Nye resultater styrker Big Bang teorien

Debatten rundt Big Bang teorien har vært stormfull og det har ikke manglet på motstandere. Det var Fred Hoyle, den argeste motstanderen, som ufrivillig ga teorien navnet. I et radioprogram i 1949 refererte han sarkastisk til den håpløse teorien som "denne Big Bang teorien" og da var det gjort.

Det store gjennombruddet kom i 1964 da Arno Penzias og Robert Wilson ved en tilfeldighet snublet over eksperimentelle bevis for Big Bang. De var ansatt av Bell Telephone Laboratories for å studere radiostøy fra Melkeveien. Til deres store overraskelse fant de et svakt signal som var like sterkt uansett hvilken retning de målte mot, uansett om det var dag eller natt, sommer eller vinter. I 1978 fikk de Nobelprisen i Fysikk for å ha oppdaget den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen (Cosmis Microwave Background Radiation, CMBR), en signatur fra Big Bang som stammer fra da universet var nesten 400.000 år gammelt. CMBR var forutsett av Gamow, en av forkjemperne for Big Bang-teorien, allerede i 40-årene.

En sammenligning mellom detaljene i observasjonene til COBE og WMAP. (NASA)

I begynnelsen var universet en supervarm suppe av energi. Etterhvert som temperaturen sank kunne partikler "kondensere" ut, uten å fordampe igjen. Universet var i mange tusen år blendende lyst med frie elektroner som spredde fotonene i alle retninger. Etter 379.000 år sank temperaturen tilstrekkelig til at atomkjernene kunne binde til seg, og holde på, de hittil frie elektronene. Fotonene ble "fryst" ut, ingenting kunne hindre dem lengre og universet ble med ett mørkt. Det skulle ta flere millioner år før de første stjernene kom og pånytt lyste opp det beksvarte universet. CMBR er ekkoet fra da fotonene kolliderte med de frie elektronene den siste gangen. Det var fortsatt varmt når dette skjedde og fotonene hadde en proposjonalt høy frekvens/kort bølgelengde. I dag er bølgelenden betraktelig lengre og det er ene og alene på grunn av universets generelle utvidelse. Mens temperaturen 379.000 år etter Big Bang var på noen tusen Kelvin, tilsvarer bølgelengden til fotonene i dag en temperatur på bare 2.7 grader over nullpunktet.

Hoyle kunne ikke forklare bakgrunnsstrålingen med sin "Steady State" teori og mistet mange tilhengere. Det var likevel en "hard kjerne" med forskere som ikke akspeterte at universet startet med et smell. Mest kjent er Arp, som lenge tvilte på at rødforskyvningen til galaksene skyldtes at de bevegde seg fra oss. Han baserte sine teorier på observasjoner som på den tiden var begrensede og statistisk usikre. I dag er det derimot ingen tvil om at han tok feil.

Bildet viser variasjonene i den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen. De svarte prikkene er observasjoner gjort av WMAP og den blå linjen er en tilpasning til observasjonene som inkluderer bidrag fra den kosmiske nøytrinobakgrunnsstrålingen. Den røde stiplede linjen er variasjonene uten bidrag fra nøytrinoene. (Trotta og Melchiorri)

I 1989 ble COBE (Cosmic Background Explorer) skutt opp for å observere CMBR i stor detalj. Resultatene ble publisert i media verden over som "signaturen til Big Bang", men hva bildene faktisk viste var litt vanskeligere å forstå.

I universets barndom var energi og materie spredd nesten helt jevnt, men bare nesten. Små variasjoner i distribusjonen av atomene førte med tiden til at gravitasjonen fikk overtaket og samlet partikler sammen til stjerner, galakser og senere galaksehoper. CMBR er en "avstøpning" av materien ved år 379.000 etter Big Bang. Fargene på bildet viser områder med litt lavere, og litt høyere tetthet. Forskjellene var utrolig små, bare 1 del av 100.000, men over 13 milliarder år har forskjellene vokst, takket være gravitasjonskraften, til universet vi ser i dag.

I 2001 ble WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), etterfølgeren til COBE, skutt opp. Den kunne målte temperaturvariasjoner ned til en milliontedel og ga oss blant annet muligheten til å bestemme alderen på universet med god nøyaktighet (13,7 milliarder år) og bestemme Hubbles konstant.

Øverst ser vi en modell av CMBR, nederst er bidraget fra CNBR. (Trotta og Melchiorri)

Akkurat som at den kosmiske mikrobølgebakgrunsstrålingen (CMBR) består av fotoner, skal det teoretisk finnes en kosmisk nøytrinobakgrunnsstråling (CNBR).

Nøytrinoer er partikler med forsvinnende liten masse. De ble derfor "kondensert" ut på et mye tidligere tidspunkt enn resten av partiklene, og ble "frosset" ut, på samme måte som fotonene, når universet kun var ett sekund gammelt.

Det vil ta mange år før vi har instrumenter som kan bruke nøytrinoer direkte i observasjonsøyemed, det er bare et par år siden de ble påvist i det hele tatt. Roberto Trotta (Universetet i Geneve, Sveits) og Alessandro Melchiorri (Universitet i Roma, Italia) har tross alt funnet spor av CNBR. Eller rettere sagt, de har funnet spor av CNBR i sporene av CMBR.

Selv om nøytrinoene påvirket distribusjonen av materien i universet i kun et sekund, kan man likevel se effekten preget inn i CMBR fra år 379.000, 13,7 milliarder år senere. Ved å sammenligne observasjonsdata fra WMAP og SDSS (Sloan Digital Sky Survey), et prosjekt som har kartlagt posisjonen til over en million galakser, har Trotta og Melchiori identifisert interne variasjoner i CMBR som kun kan stamme fra det teoretiske CNBR.

Dette er et vitnemål for hvor langt kosmologien og teknologien har kommet i dag. Det er bare 80 år siden galakser ble akseptert til å være separate stjernekonsentrasjoner, og ikke del av Melkeveien som tidligere antatt. Det er 40 år siden den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen ble oppdaget. 15 år siden vi fikk et bilde av CMBR ved hjelp av COBE. 10 år siden vi fant ut at universet ekspanderer og består hovedsakelig av mørk energi og mørk materie. 2 år siden vi fikk en nøyaktig alder på universet og en temmelig nøyaktig verdi av Hubbles konstant.

Utviklingen går med stormskritt og det skal bli en fornøyelse å se hva neste gjennombrudd blir.

Indication for Primordial Anisotropies in the Neutrino Background from WMAP and SDSS