostjerner, som til slutt ble varme nok til å tennes, og de aller første stjernene ble til. Fra stjernene ble så galakser og planeter dannet. Sola vår ble likevel ikke dannet før flere generasjoner av stjerner hadde kommet og gått, 8 til 9 milliarder år etter Big Bang.

Et enkelt støvkorn fra solsystemets begynnelse. Kilde: NASA

Støvet og gassen rundt smeltet langsomt sammen under påvirkning av gravitasjonen, etter hvert som større biter trakk til seg mindre biter. Etter hvert som de vokste, gjorde vekten at de til slutt ble kuleformede, og de ble planeter.

Vi er heldige at solsystemet vårt ble dannet ganske sent. Planeten vår består av stein, som ikke fantes i universet i tidligere tider. Disse tunge grunnstoffene måtte lages av andre stjerner og deretter slynges ut i rommet igjen når stjernene døde. Denne materien samlet seg så rundt Sola vår og dannet ikke bare jorda, men også Merkur, Venus og Mars.

Solsystemet, som består av Sola og planetene, ble dannet av en sky av gass og støv som så omtrent slik ut. Kilde: NASA

Selv om man kan måle hvor raskt galaksene beveger seg bort fra hverandre, er det ikke lett å forutsi hva som vil skje med universet i framtiden. Universets utvidelse er først og fremst drevet av Big Bang, men materien i universet kan gjennom gravitasjonen trekke alt tilbake mot sentrum.

Det finnes flere muligheter, og alt avhenger av universets tetthet:

1. Hvis universets tetthet er lav, vil tyngdekraften fra materien i universet ikke klare å overvinne utvidelsen, og universet vil fortsette å utvide seg for alltid. Jo lavere tettheten er, desto raskere kan det utvide seg. Dette er kjent som modellen med et åpent univers.
2. Hvis universets tetthet er høy, vil universet utvide seg en stund, men bremse opp etter hvert til det når en maksimal størrelse. Deretter vil tyngdekraften trekke alt sammen igjen til universet faller sammen tilbake til singulariteten det startet med, i det vi kaller Big Crunch. Dette kalles et lukket univers, fordi det har en endelig størrelse og kan føre til et nytt Big Bang som skaper et nytt univers.
3. Hvis tettheten ligger nøyaktig på grensen mellom de to modellene, det vi kaller kritisk tetthet, vil universet fortsatt utvide seg, men utvidelsestakten vil avta.

Figuren illustrerer de tre modellene for universets utvidelse. Nåværende observasjoner ser ut til å støtte modellen med et åpent univers.

Jorda er omkring 4600 millioner år gammel. I begynnelsen var jorda så varm at alt var smeltet. Etter 500 millioner år hadde jorda kjølt seg så mye ned at hav kunne dannes og planeten ble beboelig. Så dukket de første primitive livsformene opp i havet. Deretter tok det enormt lang tid (omkring 4 000 millioner år) før livet utviklet seg fra de første primitive livsformene til planter, så til dyr og til slutt til mennesker.

Mennesker har bare levd på jorda de siste 4 millioner årene. Og det er mindre enn 100 år siden menneskeheten fikk forståelse av hvordan universet er bygd opp, og hvordan det ble til i Big Bang.

Forholdene på jorda var akkurat passe for liv. Det er akkurat den riktige temperaturen for flytende vann, planeten ligger nær nok Sola til å utnytte energien dens, det finnes oksygen vi kan puste, og en måne som stabiliserer klimaet vårt.

Denne illustrasjonen viser naturfenomenene som har skapt livet slik vi kjenner det på jorda. Kilde: California Space Institute

Mange forskere tror at det finnes liv utenfor jorda. Med milliarder av andre stjernesystemer virker det absurd å tro at jorda er den eneste planeten som kan huse liv. I solsystemet vårt er de mest sannsynlige stedene der primitivt liv kan finnes, Mars og en av Jupiters måner. På Mars finnes det tegn på at det har vært vann der tidligere, og forskerne tror at det ligger et gigantisk hav under den islagte overflaten på Europa.

Per 2011 var godt over 500 planeter utenfor solsystemet oppdaget, og det blir stadig funnet flere. På noen av dem kan forholdene være akkurat passe for liv. Kanskje finnes det tekniske sivilisasjoner som er mye mer avanserte enn oss. Noen mener likevel at hvis det fantes så mange romvesener der ute, ville vi ha sett noen av dem nå. Dette kalles Fermis paradoks, fordi det var Enrico Fermi som først formulerte denne ideen. En av de mest sannsynlige forklaringene er at de enorme avstandene mellom ulike avanserte sivilisasjoner gjør kontakt umulig. Selv om det fantes 1000 avanserte sivilisasjoner der ute, er det lite sannsynlig at noen kommer på besøk til jorda hvis vi alle ligger 1000 lysår fra hverandre.

Noen forskere mener at det er utrolig flaks at av alle de uendelig mange måtene universet vårt kunne ha utviklet seg på, så har det tilfeldigvis utviklet seg slik at det skapte akkurat de riktige forholdene for at vi skal kunne overleve. På tidspunktet for Big Bang var det for eksempel bare et bitte lite overskudd (en milliardtedel) av materie i forhold til antimaterie i universet. Hvis mengdene hadde vært nøyaktig like store, ville all materie og antimaterie ha blitt annihilert og omdannet til stråling, og resultatet ville vært et kjedelig univers uten noe fast, heller ikke oss selv. Hvis overskuddet av materie bare hadde vært ørlite større eller mindre enn den faktiske verdien, ville ikke noe liv vært mulig. Hvis det hadde vært litt større, ville universet ha falt sammen på grunn av gravitasjonen. Det ville rett og slett ikke ha vært nok tid til at liv kunne utvikle seg. Hvis overskuddet av materie derimot bare hadde vært litt mindre, ville utvidelsen ha gått så raskt at ingen bundne strukturer kunne ha blitt dannet, og universet ville bare inneholde elementærpartikler.