Artikkel

Et ekko fra Big Bang

Bilde av kosmisk bakgrunnstråling tatt av WMAP
NASA-romsonden WMAP sitt bilde av den kosmiske bakgrunnsstrålingen fra 2003. Kosmisk bakgrunnsstråling er en av hovedkildene til informasjon fra universet rundt oss. Foto: NASA.

Et ekko fra Big Bang

Forskere vet mye og har mange teorier om universet. Så hvordan kan vi egentlig vite så mye om universet, når alt er så langt unna? En av de viktigste grunnene er den kosmiske bakgrunnsstrålingen.

FRINATEK OG ROMFORSK

FRINATEK er Fri prosjektstøtte (FRIPRO) fra Forskningsrådet for prosjekter innen matematikk, naturvitenskap og teknologi. FRIPRO er en åpen nasjonal støtteordning for forskning der alle kan søke om midler.

Ingunn Kathrine Wehus fikk 7,6 millioner kr. til prosjektet: SPIDER: Imaging the birth of the universe from 38,000 meters above Antartica

ROMFORSK er Forskningsrådets program for romforskning. Wehus fikk  5 millioner kr. til prosjektet COMAP: Mapping the teenage universe with carbon monoxide

Forsker ved Institutt for teoretisk astrofysikk, Ingunn Kathrine Wehus, forsker på nettopp denne strålingen, og det har hun gjort så bra at hun nylig fikk støtte til forskningen sin fra både FRINATEK og ROMFORSK i samme søknadsrunde.

Her forklarer hun hva bakgrunnsstrålingen kan fortelle oss om universet og hvordan det ble til.

Epoken da universet skifter ham

– Studiet av den kosmiske bakgrunnsstrålingen er egentlig en studie av hvordan universet så ut omtrent 380 000 år etter Big Bang. Hvis man sammenlikner universets alder med en menneskealder tilsvarer dette et bilde av en 24 timer gammel baby.

Et kart over den kosmiske bakgrunnsstrålingen gir oss altså et barnebilde av universet.

Ingunn Kathrine Wehus
Ingunn Kathrine Wehus er forsker ved Institutt for teoretisk astrofysikk og er ekspert på kosmisk bakgrunnsstråling. Foto: Hans Kristian Kamfjord Eriksen

– Og bildet forteller oss hvordan universet så ut før det fikk alle «rynkene og vortene», det vil si alle galakser, stjerner og planeter som vi ser i dag.

Denne strålingen ble sluppet løs i en epoke som ofte kalles rekombinasjonsfasen.

– Rett etter Big Bang var universet ekstremt varmt og tett, og ingen atomer kunne eksistere i vanlig form. Den intense varmestrålingen brant alle sammensatte partikler i stykker, og kun elementærpartikler, dvs. partikler som ikke kan brytes videre opp, kunne eksistere.

Lyspartikler kolliderte med elektroner, og kunne ikke bevege seg mer enn et par meter før de skiftet retning. Universet var altså ugjennomsiktig som en tjukk tåke. Men etterhvert som universet utvidet seg, så ble det også avkjølt.

– Og en dag, omtrent 380.000 år etter Big Bang, falt temperaturen under 3000 grader, og på det tidspunktet kunne de aller første nøytrale hydrogenatomene dannes.  Og når alle de frie elektronene ble bundet opp i hydrogenatomer, kunne lyspartiklene plutselig bevege seg fritt gjennom hele universet.

Og det er disse lyspartiklene vi i dag kan observere i form av radiostråling i den kosmiske bakgrunnsstrålingen.

Se tilbake i tid

Bakgrunnsstrålingen stammer altså fra en gang universet var svært ungt i et kosmologisk perspektiv, men vi kan likevel «se» det i dag. Det skyldes et gammelt astronomisk triks: Fordi lyset bruker tid på å reise gjennom rommet, så observerer vi astronomiske objekter sånn de så ut den gang lyset ble frigjort, ikke sånn de ser ut i dag.

– Å se ut i universet er derfor som å se tilbake i tid. For eksempel, når vi ser på sola så ser vi hvordan sola så ut for åtte minutter siden. Når vi ser en fjern galakse ser vi hvordan den så ut for millioner av år siden.

– Når vi observerer den kosmiske bakgrunnsstrålingen ser vi hvordan den så ut for fantastiske 13,8 milliarder år siden. Denne informasjonen er uvurderlig for å forstå universet rundt oss og hvordan det ble til.

Hvordan observere eldgammelt lys?

