Under självaste big bang spelade gravitationsvågor en avgörande roll för hur hur dagens universum ser ut. Nu har ett avancerat teleskop för mikrovågor från rymden, placerat vid Sydpolen, sett tecken på dessa krusningar i rumtiden.

En av vetenskapens märkligaste teorier, inflationsteorin, har därmed klarat ett viktigt prov som i sin tur ger en inblick i stora smällens första bråkdelar av en sekund.

Dark Sector Lab
BICEP2 och grannen South Pole Telescope vid sydpolen. (Foto: Harvard CfA)

Astronomer från bland annat Harvarduniversitetet i USA rapporterar idag om nya, extremt känsliga observationer av den kosmiska bakgrundsstrålningen. Till skillnad från tidigare mätningar har de med teleskopuppställningen BICEP2 kunnat uppskatta i detalj hur mycket den är polariserad och i vilka riktningar. Om du tittar genom polaroidglasögon blockeras ljus som blivit polariserat av att reflekteras av till exempel snö eller havsytan. På liknande sätt kan astronomer mäta polariseringen hos ljus från rymden i alla våglängder.

Den kosmiska bakgrundsstrålningen är det äldsta och mest långväga ljus som astronomer har kunnat mäta. Strålningen släpptes loss från materian i det unga universum bara 380 000 år efter big bang och är oerhört jämn över hela himlen. Men dess färger, och detaljerna i kartorna över den som gjorts av satelliter som COBE, WMAP och Planck, ger oss en massa kunskap om universums födsel och tidig utveckling.

De nya mätningarna stämmer väl överens med kosmologins mest obekväma men mest spännande idé, inflationsteorin. Denna teori ger en enkel om än bisarr förklaring till varför materian i den delen av universum som vi kan se varit så jämnt fördelad då bakgrundsstrålningen släpptes loss. Inflation går ut på att rummet självt genomgick en accelererande expansion av fullständigt obegripliga mått, drivet av krafter som kosmologer bara har vaga aningar om . Energin i expansionen omvandlades sedan till den hutlöst heta myller av partiklar som vi känner som big bang eller stora smällen, då allt expanderade och svalnade av, nu i makligare takt.

Spår av inflationstiden borde finnas kvar, tror forskarna. Teorin förklarar bakgrundsstrålningens märkligt jämna sken, men den förutspår andra mer subtila tecken i mikrovågsskyn, i ljusets polarisering. Rummets otroliga expansion under inflationstiden (med en faktor 1 följt av uppskattningsvis 78 nollor, om det hjälper!) ger upphov till gravitationsvågor som påverkar hur materian som uppstår i big bang fördelar sig. Gravitationsvågor har aldrig direkt detekterats, men att de finns och bär bort energi från till exempel snurrande stjärnor gav ett nobelpris i fysik 1993.

Bild: Harvard CfAVirvlar i kartan över polariserad bakgrundsstrålning avslöjar B-moden. Och den bekräftar inflationsteorin. Klicka för fler bilder. Bild: Harvard CfA

Specifikt handlar det om att skilja mellan lutningar i mätvärdena (så kallade E-mode-polarisering) och skruvstrukturer i mätvärdena (B-moden kallade) – tänk på en pappersbåt på havsytan så får du en känsla för skillnaden: båten följer antingen strömmar (E-moden) eller snurrar vid virvlar (B-moden). Dessa mönster i polariseringskartan kan uppstå tack vare att ljuset passerat förbi tunga galaxhopar på vägen till oss, eller så kan mönstren varit där i ljuset redan 380 000 år efter big bang. E-mode-polarisering är relativt lätt att mäta, men det är B-mode-mönstren som bär med sig tecken på gravitationsvågorna som uppstod under inflationen.

År 2013 lyckades BICEP2:s granne South Pole Telescope upptäcka de första tecknen på B-mode-polarisering, och de stämde väl överens med materians påverkan på bakgrundsstrålningen.

Men nu har BICEP2 kunnat mäta en tydlig B-mode-signal i polariseringen i bakgrundsstrålningen, en signal vars enklaste förklaring är att den skapades av gravitationsvågor under inflationstiden. Den häpnadsväckande inflationsteorin verkar stämma överens med verkligheten, och ger en inblick i ett stadium i vårt kosmos början som vi först nu kan börja tro på. Och, såklart, utsätta för nästa tuffa prov.

Ska vi tro på upptäckten? Fler liknande mätningar kommer inom kort som kan bekräfta BICEP2:s eller visa att vi inte är där ännu. I rymden samlade ESA:s Planckteleskop fram till i oktober polariseringsmätningar av bakgrundsstrålningen som lär släppas under året, och på marken samlar även experimentet Polarbear mätningar från en observationsplats i Chiles Atacamaöknen.

