Universets skjebne

Gitt de kosmologiske grunnprinsippene og de mulige geometriene kan vi nå se på det dynamiske universet. I standard kosmologiteori behandles alt av planeter og stjerner som fluider (flytende- eller gass-form). To beskrivende egenskaper ved et fluid er tetthet og trykk. Disse bestemmer hvordan universet har utviklet og hva vi til slutt ender opp med. Du lurer kanskje på hva trykk har å gjøre i denne sammenhengen?

I Newtons lover er styrken på gravitasjonen kun avhengig av massen til for eksempel en planet. I GR derimot er ikke gravitasjonskraften kun avhengig av massen men også trykket. Trykk gjør seg derfor gjeldende på to måter; en direkte måte (trykket kan påvirke materie rundt seg, tenk høytrykk/lavtrykk i meterologisk sammenheng) og en indirekte måte (den påvirker styrken til gravitasjonskraften). Hvis trykket er positivt, bidrar det positivt til gravitasjonskraften. Er trykket negativt, virker det motsatt av gravitasjonskraften!

• Stråling består av masseløse partikler med hastighet lik lysets. Eksempler er fotoner og nøytrinoer. Denne formen for materie har et stort positivt trykk.
• Baryonisk materi er det vi kjenner som vanlige atomer og utgjør alt vi omgir oss med fra appelsiner til planeten Jorden til stjernene. Baryonisk materiale har et lite men positivt trykk.
• Mørk materiale viser seg kun gjennom gravitatoniske virkninger på vanlig baryonisk materiale. Det er aldri blitt observert direkte men det må finnes noe som holder galaksene sammen. Vi antar at mørk materie heller ikke utøver noe signifikant trykk i denne sammenhengen.
• Mørk energi er en av de største gåtene i universet. Vi aner ikke hva det er, men den har ihvertfall en egenskap, den har et stort negativt trykk som motvirker gravitasjonen.

Finner vi "blandingsforholdet" mellom disse bestanddelene kan vi bestemme både hvor gammelt universet er og hvordan det vil utvikle seg i fremtiden.

Mulige utviklinger for universet. (VitNytt)

Den Oransje kurven gjelder for et univers der massetettheten er 5 ganger høyere enn den kritiske tettheten. På grunn av den høye massetettheten vil gravitasjonskreftene til slutt overvinne ekspansjonen. Resultatet er et relativt kortlivet univers med en total levetid på oppunder 30 milliarder år.

Den grønne kurven viser et hendelsesforløp som man lenge trodde var nær virkeligheten. Her er massetettheten akkurat lik den kritiske tettheten. Det betyr at gravitasjonskreftene utligner ekspansjonskreftene og utvidelsen vil sakte men sikkert stoppe opp. På et større bilde vil man se at den grønne kurven flater ut.

Den blå kurven viser et univers der massetettheten bare er 30% av den kritiske tettheten. Her vil også ekspansjonen avta, men gravitasjonskreftene er ikke store nok til å bremse galaksene tilstrekkelig - universet vil fortsette å vokse for evig og alltid.

Den røde kurven viser et hendelsesforløp der en del av den vanlige materien er i form av "mørk energi". Mørk energi er spekulert til å ha negativt trykk, den virker med andre ord motsatt av gravitasjon! Mye tyder på at det er dette som er det mest riktige scenariet av årsaker vi kommer tilbake til om litt. Universets skjebne er derfor ikke bare avhengig av om massetettheten er lik den kritiske verdien, men også hvilke typer trykk som finnes. Vi skal nå se på hvilke typer materie og trykk som finnes i universet.

Big Bang nukleosyntese

Det er med utgangspunkt i Big Bang teorien mulig å beregne andelen av forskjellige grunnstoffer i universet. I begynnelsen var det ingen atomer i universet, bare en "suppe" av ren energi. Etterhvert som temperaturen falt, manifesterte energien seg til forskjellige typer partikler som blant annet nøtryoner, protoner og elektroner. Frie nøytroner har overraskende nok en levetid på bare 11 minutter før de splittes i et proton-elektronpar. Proton-elektronparet kunne fange opp et annet nøytron og danne deuterium (også kjent som tungtvann, en isotop av hydrogen). I løpet av de tre første minuttene ble deuteriumet igjen koblet sammen til helium og litium.

Andelen deuterium, helium og litium bestemmes utifra tettheten til universet. Ved å sammenligne observerte mengder med teorien kan vi gå andre veien - vi kan finne tettheten til universet!

Ifølge teorien bør universet bestå av rundt 24% helium og 75% hydrogen og dette stemmer godt overens med observasjoner. Andelen av de andre stoffene derimot presenterer oss for et lite problem. Blandingsforholdet vi observerer mellom deuterium, helium og litium kunne aldri oppstå med mindre tettheten til universet er kun 4% av den kritiske tettheten! Med så lav tetthet er det tvilsomt at stjerner og planeter kunne komme til, ihvertfall slik vi kjenner dem i dag. Dessuten viser uavhengige observasjoner at tettheten er omtrent 100% av den kritiske tettheten. Hva er de resterende 96% av universet? Hvor er det?

Her får vi det første argumentet for mørk materie og mørk energi. Vi "vet" at universet er flatt, som betyr at energitettheten er lik den kritiske tettheten. Likevel, vanlig baryonisk materiale kan ikke utgjøre mer enn 4% av denne kritiske tettheten på grunn av det observerte blandingsforholdet mellom helium, deuterium og litium. De resterende 96% må derfor bestå av mørk materie og mørk energi.

Digresjon

Litium er det tyngste grunnstoffet som ble skapt etter Big Bang. Hydrogen har atomtall 1 (ett proton), helium har atomtall 2 (to protoner og to nøytroner) og litium har atomtall 3 (tre protoner og tre nøytroner). Alt annet stoff du kjenner til som er tyngre enn dette, for eksempel vannet du drikker, carbonet kroppen din er bygget opp av, oksygenet og nitrogenet du puster, er skapt i en supernova. Du er faktisk stjernestøv!


I neste del: Den kosmiske bakgrunnstrålingen, inflasjon, horisontproblemet med mer!