Forsiden

kosmologi - Del I

2005-02-04
Forvirret av åpne, lukkede, flate eller krumme univers? Har det egentlig noe med virkeligheten å gjøre? Dette og mer får du svar på i denne artikkelserien!
Kosmologi er læren om maskineriet som driver universet. Få kan se på stjernehimmelen en klar vinternatt uten å føle seg litt ydmyk og imponert. Det er derimot "mer mellom himmel og jord" enn stjerner og galakser.
Article image
Edwin Hubble (1889-1953)

Hvordan det hele begynte

Grunnlaget for Kosmologien ble lagt i 1929 da Edwin Hubble annonserte at galaksene så ut til å fjerne seg fra hverandre. På denne tiden var det ikke en gang enighet om galakser eksisterte eller om de bare var slørete stjernesamlinger som var langt unna.

Oppdagelsen til Hubble var viktig. Universet ble med ett levende. Hvis galaksene beveger seg fra hverandre, betyr det at de hadde et felles utgangspunkt - ideen om et Big Bang var nærliggende og intuitiv.

Dette er altså utgangspunktet. Galaksene i universet beveger seg fra hverandre. Dette kan kanskje virke litt i tynneste laget for å starte en helt ny vitenskap. Men som vi skal se gir akkurat denne observasjonen - at galaksene beveger seg fra hverandre - en mengde spennende informasjon om universet vårt.

Denne artikkelen er en slags test for holdbarheten i Big Bang-teorien. Vi starter nesten fra "scratch" og bygger oss et univers og ser hvor godt det passer med teorien. Til slutt skal vi også se på alternative teorier.

Kosmologiske grunnprinsipper


Isotropi og homogenitet

For å hjelpe oss litt på veien vil vi anta to ting; at universet er homogent og isotropt over lange avstander og at materien i universet styres av Einsteins generelle relativitetsteori. Dette må forklares litt nærmere, men ta det med ro, vi skal ikke forklare mer enn nødvendig!
Article image
Banankasse med appelsiner.
(VitNytt)
At universet er homogent betyr bare at universet er likt overalt - hvis du måler over lange nok avstander. Se for deg en banankasse med appelsiner. Uansett hvordan du stabler appelsinene vil det være mellomrom mellom dem. Hvis du deler inn kassen i 100 like deler vil noen av delene være tomme og noen vil være helt fulle av appelsin - la oss kalle forholdet mellom tomrom og appelsin for "appelsintetthet". I dette tilfellet varierer appelsintettheten mye.
Article image
Basseng med appelsiner.
(VitNytt)
Sett nå at du fyller et helt basseng med appelsiner og deler det opp i 100 like store deler. Nå er hver del så stor at de vil alle romme mange appelsiner. Du vil ikke finne deler som enten er helt tomme eller helt fulle av appelsin. De vil alle ha et noenlunde likt forhold mellom appelsin og tomrom - variasjonen mellom delene er mindre.

Så til slutt, fyll universet med appelsiner, del det opp i hundre like deler og mål appelsintettheten. Du vil se at den er, så langt det er mulig å måle, helt lik mellom alle delene. En annen måte å si dette på er at banankassen har lav appelsinhomogenitet, mens et univers fylt av appelsiner er for alle praktiske formål helt homogent.

I kosmologien har vi tatt det for gitt at universet er homogent over store avstander. Heldigvis er dette også tilfellet, ihvertfall nesten. Hubble har med sine "deep field-observasjoner" bekreftet at universet er fylt med galakser og galaksehoper. Galaksehopene er som appelsinene i et kjempestort basseng - det er passe homogent. Mer om storskalastrukturen i universet kommer i en egen artikkel.
Article image
Et univers fylt med appelsin.
(VitNytt)
At universet er isotropt betyr rett og slett at det ser likt ut uansett i hvilken retning du ser. Det virker kanskje som at homogenitet og isotropi betyr det samme, men et univers kan være isotropt uten å være homogent!

