Frågan om hur universum började och hur det ska sluta har gäckat mänskligheten i årtusenden. De gamla grekerna och många andra civilisationer trodde att vårt universum är evigt. Aristoteles var en av de första som tänkte annorlunda, och han föreslog att universum var inneslutet i det han kallade en ”himmelssfär”. Till allas förvåning upptäckte man omkring 1930 att universum inte är oändligt gammalt utan har en ändlig ålder. Astronomen Edward Hubble gjorde den häpnadsväckande iakttagelsen att alla galaxer rör sig bort från varandra. Man måste därför anta att de var närmare varandra för 1000 år sedan än i dag, ännu närmare för 1 miljon år sedan och så vidare. Till slut, vid någon tidpunkt i det förflutna, för omkring 13,7 miljarder år sedan, måste all materia i universum ha varit sammanpressad vid en enormt hög täthet och temperatur.

Big Bang. Bildkälla: Counterbalance Foundation

Eftersom expansionen från detta begynnelsetillstånd fortskrider som en gigantisk explosion blev teorin snabbt känd som Big Bang. Ursprungligen användes namnet Big Bang ironiskt och myntades av motståndare till Big Bang-teorin, eftersom det på 1930-talet verkade otänkbart för många att universum inte skulle vara oändligt gammalt. Namnet Big Bang har dock använts ända sedan dess, eftersom det tilltalade både forskares och lekmäns fantasi.

För närvarande är Big Bang-teorin den mest accepterade teorin om universums ursprung – men den är långt ifrån fullständig. Big Bang-teorin förklarar hur universum kan ha utvecklats efter sin tillblivelse, men det finns många fler kosmologiska frågor. Hur gick Big Bang till? Och om vårt universum expanderar, vad expanderar det i så fall in i? Vissa av dessa frågor är spännande nya utmaningar för astronomerna, medan andra bara är förbryllande. Vi vet till exempel vad som hände med universum från en bråkdel av en sekund efter Big Bang, men kan inte helt förklara den första bråkdelen av en sekund, då rum och tid skapades. Så om du frågar vad som fanns före Big Bang? Ja, ingenting, eftersom rum och tid inte fanns förrän Big Bang, så det finns inget före Big Bang, och det fanns ingen plats där något skulle kunna vara i alla fall.

Big Bang-teorin säger att all materia fanns redan från början men att allt var samlat på ett och samma ställe. Före Big Bang fanns varken tid eller rum. Hubble upptäckte att galaxerna rörde sig bort från varandra, vilket ledde till idén om ett expanderande rum. Det betyder att det inte är galaxernas egen rörelse som får dem att avlägsna sig från varandra. Det är själva rummet som för galaxerna isär.

I sin allmänna relativitetsteori förklarar Albert Einstein hur varje objekt i rymden är inbäddat i rummet och att det är själva rummet som expanderar och ökar avståndet mellan objekten. Alla punkter av materia och rum var samlade i en enda punkt före Big Bang, vilket betyder att Big Bang skedde överallt.

Det kan vara lättare att tänka sig en gummiballong. Ballongen föreställer rummet (i det här fallet tvådimensionellt). På ballongen sätter du hundratals markeringar som föreställer galaxer. Om du blåser upp ballongen ser det ut som om markeringarna rör sig bort från varandra, men i själva verket har ballongens yta mellan markeringarna töjts ut, så att alla ’galaxerna’ har kommit längre ifrån varandra.

Edward Hubble insåg att alla galaxer rörde sig bort från varandra genom att observera ljus från extremt avlägsna källor. Han fann att detta ljus var förskjutet mot den röda änden av det synliga spektrumet. Det kan förklaras med Dopplereffekten, som innebär att ljus som sänds ut av en källa som rör sig bort från iakttagaren observeras med lägre frekvens.

Lägre frekvens innebär att det observerade ljuset ser rödare ut än det ljus som källan sänder ut, och denna effekt kallas rödförskjutning.

Illustration av Dopplereffekten. Bildkälla: epicphysics.com

Dopplereffekten gäller alla typer av vågor, men den är lättast att förklara med ljud. Tänk dig en motorcykel som rör sig mot en iakttagare B. Motorn sänder ut ljudvågor (buller) åt alla håll, men när motorcykeln åker framåt hinner den ikapp de ljudvågor den sände ut tidigare, vilket gör att avståndet mellan varje vågfront blir mindre. Det ökar ljudvågornas frekvens, vilket betyder att B hör ett ljusare ljud. Bakom motorcykeln är effekten den omvända: avståndet mellan vågfronterna blir större när motorcykeln rör sig bort från iakttagare A, som hör ett mörkare ljud.

Ljus påverkas av en liknande effekt. För ljusutsändande objekt som rör sig mot iakttagaren pressas vågorna samman, vilket ger högre frekvens och kortare våglängder, som ser blåaktiga ut. För galaxer som rör sig bort från oss förskjuts ljuset mot lägre frekvenser (längre våglängder) och ser rödare ut.

