© J Westman 2003, 2005, 2008. jw 17.02.2003 och 04.03.2003, uppdat. 10 feb 2008


När ljuset var ungt.

Nu har det mycket unga Universum kartlagts med o-överträffad noggrannhet, hävdade USAs flyg och rymdstyrelse NASA,den 11 februari 2003. NASA:s vetenskapsmän visste berätta att Universums ålder är 13,7 miljarder år och att de första stjärnorna tändes när världsalltet bara var 200 miljoner år gammalt. Resultaten är viktiga, men inte så unika som NASA-vetenskapsmännen vill ge vid handen.


WMAPsky, copyright: NASA

   
Himlen som bakgrundsstrålnings-instrumenten instrumenten i WMAP ser den.
© NASA

Den 11 februari 2003 offentliggjorde amerikanska forskare en bild som de kallar "Baby-Universum" som är en sammanställning av de ojämnheter i den bakgrundsstrålning som uyppstod när Universum var mycket ungt. Mätningarna gjordes med instrument i en satellit, WMAP, och de bekräftar tidigare mätningar från marken och med ballongburna instrument. När de läggs ihop med andra uppgifter ger de Universums ålder, vad Universum består av och när de första stjärnorna tändes. Rapporterna om och kring WMAPs resultat är allomfattande, det enda en gammal Tarzan-fan som jag saknar är "WMAP och Opars skatter" och "WMAP och den Vita Kvinnan". Nyckelordet är emellertid bekräftar redan gjorda mätningar.

Vi har nu en bild av hur Universum såg ut när det var bara 380 000 år gammalt - det är en ålder som i en femtiårig människas liv motsvarar ett par månader. Det var i det skedet världsalltets temperatur efter den stora smällen, då allt kom till, hade sjunkit, till omkring 2 700 grader Kelvin, 2 500 grader Celsius, såpass att fria elektroner kunde kopplas till fria atomkärnor och rymden blev genomskinlig. I och med det slapp den såkallade bakgrundsstrålningen lös. Den som vi idag kan mäta in på himlavalvet med en temperatur som är lite under tre grader Kelvin, omkring 2,67 grader från absoluta nollpunkten. Det som ger uppgifterna om hur det förhöll sig då Universum var i spädbarnsåldern är hur jämnt - eller ojämnt bakgrundstemperaturen är fördelad. Själva bakgrundsstrålningen upptäcktes redan 1965.

Bakgrundsstrålningen.
   Det är stålning som når oss från alla delar av himlavalvet. Den upptäcktes 1965 och kändes genast igen av de vetenskapsmän som studerade Universums tidiga skeden som den bakgrundsstrålning som de hade räknat ut att borde ha uppstått kort efter den Stora Smällen då allt kom till. Universum uppstod enligt den teorin i ett oerhört hett tillstånd men svalnade av efterhand som det utvidgades. Vid sådär 380 000 år efter nollpunkten hade temperaturen sjunkit såpass att fria elektroner fångades in av atomkärnorna. I och med det blev Universum genomskinligt. Ett kosmiskt "Varde Ljus", och bakgrundsstrålningens ljuskvanta har varit fria alltsedandess och i och med att Universum har utvudgats så har deras temperatur gått ner från omkring fyratusen grader Celsius till de 2,73 grader över absoluta nollpunkten som den är idag.
    Man kan förlikna bakgrundsstrålningen vid det ljus som man ser genom ett molntäcke - när ljuset blir fritt från molnet så visar det hur molnets undre yta ser ut. Vi ser alltså i bakgrundsstrålningen en bild av hur temperaturen var fördelad i Universum när ljuset slapp lös, skillnaderna är inte stora, mindre än en på tiotusen, men de är fulla av information när de väl har kunnat mätas. När fluktuationerna i mikrovågsstrålningen upptäcktes i början av nittitalet med en satellit som hette COBE . (Cosmic Background Explorer) var noggrannheten en tiotusendels grad Kelvin och mät-ytan sju grader i kant, lika stor som skopan i Karlavagnen. År 2003 ger NASA-satelliten WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) -s mikrovågsmätningar noggrannheter på en miljondedels grad Kelvin och vinkelupplösning på 20 bågminuter. "Wilkinson" i namnet kommer från en astrofysiker som dog hösten 2002.

