Universums expansion
All varm materia sänder ut ett spektrum. Varje sorts atom, eller mera precist: varje sorts tillstånd hos varje typ av atom skapar sitt “fingeravtryck” i spektrumet. De olika sorters tillstånden är dels de olika exciterade tillstånden hos elektronerna som är nämnda tidigare, men även olika slags kemiska bindningar.
Genom att analysera ett spektrum från en stjärna, kan man härleda vilken slags materia den består av. Innehåller stjärnan bara några få grundämnen, är analysen enkel, men även ur ett komplicerat spektrum kan man plocka ut de olika typiska delarna som motsvarar varje sorts atom.
Här ska också nämnas att en hel del av atomerna i stjärnan är berövade sina elektroner: dessa avger då inget ljus. Det man analyserar är den kallare delen av stjärnornas ytor, där atomerna har en chans att behålla elektronerna.
Då man började studera närliggande stjärnor, och löste upp bilden med hjälp av ett prisma till ett spektrum, hade man ibland svårt att känna igen de typiska “fingeravtrycken” för grundämnena. Då de flesta stjärnor i huvudsak består av väte och helium, borde det trots allt vara lätt att hitta dessa typiska linjer i det sammansatta spektrumet. Man hittade linjerna man sökte, men fann att spektrumet ibland hade dragit sig en aning åt blått, ibland en aning åt rött. Först trodde man att man hittat okända sorters materia, men forskarna drog så småningom slutsatsen, att en del stjärnor närmar sig oss, medan andra fjärmar sig: de förstnämna har spektrumet förskjutet en aning åt blått, medan de sistnämnda har det förskjutet en aning åt rött.
Man upptäckte emellertid, att ju avlägsnare ett objekt är, ju starkare rödförskjutning orsakar det. Detta gav upphov till teorin om att universum expanderar.
Vissa objekt har så stor rödförskjutning att normalt osynliga delar av spektrat blivit synliga. Ref.: Astronomi av Fred Hoyle 1963.
Eftersom universum expanderar, borde hela universum en gång ha utgått från en liten punkt: kraften som fick universum att expandera en gång i tiden kallas “Big Bang”. Det var Edwin Hubble som myntade uttrycket, men själv var han en motståndare till både universums expansion och Big Bang. En tid fanns det både anhängare och motståndare till Big Bang och universums expansion. Själv får jag erkänna att jag inte trodde på universums expansion, men för ett tiotal år sedan fick jag ge upp och inse att universum expanderar. Allt fler oberoende mätningar och matematiska formler stärker bekräftelsen att universum expanderar. Varje oberoende mätning stärker teorin om att man kan ha storleken på rödförskjutning som ett praktiskt mått på avståndet till avlägsna objekt. Det finns inget som tyder på att storleken på rödförskjutningen varierar ute i rymden.
Ett tag trodde många, inklusive jag, att ljuset mattas av då det färdas över stora avstånd. Men den förklaringen har man gett upp. Länk
Räknar man baklänges, kommer man fram till att universum kan vara omkring 15 miljarder år gammalt: det var då så litet att ljuset inte fick plats. Ju längre ut i blickar, ju äldre objekt ser vi. Man vill se så långt ut i universum, att man vill se den vägg av ljus, då ljuset tändes och så att säga fick plats (elektronerna fick plats runt atomkärnorna). Man kallar väggen för synranden. Men än så länge har man inte kunnat blicka så långt ut (man har hittat objekt som är 500 miljoner år äldre än Big Bang, men inte äldre.) Långt ute har man hittat de mest säregna galaxerna, som liksom håller på att formas. Någon motsvarighet finns inte på närmare håll. Detta stärker teorin om att universum utvidgas och ju längre ut vi blickar, ju äldre objekt ser vi.
Man har liknat universums expansion vid en ballong med prickar, som man blåser upp. Prickarna föreställer galaxer. En bättre jämförelse är att klistra mynt på ballongen: mynten expanderar inte, som prickarna gör. Galaxerna behåller sin storlek, medan avstånden mellan dem hela tiden ökar. Då universum föddes, var alla mynten hoptryckta till en enhet, som om ballongen inte fanns.
Man räknar med att universum expanderat 1000 gånger i storlek och svalnat lika mycket.
Värmen borde vara utspridd som klumpar. Man hittade också rester av sådan värme: det är variationer i temperaturen kring 4°K, 4° över absoluta nollpunkten. Bilden visar hur bakgrundsstrålningen är utspridd i universum.