Denna bild visar att ljuset från avlägsna galaxer är rött i stället för gult eftersom de rör sig bort från oss. Källa: ESA/NASA

Teorier om hur det allra tidigaste universum såg ut är mycket spekulativa, eftersom det är mycket svårt att veta något i detalj om saker som hände för 13,7 miljarder år sedan.

Vi vet att temperaturen i universums början var så hög att all materia var upplöst i elementarpartiklar som kvarkar, elektroner och fotoner. Det fanns inga atomkärnor, atomer, fasta ämnen, planeter eller stjärnor. Vid den tidpunkten kunde bara elementarpartiklar existera.

Omkring en millisekund efter Big Bang hade temperaturen sjunkit tillräckligt för att protoner och neutroner skulle kunna bildas genom att tre elementära kvarkar slogs samman.

Det finns sex olika sorters kvarkar. Två av dem bygger upp nästan all materia: upp- och nedkvarken. Tre kvarkar kan förenas och bilda antingen en proton (2 upp + 1 ned) eller en neutron (1 upp + 2 ned).

År 1965 byggde två amerikanska forskare, Penzias och Wilson, en ny radioantenn med aldrig tidigare skådad känslighet för att mäta satellitsignaler. Av en slump upptäckte de en mystisk mikrovågsstrålning som kom från långt ute i rymden, men de hade ingen aning om varifrån den kom. Senare fick man veta att denna strålning hade skapats vid Big Bang. Den kallas den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, och den höjer rymdens temperatur från noll till 2,7K. Strålningen är nästan helt likformig i alla riktningar.

Du kan till och med själv observera bakgrundsstrålningen! Alla som har sett en analog tv innan den har ställts in ordentligt vet att den visar ’myrornas krig’ på skärmen. Omkring 10 % av flimret man ser beror på bakgrundsstrålningen. Med digital-tv händer detta naturligtvis inte.

Var kommer den ifrån?

Efter att de första atomkärnorna av väte och helium, och spår av litium, hade bildats förblev dessa lätta grundämnen inbäddade i ett hav av elektroner som härstammade från ännu tidigare ögonblick i universums historia. Varje elektron bär en negativ elektrisk laddning, medan varje proton är positivt laddad. Dessa protoner och elektroner attraherar varandra på grund av sina motsatta laddningar, och därför försöker elektronerna bilda moln runt protonerna.

Den höga temperaturen löser dock omedelbart upp molnen och skickar iväg protoner och elektroner genom rymden i slumpmässiga banor. Det tog 300 000 år för universum att expandera och svalna tillräckligt för att nå en temperatur där ett elektronmoln kunde förbli stabilt. Kärnor med tillhörande elektroner är det vi i dag känner som atomer.

Fotonernas (ljuspartiklarnas) banor kan ändras genom kollisioner med elektriska laddningar, men de växelverkar inte med neutrala atomer. Därför fortsatte de ursprungliga fotonerna från Big Bang ostört i sina banor när alla elektroner väl hade bundits i atomer, och vi ser i dag dessa fotoner som den kosmiska bakgrundsstrålningen. Denna strålning ger alltså en ögonblicksbild av universum vid en ”spädbarnsålder” på 300 000 år.

Bilden visar en detaljerad bild av hela himlen med det unga universum, skapad utifrån nio års WMAP-data. De olika färgerna på bilden visar att universum 300 000 år efter Big Bang inte var likadant överallt. Färgskillnaderna visar temperaturvariationer som motsvarar de frön som växte till galaxerna. Källa: NASA/WMAP

Finns det några bevis för Big Bang-teorin? Ja, teorin stöds av följande observationer:

1. Universums expansion, där galaxerna rör sig bort från varandra. Det betyder att all materia i universum måste ha varit sammanpressad vid enormt hög temperatur och täthet vid tiden för Big Bang.
2. Förekomsten av de lätta kärnorna ²H, ³He, ⁴He och ⁷Li kan bara förklaras om man antar att de bildades under de första minuterna efter Big Bang.
3. Observationen av den kosmiska bakgrundsstrålningen, som kommer från långt ute i rymden. Denna strålnings ursprung kan förklaras om man antar att den uppstod kort efter Big Bang. 

Under omkring en miljard år efter Big Bang bestod universum bara av väte och helium i gasform. Det fanns inga stjärnor och inga planeter. Så småningom började en del gasmoln falla ihop av sin egen tyngd och bildade protostjärnor, som till slut blev tillräckligt heta för att antändas, varvid de allra första stjärnorna skapades. Ur stjärnorna bildas sedan galaxer och planeter. Vår sol bildades dock först efter att generationer av stjärnor hade kommit och gått, 8 till 9 miljarder år efter Big Bang.

Ett enda stoftkorn från solsystemets början. Källa: NASA

Det omgivande stoftet och gasen slogs långsamt samman under inverkan av gravitationen, när större bitar drog till sig mindre bitar. När de växte gjorde deras vikt till slut att de blev klotformade, och de blev planeter.