History-of-the-Universe-BICEP2_sv_500
Universums historia enligt forskarna bakom BICEP2. Klicka för en större version. (Bild: Harvard CfA)

Läs mer: DN:s utmärkta rapport med citat från Max Tegmark, Tegmarks egna genomlyckliga respons på upptäckten i Huffington Post. I Sveriges radio kan du lyssna på Bengt Gustafsson, Maria Sundin och Max Tegmark som samtalar i ett uppsluppet Vetandets värld. Se även förhandssnack om upptäckten hos Sean Carroll och läs Matt Strasslers kärnfulla förklaringar av inflationsteorin och big bang. Strassler har också kommenterat resultaten.

  • Pingback: Populär Astronomi – » Spår av gravitationsvågor bekräftar universums ofattbara inflation | Naturvetare12()

  • Pingback: Gravitationsvågor är nog bra, men vet du vad du menar med ”big bang”? |()

  • Det är ändå rätt konstigt med den lilla kulan med etiketten ”big bang” i början av BICEP2-figuren. Det stämmer inte med min nuvarande förståelse av vad kosmologer normalt mnar med big bang. Men det är uppenbarligen vitt spridd förvirring kring detta.

  • Anders

    Eftersom rummet inte existerade innan rummet kom till, känns det för mig som en självklarhet att själva förloppet gick ”snabbt”

    Exakt hur snabbt förloppet tog känns för mig som en ”icke fråga” eller uttryckt som ”limes t -> 0”

  • @Åka: Jag läste nånstans att det är mest en smaksak bland kosmologer exakt vilket skeende man kallar big bang. Jag tycker du summerar läget bra i ditt blogginlägg.

  • Klas

    I artikeln ovan står det att expansionen skedde med en faktor 10^78 medan jag på andra håll läst att universum ökade i storlek med en faktor 10^28. Vad stämmer egentligen?

  • @Klas: Enligt vad jag har kunnat snappa upp räcker det gott med att det är sanslöst mycket och sanslöst fort. Hur många storleksordningar beror starkt på vilken variant av teorin som gäller, och verkligheten talar ännu inte om för oss vilken modell som är rätt.

  • Anders

    Som amatör tycker jag att hela förloppet känns en en invertering av rummet.

    Från en singularitet ( = 0 i utbredning) till en annan singularitet eller inversen (= ∞ i utbredning)

    Konsekvensen borde då bli att man alltid kommer att se ”födelsen” när man tittar upp på himmeln/universum och det i alla vinklar och från alla platser i universum.

    De små variationerna i bakgrundsstrålningen relativt betraktningsvinkeln förklaras med (den lilla) osymmetrin i massfördelningen vilken ”spökar” till rum-tiden så att gångtiden för strålningen inte blir helt identisk.

  • Johan mellin

    För att få en viss förståelse för inflationen och dess egenskaper måste man nog ha en uppfattning om vad ett rum är, vilka egenskaper som ett rum har och inte minst om rummet kan vara ett absolut vakuum, dvs inte innehålla vare sig materia, strålning eller annan form av känd eller okänd energi. .

  • Anders Classon

    OBS jag utelämnar förstås alla försök att förklara vårt nuvarande rum vad beträffar energifördelningen inkluderande svart energi och svart massa.

    Det var endast rummets egenskaper (utbredning & tid) från ”big bang” jag hade i åtanke.

  • Får en gammal amatörkosmolog komma med några tankar plus ett recept.

    När jag läser kommentarer och beskrivningar av de senaste rönen kring ”gravitationsvågor” och ”universums ofattbara inflation” slås jag av uttryck och utrop som:

    …den häpnadsväckande inflationsteorin…det är något konstigt…förvirring …. det är sanslöst mycket och sanslöst fort….expanded with blistering speed — completely unbelievable speed… it sounds totally insane. ….. we don’t actually know,… too big in size and too small in time for human… kosmologins mest obekväma … idé, inflationsteorin…en enkel om än bisarr förklaring… Inflation …en accelererande expansion av fullständigt obegripliga mått…kosmologer bara har vaga aningar om… skedde med en faktor 10^78 …Vad stämmer egentligen?…Det är ändå rätt konstigt med den lilla kulan med etiketten ”big bang”…Ska vi tro på upptäckten?

    Ja, vad ska man tro? För min del tror jag inte. Jag vet att den gamla idén från 1920-talet man laborerar med, inte bara är felaktig, den är tyvärr också ett stort hinder för all utveckling av kosmologin. Ursäktlig för 80 år sedan, men inte nu. Den föder ständigt uttryck och förvirring i stil med de ovan.