Att uppskatta avståndet till ett objekt med hjälp av rödförskjutningen är en mycket grov metod: man kan mäta rödförskjutningen, men får en osäkerhet på avståndsbedömningen med faktorn två. Detta ger i sin tur en approximativ storlek på universum, som i sin tur leder till att en uppskattad ålder på universum är mellan 10 och 20 miljarder år. Ref.: Världen växer. Tor Nørretranders
Med mätningar, som bygger på urans halveringstid, uppskattar man universums ålder till 12,5 miljarder år gammalt. Ref.: Ny Teknik 7/01.
Satelliten Wilkinson har tagit bilder av det nyfödda universum och kommit fram till att universum är 13,7 miljarder år gammalt, + 1%. I dag lutar universums ålder mera till 13,8 miljarder år. Länk
Då Einstein la fram sina teorier, kom han fram till att det inte finns ett statiskt universum: enligt formlerna så antingen utvidgar sig universum, eller drar ihop sig. Eftersom han ville ha ett statiskt universum, införde han en konstant, L. Då man kom fram till att universum expanderar, kunde man slopa konstanten.
Den största rödförskjutning man hittills observerat är 6,4, från en galax. Ljuset har varit på väg till oss i 13 miljarder år. Ref.: Ny Teknik 9/04.
Men det finns andra sätt att mäta avstånden till avlägsna objekt än att mäta ljusstyrkan till Cepheider. Supernovor är ännu ljusstarkare. Följaktligen borde man se och mäta ännu längre ut i universum om man studerar supernovor. Dock är olika supernovor olika ljusstarka. Länk
Man valde supernovor av typ 1A. En stjärna har exakt 1,4 gånger vår sols massa, då den bränt ut sitt kärnbränsle och exploderar som en supernova typ 1A. För att fastställa att det rör sig om en supernova av typ 1A, mäter man spektrat från den. Det finns andra typer av supernovor, men dessa måste man sålla bort vid mätningarna. En supernova av typ 1A avger alltid lika mycket energi, antar man. Ju längre bort en supernovaexplosion sker, ju ljussvagare syns den. En supernova blossar upp ungefär en gång vart 500 år i en galax, men ute i världsrymden ligger galaxerna så tätt, att det är lätt att upptäcka en supernovaexplosion. Uppblossandet tar ett par dagar, för att sedan försvinna, så man får fotografera samma utsnitt av rymden i stort sett varje dag. Det är alltså ingen större svårighet att fotografera avlägsna supernovor. Mycket avlägsna supernovor fann man dock vara ljussvagare än väntat (mätt med rödförskjutningen): det betyder att de ligger längre ut än de borde och att universum utvidgar sig allt hastigare (a).
Men man gillade inte tanken på att universums expansion hela tiden accelererar. Man vet inte vad som orsakar det, utan kallar det ”mörk energi” (strange matter).
Lägger man samman hur mycket universum har utvidgat sig för att skapa ett så pass prydligt mönster av bakgrundsstrålningen (färgbild ovan) och att det är 4°K, tillsammans med diagrammet ovan, får vi följande diagram
Där ett möjligt existerande universum finns i det grå området.
Emellertid kommer man fram till att det måste vara 30% av Einsteins konstant L och 70% av effekten för mörk energi i detta område. Det bevisar än en gång att Einstein hade rätt, men samtidigt att en okänd kraft får universum att expandera allt fortare.
Man hade låtit Hubble-teleskopet fotografera mycket avlägsna galaxer. Exponeringstiden hade pågått oavbrutet i 10 dagar, för att man skulle kunna se dessa ljussvaga objekt. Man hade hittat supernovor av typ 1A där. Om universum en gång hade varit mycket tätt, så borde gravitationen ha varit mycket mer gällande än mörk energi vid den tidpunkten - det vill säga att universum till en början utvidgade sig mycket långsamt. Då man prickade in dessa mycket avlägsna supernovor i diagrammet (b), fick man dessa teorier bekräftade.
Ref.: Astronomiska sällskapet i Malmö, föreläsning av Jesper Sollerman den 29 April 2004.
Vid beräkningar kom man fram till att när stjärnor som har massan 1,4 gånger vår sol har förbrukat de flesta grundämnen som är lättare än syre och kol, fusionerar hälften av grundämnena med nickel, varpå en supernovaexplosion sker. Är massan mindre än 1,4 solmassor, blir stjärnan en vit dvärg. Eftersom supernovautbrotten ansågs vara lika, ansåg man att man kunde ha dem som avståndsmätare. Nu har man kommit fram till att två vita dvärgar kan kollidera, vilket kan skapa 1,5 gånger större supernovaexplosion än den nyssnämnda. Detta betyder att vi inte kan förlita oss på denna avståndsmätning, vilket också leder till att beräkningen av universums expansion och ålder samt att konstanten på den mörka energin oexakt. Ref.: Illustrerad Vetenskap 10/07.