Holmdel Horn Anntennen
Holmdel Horn-antennen ble egentlig bygget for satelittkommunikasjon, men førte til at vi oppdaget den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Penzias og Wilson fikk nobelprisen for oppdagelsen i 1978. Foto: NASA (1962)

Bakgrunnsstrålingen ble oppdaget ved en tilfeldighet i 1964 da Arno Penzias og Robert Wilson eksperimenterte med en antenne som egentlig var beregnet for satellittkommunikasjon.

Ved hjelp av denne oppdagelsen, Einsteins teori og Hubbles lov, kan man i dag gjøre detaljerte beregninger av forholdene i universet i tidligere epoker, helt tilbake til brøkdeler av et sekund etter starten på utvidelsen.

Beregningene er basert på velkjent fysikk og gir resultater som, med forbausende nøyaktighet, stemmer med observasjoner som kan utføres i dag. 

– Hvordan gjennomføres disse observasjonene?

– De beste målingene gjennomføres ved bruk av satellitter eller romsonder, fordi Jordas atmosfære forstyrrer strålingen før den når oss på bakken. Mest kjent er kanskje Planck-satellitten, som har vært verdensledende siden de første resultatene ble sluppet i 2013.

– Hvordan «ser» disse satellittene dette eldgamle lyset?

– På mange måter tilsvarer disse eksperimentene en veldig følsom og dyr TV-antenne. Denne TV-antenna peker man så i alle mulige retninger på himmelen, og måler hvor mye stråling som kommer fra hver retning.

Og jo mer stråling, dess varmere er den kosmiske bakgrunnsstrålinga.

– Slik kan man lage et kart over temperaturen i alle mulige retninger. Men temperatur-variasjonene vi leter etter er veldig små, bare omtrent 0.0001 grader. Så det er nødvendig å ha veldig stabile måleinstrumenter og måleforhold. Satellitter er veldig nyttige for nettopp det.

Vi vil forstå mer!

Andromedagalaksen tatt av Planck
Bilde tatt av romteleskopet Hubble av Andromeda-galaksen. Foto: NASA

Ingunn Wehus har bakgrunn fra Fysisk institutt ved UiO, Oxford og Imperial College i England og Caltech i USA men er nå tilbake i Oslo.

Forskningen på kosmisk bakgrunnsstråling har hun gjort så bra at forskingspengene strømmer inn.

I årets søknadsrunde til Forskningsrådet fikk hun 7,6 millioner kr. fra FRINATEK og 5 millioner kr. fra ROMFORSK.

– Ja, vi får god støtte! Dette gjør at jeg nå kan ansette ekstra doktorgradsstipendiater og postdoktorer til å hjelpe meg i forskningen min.

Sammen skal de lete etter gravitasjonsbølger fra Big Bang i den kosmiske bakgrunnsstrålingen, og også bruke tilsvarende stråling fra fjerne galakser til å lage et tre-dimensjonalt kart over materien i universet den gang det var et par milliarder år gammelt.

– I tillegg til våre eksisterende barne-bilder av universet skal vi altså nå lage både fødsels- og tenårings-bilder!

Kontakt:

Ingunn Kathrine Wehus, forsker ved Institutt for teoretisk astrofysikk

Les mer:

Når grunnfjellet i universet rister

Supernovaen som ble forutsagt

TEMA-siden om UNIVERSET

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

CINPLA-forskere: Mattis Wigestrand, Kristian Lensjø, Elise Holter Thompson, Marianne Fyhn, Torkel Hafting, Anders Malthe-Sørenssen.

De fant «nettingstrømpene» som beskytter langvarige minner i hjernen

Elise Holter Thompson satt med en litt kjedelig oppgave, nemlig å studere videoer av rotter som hadde gjennomgått en hukommelsestest. Plutselig oppdaget hun noe  veldig rart – og det førte til at forskergruppen CINPLA ble først i verden til å påvise at strukturer på utsiden av selve hjernecellene spiller en viktig rolle for bevaringen av langtidsminner.

FlyVinter1

Landing på glatt rullebane blir tryggere med matematikk og Big Data

Passasjerflyenes piloter har en krevende oppgave når de skal gå inn for landing om vinteren med et fly som kan veie opptil 60 tonn og ha en fart på opptil 270 km/t. Ved 16 norske flyplasser får pilotene nå hjelp av et avansert system som samler inn en mengde data og beregner hvor glatt rullebanen er, lenge før flyhjulene treffer bakken.