I början expanderade universumet mycket, mycket snabbt.
(Bild: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter är en astrofysiker vid Ohio State University och chefsforskare vid COSI Science Center. Sutter är också värd för Ask a Spaceman och Space Radio, och lederAstroTours runt om i världen. Sutter bidrog med denna artikel till Space.com: s expertröster: Op-Ed & Insights.
För 13,8 miljarder år sedan var hela vårt observerbara universum storleken på en persika och hade en temperatur på över en biljon grader.
Det är ett ganska enkelt men mycket djärvt uttalande att göra, och det är inte ett uttalande som görs lätt eller enkelt. Ja, till och med för hundra år sedan skulle det ha låt rakt, men här är vi och säger det som om det inte är så stort. Men som med allt i vetenskapen, är enkla uttalanden som detta byggda av berg med flera oberoende bevislinjer som alla pekar mot samma slutsats - i detta fall Big Bang, vår modell för universums historia. [Universumet: Big Bang to Now i 10 enkla steg]
Men som de säger, ta inte mitt ord för det. Här är fem bevis för Big Bang:
# 1: Natthimlen är mörk
Föreställ dig för ett ögonblick att vi bodde i ett perfekt oändligt universum, både i tid och rum. De glittrande samlingarna av stjärnor fortsätter för evigt i alla riktningar, och universum har helt enkelt alltid varit och kommer alltid att vara. Det skulle betyda vart du tittade på himlen - välj bara en slumpmässig riktning och stirra - du skulle tänka hitta en stjärna där ute, någonstans, på lite avstånd. Det är det oundvikliga resultatet av ett oändligt universum.
Och om samma universum har funnits för evigt, har det varit gott om tid för ljus från den stjärnan, som kryper genom kosmos med en relativt långsam hastighet på c, för att nå dina ögonblock. Även närvaron av ingripande damm skulle inte minska det ackumulerade ljuset från en oändlighet av stjärnor spridda över ett oändligt stort kosmos.
Ergo, himlen bör brännas ihop med det kombinerade ljuset från en mängd stjärnor. Istället är det mest mörker. Tomhet. Tomhet. Svärta. Du vet, utrymme.
Den tyska fysikern Heinrich Olbers kanske inte har varit den första personen som noterade denna uppenbara paradox, men hans namn höll fast vid idén: Det är känt som Olbers paradox. Den enkla upplösningen? Antingen är universum inte oändligt i storlek eller så är det inte oändligt i tid. Eller kanske det är varken.
# 2: Kvasarer finns
Så fort forskarna utvecklade känsliga radioteleskop, på 1950- och 60-talet, märkte de konstigt höga radiokällor på himlen. Genom betydande astronomisk slutning bestämde forskarna att dessa kvasi-stjärniga radiokällor, eller "kvasarer", var mycket avlägsna men ovanligt ljusa, aktiva galaxer.
Det viktigaste för denna diskussion är den "mycket avlägsna" delen av den slutsatsen.
Eftersom ljus tar tid att resa från en plats till en annan, ser vi inte stjärnor och galaxer som de är nu, men som de var tusentals, miljoner eller miljarder år sedan. Det betyder att man tittar djupare in i universum också tittar djupare in i det förflutna. Vi ser många kvasarer i det avlägsna kosmos, vilket innebär att dessa objekt var mycket vanliga för miljarder år sedan. Men det finns knappast några kvasarer i vårt lokala, aktuella grannskap. Och de är vanligt nog i det avlägsna universum (det vill säga unga) att vi ska se mycket mer i vår närhet.
Den enkla slutsatsen: Universum var annorlunda i sitt förflutna än det är idag.
# 3: Det blir större
Vi lever i ett expanderande universum. I genomsnitt kommer galaxer längre bort från alla andra galaxer. Visst, vissa små lokala kollisioner inträffar från kvarvarande gravitationsinteraktioner, som hur Vintergatan kommer att kollidera med Andromeda om några miljarder år. Men på stora skalor gäller detta enkla, expansiva förhållande. Det är vad astronomen Edwin Hubble upptäckte i början av 1900-talet, strax efter att ha upptäckt att "galaxer" faktiskt var en sak. [Milky Way Galaxy's Head-On Crash med Andromeda: Artistbilder]
I ett expanderande universum är reglerna enkla. Varje galax går tillbaka från (nästan) varje annan galax. Ljus från avlägsna galaxer kommer att förskjutas röd - våglängderna för ljus de släpper kommer att bli längre, och därmed rödare, ur andra galaxers perspektiv. Du kanske frestas att tro att detta beror på rörelsen hos enskilda galaxer som rusar runt universum, men matematiken lägger inte till.