För närvarande pågår en kartläggning av galaxernas fördelning i rymden. Resultatet blir en slags tredimensionell karta av universum. Det visar att galaxerna är samlade i en struktur som påminner om en tvättsvamp. Länk
Man har kommit fram till att galaxerna aldrig är ensamma. De är samlade i hopar, superhopar, som korvar eller i skivor. Man har också funnit att spridningen av galaxer finns i periodiskt återkommande fördelningar - inte slumpmässigt, som man kanske vill tro. Det är faktiskt tio grupperade perioder upp från Vintergatans plan och tio perioder ner från planet - alltså helt symmetriskt. Ref.: Kunskapskanalen maj 2006.
Konstanterna i universum är lagom stora
N är en konstant, skillnaden mellan den de starka krafter som håller samman atomerna och gravitationskraften, 1035. Om N var mindre skulle det bara finnas ett miniatyruniversum. De högst stående varelserna skulle vara insekter: det skulle inte vara tid över till att skapa högre stående varelser.
E har värdet 0,007. Det bestämmer hur starkt atomkärnor binds till varandra, jordens bildning och energiomvandlingen i solarna. Om E var 0,006 eller 0,008 skulle vi inte finnas till.
W är mängden materia i universum. W är skillnaden mellan tyngdkraften och expansionsenergin i universum. Om värdet var större, skulle universum kollapsa, om det var mindre skulle inga stjärnor eller galaxer ha bildats.
l (lambda) är den kraft som påskyndar universums utvidgning. Kraften är liten, annars skulle universum inte ha bildats.
Q är energin som fanns innan Big Bang. Om Q var mindre skulle universum vara dött och strukturlös. Om det var större skulle det vara en våldsam värld, bestående av svarta hål.
D är tre, som i tre dimensioner. Liv skulle inte finnas om D var två eller fyra.
På grund av att universums storlek ökar, avtar gravitationskraften. Genom att studera de magnetiska riktningarna i berggrunden, och beräkna var kontinenterna fanns, då berget stelnade, kan man räkna ut om jorden sväller på grund av att gravitationen avtar. Man uppskattar att jorden sväller ett par hundradels till en tiondels mm per år p g a detta. Ref.: Forskning & Framsteg 1/04.
Anmärkning. Söker man på Internet om att gravitationen avtar
eller att ljusets hastighet förändras får man lika många träffar för eller emot.
Länk Länk
Då Hoyle mätte rödförskjutningarna och kom fram till att universum utvidgar sig,
var han inte varse om att rödförskjutningarna även beror på: att ljuset har
passerat en massa materia samt att gravitationen påverkar rödförskjutningen.
Ref. Föredrag av Hans-Uno Bengtsson 9 maj 06 för Skånska
Ingenjörsklubben.
Ett platt universum
Man fantiserade om att andra naturlagar skulle gälla i universum, så att summan av vinklarna på en triangel inte alltid är alltid 180°. Emellertid kom man fram till att det är samma naturlagar som gäller där ute som här, och kallade det “ett platt universum”. Universum är inte alls platt, utan är lika stort överallt och påminner om en tvättsvamp. Det är tredimensionellt. Vad om är “platt” är geometrin.
Summan av vinklarna på en triangel är alltid 180°, förutsatt att man ritar upp den på ett plant föremål. Det är detta som är platt. Ritar man en triangel på något som inte är platt, blir vinklarna annat än 180°.
En triangel uppritat på ett klot har alltid vinklarna >180°. Tänk dig jordklotet med en punkt på nordpolen och två punkter på ekvatorn: triangelns vinklar kan mycket väl bli 270°.
Om man ritar upp en triangel på en konkav yta, till exempel en sadel, en ring eller en trumpet, blir vinklarna alltid <180°.
Andra avståndsmätningar
Man kan jämföra objektens skillnader i lägen, om man mäter vinklarna mellan dem med 6 månaders mellanrum: jorden är då på två olika ställen i banan runt solen. Närliggande objekt visar då stora skillnader i sina lägen, medan fjärran objekt ändrar sig så lite, att det knappast är mätbart. Skillnaderna kallas parallaxfel. Faktum är, att man bara på det sättet kan mäta avstånden till några få stjärnor: för de flesta objekt är avstånden för stora.