USAs flyg och rymdstyrelse NASA kom alltså den 11 februari i år 2003 med buller och bång ut med att skillanderna har mätts och informationen tolkats.

Nytt om det unga Kosmos.
   Det är mycket de kommer med på en gång: att Universum är 13,7 miljarder år gammalt, att Universums geometri är platt euklidisk, att den materia som stjärnor och solen och du och jag består av bara utgör 4% av all massa i Universum, att 23% består av nånting som kallas kall mörk materia som vi inte ser, och hela 73% är nånting som kallas mörk energi, som är ännu mera besynnerlig, men som kan vara det som Albert Einstein i tiden kallade kosmologisk konstant. Och mera ännu, de säjer sig veta att de första stjärnorna började lysa då 200 miljoner år hade gått sedan ljuset slapp fritt. Och att Universum håller på att utvidga sig med omkring 22 kilometer i sekunden per en miljon ljusår, och lite annat smått och gott som socker på anrättningen. På det hela taget en överraskande mängd information. Men är det nu så nytt och oväntat, det hela?

"Bekräftat" nytt är dock inte "bara" bekräftat.
   Ingenting nytt, men nog bekräftelse, kommenterar astronomi-tidskriften Sky and Telescopes kommentator och därmed understryks en viktig aspekt på hur naturvetenskap fungerar. Det säjs ju att författarskap består av en procent inspiration och 99 procent transpiration. Inom naturvetenskapen gäller då en procent genuint nya glamorösa upptäckter och nittinio procent hårt arbete med bekräftelser och tolkningar. Samtidigt understryks en smula oärlighet här, för i amerikanska flyg och rymdstyrelsen NASAs egen information nämns inte med ett ord att det handlar om att mätningar som redan har gjorts tidigare och bulligare blir bekräftade.

Det är helt förståeligt att det har blivit såhär: Satelliten Cosmic Background Explorer, Cobe gav för mer än elva år sedan mätresultat som först visade att den universella bakgrundsstrålningen var en oerhört jämnt fördelad helt ren värmestrålning. Sedan lyckades forskarna få fram att där ändå fanns oregelbundenheter på ett till tiotusen i strålningsintensiteten, de omfattade ungefär sju grader i kant på himlavalvet.

Satelliten WMAP
   För en ordentlig kartläggning ville forskarna ha en tusenfaldig känslighet - ner till 20 miljondedels grad Kelvin behövas, och en vinkelupplösning ner till en trededels kvadratgrad på himlavalvet. Hela himlavalvet skulle kartläggas. Och lite annat vid sidan om. Så föddes satellitprojektet Microwave Anisotropy Probe MAP namnet hänvisar direkt till att det är ojämnheter i mikrovågs-bakgrunden som ska mätas. I höstas dog en av projektets tillskyndare, David Wilkinson och satelliten döptes om, därav det dubbla W-et i namnet WMAP. Forskarna ville också att satellitens mätningar inte ska störas av solen eller jorden, och därför valdes en stationering i den såkallade L-2-punkten, ett jämviktsläge som ligger på linjen mellan solen och jorden men en och en halv miljon kilometer utanför jorden. På det viset har man både solens och jordens störningar åt samma håll, som satelliten kan vända ryggen till och isolera bort med ett solparasoll.

Det tar emellertid tid att utveckla instrument för satelliter, och mera tid behövs för att sätta samman dem med den del av satelliten som bär dem och sörjer för så att säja kommunaltekniken för dem. Sådant som kraftförsörjning, förbindelse till och från markstationerna, kontroll och kommando, satellitens färdbana och regleringen av riktning och läge, struktur att hålla alltihop samlat och sist men kanske viktigast och svårast, temperaturkontroll av det hela.