    Många nya upptäckter har tillkommit sedan 1920-talet, vilka inte är integrerade i kosmologin, har jag märkt. Den som tar sig tid och grundligt själv studerar dessa frågor kommer säkert fram till samma sak. Som exempel kan jag nämna kaosteorin i datorernas tidsålder. Helt oundgänglig för modern kosmologi, anser jag. Men är en fullständigt främmande fågel för en anhängare av Big Bang.

    Grundfelet, enligt min enkla mening, är antagandet att universums uppkomst är en rent mekanisk affär, en plötslig och omotiverad engångshändelse. Av detta följer sedan många andra svårigheter. Exempelvis horisontproblemet med dess ad hoc-lösning inflationsteorin. Universums temperatur och täthet – är den verkligen oändlig i de första momentet. Materiens uppkomst, galaxernas uppkomst och utveckling. Problem, problem. Hur kan det komma sig att det saknas materia? Hur kan universums expansion accelerera? Vad är källan till de nyligen vid Antarktisk upptäckta högenergetiska neutrinerna?

    Hur är det förresten med termodynamikens lagar. Och gäller ens Newtons lag om verkan och motverkan? Helt klart kan det inte gälla för den lilla kulan med etiketten ”big bang” i bilden ”Universums historia”. Allra minst i den glasstrut som sedan följer. Vem försöker kosmologerna lura med sådana töntiga bilder av hur vår vackra, komplexa värld med allt sitt liv och skönhet kom till och fungerar?

    Är universum ett isolerat mekaniskt system? En maskin? En expanderande konservburk? (Surströmmingsburk?). Hur har då liv kunnat uppkomma? Många olösta frågor. Något måste vara galet med den gängse kosmologiska modellen och dess teori.

    Mitt recept! Börja med att tänka om. Tänk allsidigt! Antag att universums uppkomst inte är en rent mekanisk affär utan en elektrodynamisk! Fotoner och neutriner tillsätts och får strömma in så att universum därmed behandlas för vad det är – uppenbarligen ett öppet system. Då behövs ingen nödlösning a la inflationsteorin. Problemet uppstår helt enkelt inte.

    Inte heller frågan om gravitationsvågor, möjligen då det är dags för universums kontraktion och då gravitationen tar över kommandot.

    Behandla sedan uppkomsten och hela utvecklingen av vårt universum, från dess början till dess slut, som en naturprocess. (Vad skulle det annars vara?).

    Integrera med kaosteori och antimateria. Låt sedan de elektrodynamiska entiteterna ifråga – fotoner och neutriner – bygga upp elektriska och magnetiska fält plus alla slag av atompartiklar, atomer och molekyler. Som i sin tur skapar galaxer, stjärnor och planeter. Och liv.

    Vad som är häpnadsväckande och konstigt är att ansvariga professionella kosmologer så envetet går på i de gamla spåren. Utan att höra alla dånande varningsklockor om att något är fel. Förskräckande fel.

    Åke Hedberg
    Amatörkosmolog,
    Kiruna.

  • Anders Classon

    Hur ser du på den sk bakgrundsstrålningen och att den ”nästan” är identisk oberoende i vilken riktning vi tittar?

  • ”Hur ser du på den sk bakgrundsstrålningen och att den ‘nästan’ är identisk oberoende i vilken riktning vi tittar?”, frågar Anders Classon.

    Om det är mig du frågar så har jag mycket att säga om den kosmiska ”sk bakgrundsstrålningen”. Ett kort svar är att denna elektromagnetiska strålning noga räknat är fråga om en s k hålrumsstrålning eller svartkroppsstrålning. Om den därmed följer lagen för en sådan strålning och Planckfördelningen för denna, så är det helt OK att den är så jämn och att temperaturen idag är 2,725 K och i fallande.

    Och eftersom vi fortfarande befinner oss i det hålrum som strålningen en gång bildades i, dvs. i ett expanderade universum för många miljarder år sedan, så är dess struktur fortfarande densamma och därför ”oberoende i vilken riktning vi tittar”.

    Min avvikande syn på denna hålrumsstrålning i förhållande till Big Bang-modellen och dess teori är dock den URSPRUNGLIGA temperaturen. Påståendet att den skulle ha varit ca 3000 eller 4000 K (uppgifterna varierar) då strålningen uppkom och att den sedan idag fallit till 2,725 K stämmer inte med vad en hålrumsstrålning/svartkroppsstrålning med kosmiskt ursprung är. Det kan vara vilken strålning som helst, dock inte av den kosmiska valör vi talar om.