Einsteins generelle relativitetsteori

VitNytt tar det for gitt at våre lesere er oppdatert på hva Einsteins generelle relativitetsteori går ut på og vi vil derfor fatte oss i korthet. Vi kommer også til å skrive GR istedetfor "Einsteins generelle relativitetsteori" fra nå av.

Isaac Newton var den første til å beskrive gravitasjonen matematisk som et kraftfelt som trekker legemer sammen. I GR er ikke gravitasjon beskrevet som et kraftfelt, men heller som en forvrengning av rommet. Gravitasjonskraften til Jorden forvrenger rommet på en slik måte at Månen "faller" mot oss. Styrken på gravitasjonen, eller forvrengningen, er fortsatt avhengig av materien som Newtons klassiske beskrivelse. Den berømte fysikeren John Wheeler beskriver det slik: "Matter tells space how to curve, and space tells matter how to move." Vi skal ikke dvele ved dette mye lengre, GR beskriver hvordan materie oppfører seg i rommet på en mer avansert måte enn Isaac Newton.

Universets geometriske form

Det å forstå hvordan et tredimensjonalt rom kan være krumt er vanskelig. Vi skal derfor enklifisere universet til to dimensjoner så får du selv prøve å ekstrapolere opp til 3 dimensjoner. Heldigvis er virkeligheten av enkleste sort - universet er ikke krumt.

De kosmologiske grunnprinsippene forteller oss at universet kan ha en av tre geometriske former. Den kan ha
  • en positiv krumming (lukket) og være endelig i størrelse, som overflaten på en ball
  • den kan ha en negativ krumming (åpent) og være uendelig i størrelse, som en sadel;
  • flat og uendelig; som noe flatt og uendelig stort noe.

Article image
Venstre: Et lukket og endelig univers. Midten: Et åpent og uendelig univers. Høyre: Et flatt og uendelig univers.
(VitNytt)

Det interessante er at det er den gjennomsnittlige tettheten av materie i universet som bestemmer formen. Er tettheten høy, vil universet være lukket. Er den lav, vil universet være åpent. Er den "akkurat passe", vil universet være flatt.

Den kritiske tettheten for en flat geometri er veldig liten, den tilsvarer omtrent 6 hydrogenatomer per kubikkmeter! Til sammenligning er tettheten av vannmolekylene i vann ved romtemperatur 3 x 1022 per kubikkcentimeter. Et sentralt mål i kosmologien er derfor å finne den gjennomsnitlige tettheten og se hvilken geometrisk form universet har.

Digresjon

Det finnes en "enkel" metode for å finne den riktige geometrien. Legg merke til de røde trekantene i figuren. Avhengig av geometrien på rommet vil arealet av trekantene variere. I et flatt (euklidisk) univers vil arealet av trekanten være akkurat det den "burde være". I et positivt krummet rom derimot, vil arealet være større, og vice versa for et negativt krummet rom. Hvis du hadde vært et todimensjonalt vesen i et todimensjonalt univers, kunne du finne geometrien på følgende vis. Ta 100 helt like romskip og fly rett ut fra jorda i forskjellige retninger. Alle romskipene reiser med samme hastighet. Etter en viss tid måler du avstanden mellom romskipene. Romskipene vil beskrive en sirkel rundt Jorden og all fornuft tilsier at omkretsen av sirkelen er "2-pi-r", to ganger Pi ganger radien til sirkelen - der radien ganske enkelt er tilbakelagt distanse fra jorden og er lik for alle romskipene. Hvis du finner ut at arealet er større enn forventet kan du umiddelbart konkludere med at universet har en positiv krumming og motsatt hvis arealet er mindre.

Dette kan ekstrapoleres til tre dimensjoner ved å fly ut i alle retninger, måle overflaten til kulen beskrevet av romskipene og sammenligne volumet med det du skulle forvente i et flatt rom.

Fordelen ved eksperimentet er at matematikken er enkel, problemet er å bygge 100 romskip.