Det betyder att de instrument som ska med ombord bör vara klara i ett ganska tidigt skede, flera år före start, och sedan går det inte att ändra på och modernisera. Utvecklingen går emellertid vidare. Hela 25 olika mätserier med samma noggrannhet - men bara av delar av himlavalvet - utfördes på marken och med instrument som bars i ballong förrän satelliten ens var klar att sändas upp, vilket skedde i förfjol, 2001. Än mer mark- och ballongresultat blev klara förrän resultaten från satelliten var behandlade och tolkade. Rollen av upptäckare förbyttes följaktligen till rollen av bekräftare. När det gäller att bedöma vad som är viktigt för vetenskapen är det ingen skillnad på första mätning och bekräftelse som går ett steg vidare, men försök nu förklara på en presskonferens att vetenskaplig bekräftelse är nånting helt annat än skåpmat.

Bilden av "Baby-Universum".
   Mätresultaten från WMAP finns i form av en bild där knottrigheten illustreras i form av olika färger över en oval som föreställer hela himlavalvet. Om några år finns den här bilden i skolböckerna:
Såhär såg Universum ut, ur de här ojämnheterna för 13,7 miljarder år sedan uppstod galaxer och hopar av galaxer, och i galaxerna tändes de första stjärnorna när universum var bara 200 miljoner år gammalt.

Och, föralldel, bilden av "Baby-Universum" som den redan kallas, är ju vacker - så här såg det ut när det började. Och här har vi ju data på hela himlavalvet, dessutom i form av en bild, inte endast mindre områden, fast den saken spelar ingen roll, Universum i stort ska ju se ganska lika ut vartåt man än tittar.

På NASAs talesmän som citeras av nyhetsbyråerna låter det som om de här satellitmätningarna skulle vara helt unika. Inte med ett ord nämns alla andra mätningar som har gjorts sedan början av nittitalet, sammanlagt är de 26. Bland dem de två senaste, Cosmic Background Imager, CBI på marken i Chiles Atacama-öken i fjol, och Balloon Observation of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics BOOMERANG från ballongburna instrument över Antarktis, som flög 1998 och där mätresultaten offentliggjordes år 2000. De ger samma slags resultat, eftersom känsligheten i stort är densamma. Skillnaden mellan de markburna och ballongburna mätningarna och NASAs WMAP är att de andra granskade fluktuationerna på delar av himlen, medan MAP ger en bild av hela himlavalvet, å andra sidan ger tex CBI en trefaldigt skarpare bild av fluktuationerna, ner till lite över 6 bågminuter mot WMAPs 20 bågminuter. Den saken förändrar emellertid ingenting i fråga om slutsatserna om Universums barndom, och WMAP-forskarna har bara lite fler detaljer att komma med.

NASA fördröjde publiceringen av WMAP-resultaten med en vecka för att man först skulle kunna sörja Columbias förolyckade astronauter, och det talades också vid offentliggörandet - lite sökt nog - om hurusom man på detta sätt skulle föra deras arv vidare. Nåjo, i så motto att det handlar om saker som görs utanför jordens atmosfär, men annars dras skarp skillnad mellan det astronauter utforskar och det som kartläggs med obemannade instrumentbärare. Inte minst budgetmässigt. Ändå, att i ett sådant tillfälle säja att satellitinstrumentet bara kompletterar det man redan vet från instrument på marken och ballongburna experiment, låt vara med lite mer detaljrikedom, det hade ju varit som att svära i kyrkan. Dessutom hade det kunna väcka den obehagliga frågan om det nu var så nödvändigt att bygga en stor och dyr satellit och för många tiotals miljoner dollar sända ut den i en bana i rymden som stationerar den i Lagrangepunkten L2, 1,6 miljoner kilometer på linjen solen-jorden utanför jordens bana. Å andra sidan fungerar inte vetenskap på det sättet att man tar den billigaste lösningen och nöjer sig med den. WMAP var vetenskapligt motiverad. Genom att satsa på satellitmätningar vid sidan av mark och ballonger har man fått bekräftelse på att resultaten faktiskt är pålitliga.

När mark- och ballong-resultaten kom in fick de begränsad uppmärksamhet utanför fackpressen. Nu nämndes de inte alls. Nåja, man svär inte i kyrkan, och, ballonger är ju inte så nyhetsmässigt sexiga som satelliter, förståss. NASA har inte kunnat nöja sig med WMAPS roll som bekräftande experiment, de vill ha hela äran. Det är säkert budgetpolitiskt ändamålsenligt men också dålig vetenskap, att man endast betonar de resultat som de största och vackraste uppnår. En orättvisa kommer att begås: när WMAP-bilden av "baby-universumet" som den redan kallas, kommer in i våra skolböcker om ett par år, så kommer där inte att stå ett ord om att andra vetenskapsmän redan hade gjort samma slag av mätningar och kommit till i stort samma resultat.

