universet

I en modell med en målestokk på 1:10 milliarder kan man se for seg Solen som en grapefrukt med en diameter på 14 centimeter. Jorden ville i denne modellen kunne representeres med et grovt sandkorn som beveger seg rundt «Solen» i en avstand på 15 meter. Avstanden fra Solen ut til den ytterste planeten i vårt solsystem, Neptun, ville da være omtrent 450 meter, mens avstanden til nærmeste stjerne ville være omtrent avstanden mellom Oslo og Kanariøyene.

Solen i vårt solsystem er en vanlig stjerne. På grunn av den enorme avstanden til alle andre stjerner enn Solen ser stjernene ut som lysende punkt, selv gjennom store teleskop.

Vårt solsystem har åtte planeter, fem dvergplaneter og et stort antall asteroider, kometer og meteoroider og interplanetarisk støv og gass. Det er oppdaget flere tusen planeter som går i bane rundt andre stjerner, disse kalles eksoplaneter.

• Les mer om eksoplaneter.

Alle stjernene vi kan se med det blotte øyet på himmelen er samlet i ett system. Dette er vår galakse, Melkeveien, som har form som en diskos. Solen ligger omtrent i symmetriplanet for diskosen cirka to tredeler av avstanden ut fra senteret. Vi kan se selve diskosplanet som et lysende tåkebånd over himmelen. Dette båndet kalles Melkeveien. Egentlig består dette båndet av svært mange stjerner som bare tilsynelatende er tett sammen. Bortsett fra de nærmeste stjernene greier man ikke med det blotte øye å skille de enkelte stjernene fra hverandre. Størrelsen på Melkeveien er om lag 100 000 lysår, og den inneholder mellom 100 og 400 milliarder stjerner.

Melkeveien inneholder om lag ti prosent støv og gass. Resten er stjerner og mørk materie. Den mørke materien antas å strekke seg mye lenger ut fra sentrum enn de synlige delene av galaksen. Hele galaksen med stjerner, gass og støvskyer roterer rundt sin symmetriakse. Solen bruker for eksempel rundt 200 millioner år på ett omløp rundt sentrum av Melkeveien. Hastigheten er cirka 250 kilometer per sekund. Galaksens rotasjon er slik at spiralarmene henger etter i bevegelsen.

Galakser er samlinger av noen få millioner til flere billioner stjerner. De deles inn i følgende hovedtyper: elliptiske galakser, spiralgalakser, linseformede galakser og irregulære galakser. Melkeveien er en stavspiralgalakse, som er en undergruppe av spiralgalaksene.

Galakser varierer i størrelse fra et par tusen til flere hundre tusen lysår i diameter. Mellom stjernene i en galakse finnes det interstellart stoff. Stoffet er ujevnt fordelt i galaksen. Noen steder har det høyere tetthet og kan observeres som mørke eller lyse stjernetåker. Det interstellare stoffet består av interstellar gass (elektroner, atomer og molekyler) og interstellart støv (små, faste partikler).

I tillegg til Melkeveien kan man se tre andre galakser med det blotte øye på himmelen; Andromedagalaksen og de to magellanske skyene. Andromedagalaksen ligger omtrent to millioner lysår unna oss. De magellanske skyene befinner seg på den sørlige himmelhalvkule, og kan ikke sees fra Norge.

Med de største teleskopene kan astronomene observere omkring hundre milliarder galakser. De fjerneste man har observert har en avstand på over tolv milliarder lysår.

De fleste galakser er samlet i galaksehoper med noen få til flere tusen medlemmer. Vår galakse Melkeveien tilhører galaksehopen Den lokale gruppe, som består av over 50 galakser.

Galaksehoper kan være samlet i større systemer kalt superhoper, som igjen kan være samlet i større, trådlignende strukturer kalt galaksefilamenter.

I tillegg til materien vi kan observere i universet, finnes det mørk materie. Den kalles mørk fordi den ikke sender ut eller reflekterer synlig lys eller annen elektromagnetisk stråling.

Astronomer fant ut at det må være mer materie enn det vi kan observere ved å studere rotasjonsbevegelsen i spiralgalakser. Den samlede tyngdekraften til all den kjente, synlige materien var ifølge beregninger ikke nok til å holde på de ytterste stjernene. Rotasjonshastigheten til stjernene i galaksene var så stor at stjernene skulle ha blitt slynget av gårde. Dette kan forklares med store mengder av en ny type materie som gir opphav til tyngdekraft, men som ikke kan observeres direkte.

• Les mer om mørk materie

Mørk energi er en type energi som er jevnt fordelt i hele universet og som ikke sender ut stråling. Den kalles mørk fordi den i likhet med den mørke materien ikke kan observeres direkte. Den mørke energien forårsaker frastøtende gravitasjon, det vil si at den får universet til å utvide seg fortere og fortere.