Något annat sätt att mäta parallaxfel på än med utgångsläge från jordbanan finns inte. Man kan ju vänta på att Vintergatan vrider sig en aning, men denna tar ju 200 miljoner år för att vrida sig ett varv.
Innan man hade kommit på att mäta rödförskjutningen till supernovor, mätte man rödförskjutningen till galaxer. Satte man in storleken på rödförskjutningen och uppmätt ljusstyrka i ett diagram, fick man ett snarlikt diagram som visats tidigare.
Man antog då att alla galaxer är ungefär lika stora och ungefär likadant uppbyggda. Numera vet vi att antalet stjärnor i en galax kan variera mycket samt att långt ute ser vi gamla, annorlunda galaxer.
Emellertid får man ett prydligt diagram om man inte tar med alltför avlägsna galaxer.
Ett tag trodde man att kvasarerna var avlägsna galaxer, som håller på att bildas. Kvasarerna skulle då finnas på stora avstånd och ha mycket stora rödförskjutningar. Sätter man in kvasarernas rödförskjutning mot ljusstyrkan, får man ett intetsägande diagram.
Ref.: Illustrerad Vetenskap 10/91.
Numera antar man att kvasarer är jättestora svarta hål, som slukar allt i sin närhet: därmed den enorma energiutvecklingen. Kvasarerna varierar alltså väldigt mycket i ljusstyrka.
Nytillskott av materia
Eftersom partiklar kan uppstå i laboratorier, om man till exempel fokuserar laserstrålar med hög energi mot en punkt, kan man även tänka sig att det spontant kan uppstå nya partiklar i universum. Man tänker sig då att strålningen någon gång på någon punkt bör vara tillräckligt hög, för att en partikel ska kunna skapas. Man har räknat ut att om tre nya partiklar bildas per år per kubikmeter, skulle detta kunna balansera universums expansion. Det är fullt möjligt att så sker, men det är emellertid omöjligt att hitta och registrera dessa nybildade partiklar.
Fotonerna är budbärare mellan olika elektroner (eventuellt är fotonen budbärare mellan kärnan och elektronen också, för att tala om i vilken bana elektronen ska gå). Signaler sker mellan olika atomer i ett material: elektronerna hoppar upp och ner till olika exciterade tillstånd. Då en elektron hoppar ner till ett lägre tillstånd, avges ett visst kvanta, ett energipaket, en viss typa av foton, vilket är detsamma som en viss färg. Detta energipaket kan få en annan elektron att exciteras, men det måste vara samma sorts atom och motsvarande nivå på elektronskal; det exciterade tillståndet måste också stämma.
I tomma rymden påverkar också elektroner varandra. Två elektroner som håller på att kollidera med varandra kan i stället repellera genom att utbyta en foton.
Man kan även tänka sig att materia skapas spontant i tomma rymden, utan det nyssnämnda höga energitillståndet måste vara uppfyllt. Forskarna kan tänka sig att enligt osäkerhetsprincipen kan en foton gå över till ett partikelpar: en elektron och en positron. Kommer de uppstådda partiklarna tillsammans igen, omvandlas de åter till en foton. Ref.: På resa i universum, Universums Skapelse, bokförlaget Lademann.
Forskare håller fast vid drömmen om evighetsmaskinen, perpetuum mobile, konsten att tappa energi ur ingenting. I vakuum kan som nämnt partiklar uppstå av en eller annan anledning. Ju större vakuum, ju fler partiklar skulle uppstå i så fall: ju mer energi skulle det i så fall gå att tappa ur. I laboratorier är molekylerna 1/10 mm ifrån varandra i det bästa vakuum. Solvinden, partikelflödet från solen, gör att det i vårt solsystem inte finns tunnare vakuum än att det är 1 cm mellan molekylerna. I en galax är det som bäst 10 cm mellan molekylerna; mellan galaxerna kan det vara upp till 10 m. Ref.: Illustrerad Vetenskap 15/98.
Universums framtid
Allt fler studier och beräkningar tyder på att universum kommer att fortsätta att utvidga sig i all oändlighet. All materia kommer att sluta som svarta hål. Universum kommer att bli mörkt. Partiklarna kommer att upplösas. Inga elektroner, neutroner och protoner komma att existera i det oändliga. Ref.: Illustrerad Vetenskap 12/99.
Antalet sandkorn på alla stränder uppskattas
till 1023. Antalet stjärnor i det synliga
universum uppskattas till 1022. Antalet atomer
i hela det synliga universum uppskattas till 1078.
Universum kommer att existera i 10100 år.
Ref.: Universums fem åldrar / Fred Adams & Greg Laughlin.