De stora frågorna.
   Principen är att man nu kan ställa två frågor som kan få trovärdiga svar: För det första: vad hände före den tidpunkt i Universums historia som bilden visar för att den blir och se ut som den gör. Och för det andra : vad har hänt efter det att bakgrundsstrålningen slapp lös och till nu för att Universum idag ska se ut som det gör.

I tolkningen utgår man ifrån de teorier som har ställts upp under de senaste hundratjugo åren. Det började med att Albert Abraham Michelson och Edward Williams Morley1880-talet fann att ljusets hastighet är konstant oavsett med hurudan hastighet och vilken riktning ljuskällan rör sig i förhållande till den som mäter ljushastigheten. Mot allt förnuft säjer vi, men sådan är tingens ordning.

Albert Einstein förklarar det med sina relativitetsteorier, 1905 och 1915. Man trodde då att Universum var statiskt och för att hålla det så ställde Einstein på 20-talet upp sin kosmologiska konstant att balansera upp gravitationen. Harlow Shapley och Edwin Hubble kom emellertid med sina mätningar av hur de främmande Vintergatorna rör sig och visade att Universum utvidgas. Den utvidgningen måste ju ha börjat i något skede. På femtitalet förutspådde flera fysiker att spåren av begynnelsen bör kunna upptäckas som en bakgrundsstrålning, den upptäcktes som sagt 1965. Ojämnheterna i den som mättes med satelliten Cobe i början av 1990-talet bär informationen om hur det var i det tidiga Universum.

Den materiesoppa av atomkärnor och fria elektroner som höll ljusstrålningen fången betedde sig ungefär som en gas, där ljudvågor kan fortplanta sig. Nu är ljudvågor ju ingenting annat än förtunning och förtjockning av den gas de rör sig i, svängningar alltså, och egenskaperna är beroende av förhållandena i mediet, temperatur, tryck, sammansättning. Kosmologer talar om att mäta "vinkelberoende fluktuationsspektrum" vilket låter mycket svårare än vad det är, för då mäter man hur många och hur stora ojämnheterna i strålningen syns på himlavalvet.

När man lägger ut mängderna av de olika storlekarna på ojämnheterna på ett diagram, så får man en kurva där man först ser att mycket stora vågor förekommer i stort antal, när man går neråt i storlek minskar antalet först men stiger sen igen till en andra topp som är mindre än den första, sen en ny dal och igen en ny antalstopp för ännu lite mindre vågor, och så vidare. Det är i fördelningen av de här olika mängd-topparna informationen finns.

Fluktuationernas spektrum.
   Den största fluktuationen beror på gravitationen som rådde då ljuset slapp lös, den är av vinkelstorleken sju grader eller så. De ojämnheterna mättes upp av instrumenten på satelliten COBE. Den materia Universum består av var alltså inte absolut jämnt fördelad utan visade ojämnheter en på tiotusen. Varför, ja där har teoretikerna arbete.

De följande vågtopparna som handlar om mindre vinkelstorlekar och inte riktigt så många vågor heller, de berättar om hur ljudvågorna rörde sig och framförallt inom vilket utrymme de ekade i själva gasen och packade ihop den eller tunnade ut den, så att de ojämnheterna kan ses i strålningen. Storleken av den andra vågtoppen, som är ungefär en grad visar att Universum då hade en alldeles platt geometri , bör ha haft det nästan alldeles från början och det bör det ha fortfarande. Så vet vi det.

Skulle Universum vara krökt så att det är slutet, alltså så att den här utvidgningen en dag skulle stanna av och bytas till en stor krasch, ja då så skulle ojämnheterna som forskarna statistiskt samlar ligga på lite större vinklar i den här vågtoppen, och ett mycket mer öppet universum skulle ojämnheterna vara mindre, vågtoppen ligga på mindre vinklar. Universum är emellertid platt, och för att vara det måste nånting i ett tidigt skede ha jämnat ut det – man har sedan slutet av åttitalet talat om en begynnelse-inflation- ett skede då Universum våldsamt blåstes upp och ojämnheter slätades ut.

