Introduktion
För ungefär 13,8 miljarder år sedan började universumet som vi känner det. Detta ögonblick, känd som Big Bang, är när rymden snabbt började expandera. Vid Big Bang-tiden passar det observerbara universum (inklusive material för minst 2 biljoner galaxer) in i ett utrymme mindre än en centimeter över. Nu är det observerbara universum 93 miljarder ljusår och expanderar fortfarande.
Det finns många frågor om Big Bang, särskilt om vad som kom före den (om något). Men forskare vet vissa saker. Läs vidare för några av de mest sinnesriktade upptäckterna om början på allt.
Universum expanderar
Fram till 1929 höljdes universums ursprung helt in i myt och teori. Men det året upptäckte en driftig astronom vid namn Edwin Hubble något mycket viktigt med universum, något som skulle öppna upp nya sätt att förstå dess förflutna: Hela saken expanderar.
Hubble gjorde sin upptäckt genom att mäta något som kallas rödförskjutning, vilket är skiftet mot längre, röda våglängder av ljus som ses i mycket avlägsna galaxer. (Ju längre bort objektet, desto mer uttalad är rödskiftet.) Hubble fann att rödskiftet ökade linjärt med avståndet i avlägsna galaxer, vilket indikerar att universum inte är stationärt. Det expanderar, överallt, på en gång.
Hubble kunde beräkna hastigheten för denna expansion, en siffra som kallas Hubble Constant, enligt NASA. Det var denna upptäckt som gjorde det möjligt för forskare att extrapolera tillbaka och teoretisera att universum en gång var packat i en liten punkt. De kallade det första ögonblicket av dess expansion för Big Bang.
Kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning
I maj 1964 arbetade Arno Penzias och Robert Wilson, forskare vid Bell Phone Laboratories, med att bygga en ny radiomottagare i New Jersey. Deras antenn plockade upp en konstig surr som tycktes komma överallt, hela tiden. De trodde att det kan vara duvor i utrustningen, men att ta bort bonen gjorde ingenting. Inte heller gjorde deras andra försök att minska störningarna. Slutligen insåg de att de plockade upp något riktigt.
Det de upptäckte, visade det sig, var universums första ljus: kosmisk mikrovågsbakgrundsstrålning. Denna strålning går tillbaka till cirka 380 000 år efter Big Bang, då universum äntligen kyldes tillräckligt för att fotoner (de vågliknande partiklarna som utgör ljus) kan resa fritt. Upptäckten gav stöd till Big Bang-teorin och föreställningen att universum expanderade snabbare än ljusets hastighet i sitt första ögonblick. (Det beror på att den kosmiska bakgrunden är ganska enhetlig, vilket föreslår en smidig utvidgning av allt från en liten punkt.)
Sky karta
Upptäckten av den kosmiska mikrovågsbakgrunden öppnade ett fönster till universums ursprung. 1989 lanserade NASA en satellit som heter Cosmic Background Explorer (COBE), som mätte små variationer i bakgrundsstrålningen. Resultatet var en "babybild" av universum, enligt NASA, som visar några av de första täthetsvariationerna i det expanderande universum. Dessa små variationer gav antagligen upphov till mönstret av galaxer och tomt utrymme, känd som den kosmiska galaxbanan, som vi ser i universum idag.
Direkt bevis på inflation
Den kosmiska mikrovågsbakgrunden gjorde det också möjligt för forskare att hitta "rökpistolen" för inflationen - den enorma, snabbare än ljusa expansionen som inträffade vid Big Bang. (Även om Einsteins teori om speciell relativitet håller fast att ingenting går snabbare än ljus genom rymden, var detta inte en kränkning; rymden i sig utvidgades.) 2016 meddelade fysiker att de hade upptäckt en viss typ av polarisering, eller riktning, i någon av den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Denna polarisering är känd som "B-lägen." Polarisationen i B-läge var det första direkt beviset på gravitationsvågor från Big Bang. Gravitationsvågor skapas när massiva föremål i rymden påskyndar eller saktar ner (den första som någonsin upptäcktes kom från kollisionen mellan två svarta hål). B-lägena ger ett nytt sätt att direkt undersöka det tidiga universums expansion - och kanske ta reda på vad som drev det.