Mängden rödförskjutning för en specifik galax är relaterad till hur långt borta den är. Närmare galaxer får en viss mängd rödförskjutning. En galax dubbelt så långt borta kommer att få dubbelt så röd skift. Fyra gånger avståndet? Det stämmer, fyra gånger den röda skiftningen. För att förklara detta med bara galaxer som tippar runt måste det finnas en riktigt udda konspiration där alla galaktiska medborgare i universum går med på att röra sig i detta mycket specifika mönster.
I stället finns det en mycket enklare förklaring: galaxernas rörelse beror på utsträckningen av utrymmet mellan galaxerna.
Vi lever i ett dynamiskt, utvecklande universum. Det var mindre tidigare och kommer att bli större i framtiden.
# 4: Relikstrålningen
Låt oss spela ett spel. Anta att universum var mindre tidigare. Det betyder att det hade varit både tätare och varmare, eller hur? Rätt - allt kosmos skulle ha samlats i ett mindre utrymme och högre tätheter innebär högre temperaturer.
Vid någon tidpunkt, när universumet var, säg, en miljon gånger mindre än det är nu, skulle allt ha varit så krossat att det skulle vara en plasma. I det tillståndet skulle elektroner vara obundna från sina kärnvärdar och fria att simma, all den frågan badade i intensiv strålning med hög energi.
Men när det spädbarnsuniverset expanderade, skulle det ha svalnat till en punkt där plötsligt elektroner kunde sätta sig bekvämt runt kärnor och göra de första kompletta atomerna av väte och helium. I det ögonblicket skulle den galna intensiva strålningen ströva obehindrat genom det nyligen tunna och transparenta universum. Och när det universum expanderade, skulle ljus som började bokstavligen vita varma har svalnat, kylts, kylts till bara några grader över absolut noll, vilket sätter våglängderna ordentligt i mikrovågsområdet.
Och när vi riktar våra mikrovågsteleskop mot himlen, vad ser vi? Ett bad med bakgrundsstrålning, som omger oss på alla sidor och nästan perfekt enhetlig (till en del i 100 000!) I alla riktningar. En babybild av universum. Ett vykort från en långdöd era. Ljus från en tid nästan lika gammal som universum självt.
# 5: Det är elementärt
Tryck tillbaka klockan ännu längre än bildandet av den kosmiska mikrovågsbakgrunden, och vid någon tidpunkt är saker så intensiva, så galna att inte ens protoner och neutroner finns. Det är bara en soppa av deras grundläggande delar, kvarkarna och gluonerna. Men återigen, när universum expanderade och kyldes från de frenetiska första minuterna av dess existens, trängdes och bildades de lättaste kärnorna, som väte och helium.
Vi har ett ganska anständigt grepp om kärnfysik idag, och vi kan använda den kunskapen för att förutsäga den relativa mängden av de lättaste elementen i vårt universum. Förutsägelsen: Den sammandragande soppa borde ha gett ungefär tre fjärdedelar väte, en fjärdedel helium och en smadrande av "andra."
Utmaningen går sedan till astronomerna, och vad hittar de? Ett universum som består av ungefär tre fjärdedelar väte, en fjärdedel helium och en mindre andel av "andra." Bingo.
Det finns naturligtvis också fler bevis. Men detta är bara utgångspunkten för vår moderna Big Bang-bild av kosmos. Flera oberoende bevislinjer pekar alla på samma slutsats: Vårt universum är cirka 13,8 miljarder år gammalt, och på en gång var det storleken på en persika och hade en temperatur på över en biljon grader.
Läs mer genom att lyssna på avsnittet "Vad händer när galaxer kolliderar?" på Ask A Spaceman-podcast, tillgänglig på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla och Patrick D. för frågorna som ledde till detta stycke! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter. Följ oss @Spacedotcom, Facebook och Google+. Originalartikel på Space.com.