    Nu har man apropå detta upptäckt ”något märkligt och oväntat” nämligen något som kan tolkas så att ”universum tycks vara skevt”.

    En tolkning av detta kan faktiskt vara den min frågeställare Anders framför(2013-03-21) nämligen att ”ekliptikan och att hela universum utför (ev. utförde) en idag okänd rotation”. Ja, varför inte?

    Då jag anser att det förvisso finns fler bevis på ”att hela universum utför (ev. utförde)…en rotation”, så är den nya upptäckten för mig mycket spännande!

  • Anders Classon

    Citat Åke Hedberg:

    ”Och eftersom vi fortfarande befinner oss i det hålrum som strålningen en gång bildades i, dvs. i ett expanderade universum för många miljarder år sedan, så är dess struktur fortfarande densamma och därför ”oberoende i vilken riktning vi tittar”.”

    Jag tolkar ovanstående (rätta mig om jag har fel) som att du anser att universum har en startpunkt, dvs du ansluter dig inte till Fred Hoyles idéer utan till någon form av ”big bang” och därmed ett ständigt expanderande universum.

    För min känns det som att universum tillkom genom att rummet ”inverterade” sig själv men vi förleds av rödförskjutningen att tro att universum ständigt utvidgar sig.

    Rödförskjutningen är istället en konsekvens av att tittar tillbaka i tiden (en egenskap i rum-tiden) och den sk bakgrundsstrålningen är därmed också ”drabbad” av densamma.

    Mig säger detta att vi inte kan avgöra tidpunkten när universum bildades dvs det är irrelevant att prata om universums ålder.

  • Svar till Anders Classon.

    Citat: ”Jag tolkar ovanstående (rätta mig om jag har fel) som att du anser att universum har en startpunkt, dvs du ansluter dig inte till Fred Hoyles idéer utan till någon form av ’big bang’ och därmed ett ständigt expanderande universum.”

    I hela historien om hur vårt universum en gång uppkom och fungerar; alltifrån Newton, Einstein, Fridman, Lemaıtre, Gamow, Hoyle, Klein, Alfvén m.fl. finns det vissa sidor, teorier, synsätt eller saker som är både rätt och fel, anser jag. Ingen av dem har Absolut Fel eller Helt Rätt enligt min mening.

    Det är ju också så den vetenskapliga utvecklingen fungerar. Eller borde fungera. När anhängarna till Big Bang helt förkastade ”Hoyles idéer” som du nämner, på 1960-talet gjorde de sig skyldiga till ett stort misstag. Likaså förtigandet av Klein/Alfvéns idéer. Även vissa av Einsteins och Gamows.

    I min modell om vårt universum och teorin för denna finns alltså vissa drag eller sidor som ansluter till någon av de nämnda herrarnas modeller och teorier ifråga. Anser en del idéer vara bra, andra mindre bra.

    Beträffande Fred Hoyle så är jag med hans teori att det sker ett ständigt inflöde av ny materia i universum. Detta är också min åsikt. Varifrån denna kommer och sedan ”försvinner”, är en helt annan historia.

    Fridmans matematik, Einsteins allmänna relativitetsteori, kan tillämpas på ett kontraherande universum, som jag gjort. Annars blir det galet, som jag ser det.

    Enig med Einstein: att universum är cylindriskt. (Inte sfäriskt).

    Med Klein/Alfvéns idéer om att det någonstans i eller utanför universum finns (den av många saknade) antimaterian. De ansåg också att universums expansion är av elektrodynamisk natur, precis som jag. Inte av mekanisk som antas i Big Bang. I Alfvéns konkreta modell sker också en expansion och kontraktion av universum liksom en slags inmatning och tillförsel av materia och energi. (De kunde dock inte förklara den kosmiska bakgrundsstrålningen).

    Enig med Big Bang: Universum expanderar från ett minimum. Men inte på ett mekaniskt sätt. Expansionen accelererar inte heller. Det gör supernovorna/galaxerna däremot, enligt noggranna mätningar. Också enig med Big Bang att det efter några hundra tusen år frigörs ett ”ljusmoln” en hålrumsstrålning, som idag har en temperatur på 2,725 K.

    Men universum uppkom inte från en extremt tätt och hett tillstånd, anser jag. Nej, nej. Vid ”startpunkten” är det snarare mycket kallt. Och tätheten är densamma som idag. Detta beroende på att denna startpunkt inte är en punkt utan en mycket, mycket lång elektromagnetisk sträng – en mikrovågsstråle eller laserstråle – , som snabbt matas in med en diameter på ca. 0,1 mm och en sammanlagd volym på ungefär ¼ av månens volym.