Inga extra dimensioner hittills
En konsekvens av upptäckten av gravitationsvågen var att den gjorde det möjligt för forskare att söka efter ytterligare dimensioner, utöver de vanliga tre. Enligt teoretiker bör gravitationsvågor kunna passera in i okända dimensioner, om dessa dimensioner finns. I oktober 2017 upptäckte forskare gravitationsvågor från kollisionen mellan två neutronstjärnor. De mätte tiden det tog vågorna att resa från stjärnorna till jorden och fann inga bevis på något extra-dimensionellt läckage.
Resultaten, som publicerades i juli 2018 i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, tyder på att om det finns några andra dimensioner där ute, är de små - de skulle påverka områden i universum som är mindre än 1 mil (1,6 kilometer) i storlek. Det betyder att strängteorin, som säger att universum är tillverkade av små vibrerande strängar och förutsäger minst 10 tonåriga dimensioner, fortfarande kan vara sant.
Expansion accelererar ...
En av de konstigaste upptäckterna inom fysiken är att universum inte bara expanderar, det expanderar i en snabbare takt.
Upptäckten går tillbaka till 1998, då fysiker tillkännagav resultaten från flera långvariga projekt som mätte särskilt tunga supernovor som kallas Type Ia supernovor. Resultaten (som vann forskarna Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt och Adam G. Reiss ett Nobelpris 2011) avslöjade svagare än väntat ljus från de mest avlägsna av dessa supernovor. Detta svaga ljus visade att rymden i sig expanderar: Allt i universum kommer gradvis att komma längre bort från allt annat.
Forskare kallar föraren för denna expansion "mörk energi", en mystisk motor som kan utgöra cirka 68% av energin i universum. Denna mörka energi verkar vara avgörande för att få teorier om universums början att passa observationer som genomförs nu, till exempel sådana som gjorts av NASA: s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), ett instrument som har producerat den mest exakta kartan över den kosmiska mikrovågsugn bakgrund ännu.
... Ännu snabbare än väntat
Nya resultat från Hubble-teleskopet, som släpptes i april 2019, har fördjupat pussel för det expanderande universum. Mätningarna från rymdteleskopet visar att universums expansion är 9% snabbare än förväntat från tidigare observationer. För galaxer kan varje 3,3 miljon ljusårsavstånd från jorden översättas till ytterligare 46 mil per sekund (74 km per sekund) snabbare än tidigare beräkningar förutspådde, enligt NASA.
Varför betyder det här för universums ursprung? Eftersom fysiker måste sakna något. Enligt NASA kan det ha förekommit tre separata mörka energi "bursts" under Big Bang och kort därefter. Dessa skurar sätter scenen för det vi ser idag. Den första kan ha börjat den första utvidgningen; en sekund kan ha hänt mycket snabbare, agera som en tung fot tryckt på universumets gaspedal, vilket fick universum att expandera snabbare än tidigare trott. Ett sista mörkt energiutbrott kan förklara den accelererande expansionen av universum idag.
Inget av detta är bevisat - ännu. Men forskare tittar. Forskare vid University of Texas vid Austin McDonald Observatory använder ett nyligen uppgraderat instrument, Hobby-Eberly Telescope, för att leta direkt efter mörk energi. Projektet, Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX), mäter det svaga ljuset från galaxer så långt bort som 11 miljarder ljusår, vilket gör att forskare kan se eventuella förändringar i universums acceleration över tid. De kommer också att studera ekon av störningar i det 400 000 år gamla universum, skapade i den täta soppa av partiklar som utgjorde allt direkt efter Big Bang. Även detta kommer att avslöja utvidgningens mysterier och förklara den mörka energin som drev den.
