Big bang och universums utveckling

Universum har inte alltid sett ut som i dag. För omkring 13,8 miljarder år sedan befann sig allt som finns, all materia och all energi, i ett ofattbart hett och tätt tillstånd. Sedan började detta tillstånd expandera. Det kallas big bang, men det var ingen explosion i en redan existerande rymd. Det var rymden själv som började växa, och den växer fortfarande.

Under de första bråkdelarna av en sekund var universum alldeles för hett för att ens atomkärnor skulle hålla ihop. Efter några minuter hade det svalnat tillräckligt för att protoner och neutroner kunde slås samman till heliumkärnor. Materian blev nästan bara väte och helium. Elektronerna var fortfarande fria och ljuset spreds hela tiden mot dem, så universum var tätt och ogenomskinligt, som en glödande dimma.

Omkring 380 000 år efter big bang hade universum svalnat så mycket att elektronerna kunde bindas till atomkärnorna och bilda neutrala atomer. Den processen kallas rekombination. Då slutade ljuset att ständigt spridas, och universum blev genomskinligt för första gången. Det ljuset kan vi fortfarande mäta i dag, mycket svalnat och utspätt, som den kosmiska bakgrundsstrålningen: svag mikrovågsstrålning från alla riktningar på himlen.

Materian i det unga universum var inte helt jämnt fördelad. Områden som var lite tätare än andra drog till sig mer materia genom gravitationen och blev ännu tätare. Efter några hundra miljoner år hade dessa klumpar blivit täta och heta nog för att de första stjärnorna skulle tändas, och stjärnorna samlades i sin tur i de första galaxerna.

Expansionen har ingen mittpunkt och inget utanför. Varje plats i universum ser andra platser röra sig bort, ungefär som prickar på en ballong som blåses upp rör sig isär från varandra utan att någon av dem sitter i mitten. Big bang hände inte på ett ställe i rymden, utan överallt samtidigt.

Det här lär du dig

Förklara att big bang var en expansion av rymden själv, inte en explosion i rymden
Beskriva i vilken ordning atomkärnor, neutrala atomer, stjärnor och galaxer bildades
Förklara vad den kosmiska bakgrundsstrålningen är och varifrån den kommer
Resonera om varför universums expansion inte har en mittpunkt eller ett utanför

Begrepp att kunna

Big bang: Universums ofattbart heta och täta tidiga tillstånd för omkring 13,8 miljarder år sedan, och den expansion av rymden som startade då och fortsätter än i dag.
Expansion: Att rymden själv växer, så att avståndet mellan avlägsna galaxer ökar över tid. Expansionen har ingen mittpunkt och sker överallt samtidigt.
Nukleosyntes: Bildandet av atomkärnor genom att protoner och neutroner slås samman. Under de första minuterna efter big bang bildades främst heliumkärnor, och materian blev nästan bara väte och helium.
Rekombination: Händelsen omkring 380 000 år efter big bang då elektroner bands till atomkärnor och bildade neutrala atomer, vilket gjorde universum genomskinligt för ljus.
Kosmisk bakgrundsstrålning: Det svalnade ljuset från rekombinationen, som i dag syns som en svag strålning från alla riktningar på himlen.

Vanliga svårigheter

Tror att big bang var en explosion i rymden

Big bang var inte materia som slungades ut i en redan existerande, tom rymd. Rymden själv var det som expanderade, och fanns inte i någon större form innan. Det är en helt annan idé än en vanlig explosion, där något exploderar inuti ett utrymme som redan finns.

Undrar vad som fanns före big bang

Frågan förutsätter att tiden fanns innan också. Enligt en vanlig tolkning började tiden själv vid big bang, och då finns det inget tidigare ögonblick att peka på. Fysiken kan ännu inte beskriva det allra första ögonblicket, så frågan är fortfarande öppen. Säkert är att big bang inte var en händelse i en rymd som redan fanns.

Tror att universum har en mittpunkt eller en kant som det expanderar in i

Universum expanderar överallt samtidigt, inte ut från ett centrum. Det finns inget "utanför" universum som det växer in i, eftersom universum är allt som finns. Från varje plats i universum ser det ut som att alla andra platser rör sig bort, oavsett var man befinner sig.

I verkligheten

År 1964 upptäckte två forskare av misstag ett svagt brus i en radioantenn som de inte kunde få bort, oavsett vart de riktade den.

Bruset var den kosmiska bakgrundsstrålningen, ljuset från rekombinationen för 13,8 miljarder år sedan. Att strålningen kom lika starkt från alla riktningar och motsvarade en temperatur på bara några kelvin, som teorin hade förutspått, blev ett av de starkaste bevisen för big bang.

När astronomer mäter mängden väte och helium i gasmoln och gamla stjärnor runt om i universum hittar de nästan överallt ungefär samma förhållande: omkring tre fjärdedelar väte och en fjärdedel helium räknat i massa.

Det förhållandet stämmer med vad teorin om big bang förutspår för hur mycket väte och helium som bildades under de första minuterna, innan det fanns några stjärnor som kunde skapa tyngre grundämnen själva.

Tips

Blås upp en ballong med prickar ritade på och titta på hur prickarna rör sig isär när du blåser. Ingen prick sitter i mitten av expansionen, och det är precis så universums expansion fungerar, bara i tre dimensioner istället för på en yta.
Gör en tidslinje över universums första kapitel: big bang, nukleosyntes efter några minuter, rekombination efter 380 000 år, de första stjärnorna efter några hundra miljoner år. Att se tidsspannen bredvid varandra ger perspektiv på hur olika snabbt saker hände.
Fundera över varför frågan "vad fanns före big bang" är svår att svara på: om tiden själv började då, finns det inget "före" att undersöka, på samma sätt som det inte finns något läge norr om nordpolen.

Testa dig själv

1. Varför kunde ljus inte färdas fritt genom universum under de första 380 000 åren?

Elektronerna var då inte bundna till atomkärnor utan rörde sig fritt som i en plasma, och ljuset spreds hela tiden mot dessa fria elektroner i stället för att komma fram. Först när universum svalnat nog för att elektronerna skulle kunna bindas till kärnorna, vid rekombinationen, kunde ljuset färdas ostört.

2. Om universum expanderar, finns det en mittpunkt som allt expanderar ut ifrån?

Nej. Expansionen sker överallt i rymden samtidigt, inte ut från en enda punkt. Precis som prickar på en ballong som blåses upp rör sig isär från varandra utan att någon prick sitter i mitten av expansionen, ser varje plats i universum alla andra platser röra sig bort från just den platsen.

3. Ungefär hur gammalt är universum, och hur vet vi det?

Universum är omkring 13,8 miljarder år gammalt. Det kommer dels från mätningar av den kosmiska bakgrundsstrålningen, dels från hur snabbt universum expanderar i dag, och dels stämmer det med åldern på de äldsta stjärnorna vi känner till. Flera olika metoder pekar oberoende av varandra på ungefär samma ålder.

Ur kursplanen

Fysik åk 7–9 · Fysiken i naturen och samhället
Universums uppkomst, uppbyggnad och utveckling samt förutsättningar för att finna planeter och liv i andra solsystem.
Fysik nivå 2 · Universum, materien och strålning
Huvuddragen i universums utveckling och struktur, till exempel stjärnbildning och exoplaneter.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Stjärnors livscykel

Leder vidare till

Rödförskjutning

Träna fysik gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än, men du kan träna på andra ämnen för din nivå.

Börja träna