Recept på Universum:
    Massa 4%, mörk massa 23%, okänd mass-energi 73%!
   Vidare analys av vågtopparna visar tillexempel hur mycket normal materia, som atomkärnor och elektroner det fanns i det tidiga Universum. Och då visar det sig att det handlar om bara fyra procent som är i den formen. Det stämmer överens med de uppgifterna om det tidiga Universum som kärnfysiken ger: det kan inte ha funnits mer normalmateria än så, för då skulle fördelningen av grundämnena väte och helium vara en annan än den som astronomerna kan mäta upp .

Det som förorsakar att Universums geometri är platt måste alltså bestå av något annat, men detta något annat består bara till en del av sådan mörk materia som skapar gravitation och har samlat ihop synlig materia till Vintergator, galaxer. Det är 23 procent av all massa-energi i Universum, det mesta finns alltså i någon anna form, och den bästa gissningen just nu är att det handlar om den där Einsteinska kosmologiska konstanten. Den gissningen får stöd av upptäckten för några år sedan att Universums utvidgning faktiskt ökar med tiden, någon kraft måste alltså finnas som skuffar på, hur det nu sedan ska förklaras teoretiskt.

Universums barnaskri
   Tänk er att vi lever i ett Universum som genom att sjunga- eller bröla - eller kvida - i sin tidigaste barndom berättar för oss som lever i dess vuxna ålder om den tid då som Eddan säjer:
    fanns ej himmel,
     jord fanns icke,
     ej svala vågor.

Pythagoreerna talade för mer än två och ett halvt årtusende sedan om sfärernas musik som genomträngde deras kristallskals-universum. Nu väntar vi bara på någon som tolkar det Unga Universums musik för oss.

Med allt dethär ordnandet av ojämnheterna efter vinkelutbredning och styrka till ett spektrum så får man alltså ett diagram på de vågtoppar och vågdalar som utifrån fysikens principer om tryckvågor - alltså ljud - i gaser ger uppgifter om hur det stod till i det tidiga Universum, och vi får också ett viktigt när hände det, ett svar, 13,7 miljarder år för Universums ålder.

Det här är inte riktigt allt ännu. Bakgrundsstrålningen polarisation har också mätts upp. Än så länge har man inte fått fram polariseringen av själva mikrovågs-bakgrundsstrålningen, men nog en effekt som är överlagrad, som kommer med en spännande extrainformation. En tid inte långt efter att strålningen slapp fri kom en del av materian i rymden att utsättas för nånting som rev loss elektroner ur en del av väteatomerna i rymden - det blev lite dimma igen och den effekten kan upptäckas som att strålningen blir polariserad. Det som sker är att de första stjärnorna tänds och ljuset från dem slår loss elektronerna från väteatomer nära stjärnorna. Igen får forskarna fram ett när: det är 200 miljoner år efter den stora smällen som de allra allra första stjärnorna tänds och spred sitt ljus.


Källor:
   Nyhetstelegram 11 februari 2003:
   Reuter: Deborah Zabarenko: NASA:s probe finds universe's age and vital stats
   AFP: "baby picture" of universe reveals cosmic secrets...
   DPA: NASA-Satellit nimmt "Baby-Bild" des Universums auf
   Sky & Telescope, News Notes , July 2000, s 24 Firming up the Case for a Flat Cosmos,
   S&T, Sept 2002 s 18...19 More Support for the New Cosmology


Läs mera om WMAP i S&T: Mapping the Big Bang
Läs om Universums utvidgning i Ökande expansion
om den mörka massan i Det osynliga i Universum.
om kosmologins dagsläge sommaren år 2003  Sju kosmiska konstanter.
och om tidigare uppfattningar i På tal om ingenting.

Har Du kommentarer?
Skicka dem till hem-e-adressen
juhani.westman@welho.com
eller sommarstuge-adressen
juhani.westman@pp.inet.fi

Tillbaka till första astro-sidan.
Tillbaka till paradsidan.