    Frekvensen hos fotonerna i laserstrålen är 5450 GHz. Inmatningstakten är lika med Planckfrekvensen. Vid varje inmatning matas materia motsvarande Planckmassan in och laddningen 1 C. Energin är lika med Planckenergin.

    På grund av denna snabba inmatning av elektrodynamisk natur kommer universum att expandera. Men inte ”ständigt”. Nej, endast i drygt 20 miljarder år. Sedan vänder processen. Hela förloppet utgör en elektromagnetisk/mekanisk svängningskrets, där vårt universum ingår som en komponent. Den mekaniska energin är lika med den elektromagnetiska och kan vara aktiv eller passiv (lagrad som atomer, elektriska laddningar t.ex).

    Hoppas det var svar på din fråga Anders.

    Fast jag förstår inte riktigt vad du menar med att ”Det är irrelevant att prata om universums ålder.”

    Kan passa på att påpeka att utifrån den modell jag förespråkar och mätdata från den kosmiska hålrumsstrålningen är universums ålder tämligen lätt att bestämma. Inte bara den utan också den tid som är kvar…

    En del av det sagda finns också på min hemsida:
    http://www.linnea.com/~akejean/

  • Karin Svensson

    Ni har alla fel. Det var Den Allsmäktige Gud som skapade vårt Universum och allt Levande.

  • Hörde ni på vetenskapsradion 21 maj 2014?
    Apropå gravitationsvågorna.

    ” En fysiker har gjort om en av de sex analyser som forskarna gjorde, men kom fram till slutsatsen att mycket av det som såg ut som gravitationsvågor istället skulle kunna komma från damm i vår egen galax.”

    Damm var ordet!!

    Hälsningar
    Åke H.

  • Äntligen kommer nu erkännandet att forskarna misstagit sig:

    – Det var inga gravitationsvågor från universums barndom som forskarna upptäckte förra året – utan damm. Analyser av en satellit blir spiken i kistan för ”den viktigaste upptäckten på decennier”. (DN 1 februari 2015).

    Men tyvärr ger man sig inte. Artikeln i DN avslutar:
    ”Tecknen på att universum blåstes upp under en kort period återstår att hitta”, skriver ESA på sin webbplats.
    Och: ”Gravitationsvågorna kan fortfarande existera och sökandet efter dem fortsätter.”

    Sök istället efter en ny världsbild! Vill man hojta. Varför inte inse att hela teorin om Big Bang är felaktig. Det finns inget som tyder på att det finns spår av gravitationsvågor efter uppkomsten av vår värld. Mest därför att universums uppkomst INTE är en MEKANISK historia som handlar om gravitation, som man trodde på 1920-talet.

    Det är naturligtvis inte så. Varför inte pröva tanken på en elektrodynamisk uppkomst, undrar jag. Allt pekar ju på det.

    Så sett behövs inga mystiska saker som mörk energi eller förekomsten av mörk materia och diverse konstiga partiklar. Med ett elektrodynamiskt synsätt i stället för ett mekaniskt behöver heller ingen materia saknas. Ingen ”ofattbar” s k inflation har heller någon funktion att fylla.
    Universums uppkomst är därtill ingen engångshändelse. Det är som vi kan märka en pågående process. En elektrodynamisk naturprocess.

    Vi kan faktiskt märka det på många sätt: Det finns ett pågående inflöde av elektromagnetisk strålning vilket gör att universum expanderar. Inflödet visar sig också i den kosmiska partikelstrålningen (CR) plus många typer av s k gammablixtar (GRB).

    Den kosmiska bakgrundsstrålningen (CMB) vars ursprungliga temperatur sjunker kommer vi också att förstå mer av än vad den gängse teorin förmedlar om vi lämnar det mekaniska synsättet på vår värld och dess uppkomst.

    Även den prisbelönade upptäckten att galaxer befinner sig i en fullt mätbar acceleration tyder överhuvudtaget på en helt annan universell dynamik än vad den gängse Big Bang-teorin vill ge sken av.

    Och på tal om galaxer: deras uppkomst och dynamik kommer i en helt annan dager om vi släpper idéer om en mekanisk uppkomst även för dessa. Allt tyder nämligen på att galaxerna även de har en elektrodynamisk uppkomsthistoria och inte en som enbart handlar om mekanik och gravitation. Vilket i hög grad borde intressera astronomer.

    Studiematerial om detta finns på
    http://www.linnea.com/~akejean/
    Åke Hedberg