Vi har tur att vårt solsystem bildades ganska sent. Vår planet består av berg och sten, som inte fanns tidigare i universums historia. Dessa tunga grundämnen måste bildas av andra stjärnor och sedan kastas ut i rymden igen när stjärnorna dog. Denna materia samlades sedan runt vår sol och bildade inte bara jorden utan också Merkurius, Venus och Mars.

Solsystemet, som består av solen och planeterna, bildades ur ett moln av gas och stoft som såg ut ungefär så här. Källa: NASA

Även om man kan mäta hur snabbt galaxerna rör sig bort från varandra är det inte lätt att förutsäga universums framtid. Universums expansion drivs främst av Big Bang, men materian i universum kan genom gravitationen dra allt tillbaka mot centrum.

Det finns flera möjligheter, och allt beror på universums täthet:

1. Om universums täthet är låg kommer gravitationen från materian i universum inte att kunna övervinna expansionen, så universum kommer att fortsätta att expandera för evigt. Ju lägre tätheten är, desto snabbare kan det expandera. Detta kallas modellen med ett öppet universum.
2. Om universums täthet är hög kommer universum att expandera ett tag men bromsas efterhand tills det når en maximal storlek. Sedan drar gravitationen ihop allt igen tills universum faller samman till den singularitet det började med, i det vi kallar Big Crunch. Detta kallas ett slutet universum, eftersom det har en ändlig storlek och kan leda till ett nytt Big Bang som skapar ett nytt universum.
3. Om tätheten ligger exakt på gränsen mellan de två modellerna, det vi kallar den kritiska tätheten, kommer universum fortfarande att fortsätta att expandera, men expansionstakten kommer att avta.

Bilden visar de tre modellerna för universums expansion. Nuvarande observationer tycks stödja modellen med ett öppet universum.

Jorden är omkring 4600 miljoner år gammal. I början var jorden så het att allt var smält. Efter 500 miljoner år hade jorden svalnat tillräckligt för att hav skulle kunna bildas, och planeten blev beboelig. Då uppträdde de första primitiva livsformerna i haven. Därefter tog det enormt lång tid (omkring 4 000 miljoner år) för livet att utvecklas från de första primitiva livsformerna till växter, sedan till djur och slutligen till människor.

Människor har bara levt på jorden under de senaste 4 miljoner åren. Och det är bara under mindre än 100 år som mänskligheten har förstått hur universum är uppbyggt och hur det uppstod vid Big Bang.

Förhållandena på jorden var precis rätt för liv. Den har precis rätt temperatur för flytande vatten, ligger tillräckligt nära solen för att kunna utnyttja dess energi, har syre som vi kan andas och en måne som stabiliserar vårt klimat.

Denna illustration visar de naturfenomen som har skapat livet som vi känner det på jorden. Källa: California Space Institute

Många forskare tror att det finns liv utanför jorden. Med miljarder andra stjärnsystem verkar det absurt att tro att jorden är den enda planet som kan hysa liv. I vårt solsystem är de mest sannolika platserna där primitivt liv skulle kunna finnas Mars och en av Jupiters månar. På Mars finns det tecken på att det tidigare har funnits vatten, och forskarna tror att det på Europa finns ett gigantiskt hav under den isiga ytan.

År 2011 hade långt över 500 planeter utanför solsystemet upptäckts, och fler planeter hittas hela tiden. På några av dem skulle det kunna finnas precis rätt förutsättningar för liv. Kanske kan det finnas tekniska civilisationer som är mycket mer avancerade än vi. Vissa menar dock att om det fanns så många utomjordingar där ute skulle vi ha sett några vid det här laget. Detta kallas Fermis paradox, eftersom det var Enrico Fermi som först formulerade idén. En av de mest troliga förklaringarna är att de enorma avstånden mellan olika avancerade civilisationer gör kontakt omöjlig. Även om det fanns 1000 avancerade civilisationer där ute skulle det, om vi alla befinner oss 1000 ljusår från varandra, vara osannolikt att någon skulle komma på besök till jorden.

Vissa forskare tycker att det är otroligt lyckosamt att universum – av alla de oändligt många sätt det skulle ha kunnat utvecklas på – råkar ha utvecklats så att precis rätt förutsättningar för vår överlevnad har skapats. Vid tiden för Big Bang fanns det till exempel bara ett pyttelitet överskott (en miljarddel) av materia i förhållande till antimateria i universum. Om mängderna hade varit exakt lika stora skulle all materia och antimateria ha annihilerats och omvandlats till strålning, vilket skulle ha lett till ett tråkigt universum utan något fast, inte heller vi själva. Om överskottet av materia bara hade varit en pytteliten aning större eller mindre än det faktiska värdet skulle inget liv ha varit möjligt. Om det hade varit lite större skulle universum ha fallit samman på grund av gravitationen. Det hade helt enkelt inte funnits tillräckligt med tid för att liv skulle kunna utvecklas. Om överskottet av materia å andra sidan bara hade varit lite mindre skulle expansionen ha gått så snabbt att inga bundna strukturer hade kunnat bildas, och universum skulle bara innehålla elementarpartiklar.