Beregninger basert på observasjoner tyder på at universet består av om lag 27 prosent mørk materie og 68 prosent mørk energi. Det vil si at disse to komponentene til sammen utgjør mesteparten av innholdet i universet. Men det er fortsatt uklart hva mørk materie eller mørk energi faktisk er. Forskere har mange teorier, og prøver på ulike måter å finne ut av det.

• Les mer om mørk energi.

Ifølge relativitetsteorien kan selve rommet være krumt. I et krumt rom vil ikke lyset bevege seg linjalrett. Hvis rommet har positiv krumning, vil to lysstråler som starter med å være parallelle bøye seg mot hverandre, og hvis rommet har negativ krumning, vil de bøye seg vekk fra hverandre. I et såkalt «flatt rom», det vil si et rom med euklidsk geometri, vil lysstrålene forbli parallelle.

Et univers med euklidsk romlig geometri kalles et «flatt univers». Energitettheten (eller massetettheten) i et flatt univers kalles den kritiske tettheten. Universet nærmet seg den kritiske tettheten under inflasjonsperioden. Ved avslutningen av denne perioden var universet praktisk talt flatt.

Temperaturen til den kosmiske bakgrunnsstrålingen, som 380 000 år etter at vårt univers oppsto var på 3000 °C, har nå sunket til 2,7 kelvin, det vil si minus 270,3 °C. Denne strålingen ble for første gang registrert i 1965. På grunn av forskjellene i tetthet i det kosmiske plasma er det et mønster av ørsmå temperaturvariasjoner i bakgrunnsstrålingen. De inneholder mye informasjon om universets egenskaper på den tiden da strålingen ble sendt ut. Ved hjelp av Planck-satellitten har man klart å måle temperaturvariasjonene i den kosmiske bakgrunnsstrålingen med en nøyaktighet på én hundretusendels grad.

Den kosmiske bakgrunnsstrålingen er vårt vindu til den fjerneste fortid vi kan se; 400 000 år etter at universet oppsto.

Grundige analyser av observasjonsdata har vist at de stemmer godt med forutsigelsen fra inflasjonsmodellene av universets begynnelse. Det er ingen tegn på at rommet ikke er flatt (euklidsk).

• Les mer om kosmisk bakgrunnsstråling.

Da inflasjonsperioden tok slutt, gikk nesten all den mørke energien over til elektromagnetisk stråling, kvarker, elektroner og nøytrinoer. Omtrent et hundretusendels sekund senere slo tre og tre kvarker seg sammen og dannet protoner og nøytroner. Så kom en periode som varte omtrent i ti minutters varighet der den kosmiske nukleosyntesen skjedde. I denne perioden fusjonerte hydrogen til helium.

Etter et kvarter besto omtrent 75 prosent av den vanlige materien i universet av hydrogen og 25 prosent av helium. I tillegg var det såkalt mørk materie.

Den elektromagnetiske strålingen dominerte universets utvikling de første 50 000 årene. Men strålingens tetthet avtok raskere enn materietettheten. Fra universet var 50 000 år gammelt og omtrent åtte milliarder år fremover, dominerte dermed materien universets utvikling. Materiens tiltrekkende gravitasjon gjorde at universets utvidelseshastighet bremset ned.

I universets begynnelse var det høy temperatur. Strålingen var energirik, og materien eksisterte som et glohett plasma med ladde partikler; protoner og elektroner og alfapartikler som består av to protoner og to nøytroner. På denne tiden var universet ugjennomsiktig. Men 380 000 år senere var temperaturen sunket til 3000 °C. Da fanget protonene og alfapartiklene inn elektroner og dannet universets første nøytrale atomer, hydrogen- og heliumatomer. Dette førte også til at universet ble gjennomsiktig. Nå kunne den elektromagnetiske strålingen bevege seg fritt. Strålingen vi fanger opp når vi observerer den kosmiske mikrobølgestrålingen, kommer fra denne tiden.

Den mørke energien har en merkelig egenskap. Etter at inflasjonsperioden tok slutt har tettheten til den mørke energien holdt seg konstant. Både strålingens og materiens tetthet har hele tiden avtatt. For omtrent seks milliarder år siden begynte den mørke energien å få avgjørende betydning for hvordan universets utvidelseshastighet endret seg. Den mørke energiens frastøtende gravitasjon gjorde at utvidelseshastigheten begynte å øke, det vil si at den akselererte.

Noen hundre millioner år etter begynnelsen ble de første stjernene dannet. De var større enn stjernene som dannes nå. De tidlige stjernene fusjonerte hydrogen til helium i et svært høyt tempo, og hadde dermed kortere levetid enn stjerner med mindre masse. Da stjernene hadde brukt opp hydrogenet, begynte de å produsere tyngre grunnstoffer i en kort periode, og så eksploderte de i voldsomme supernovaeksplosjoner.

Dermed ble den interstellare materien beriket med tyngre grunnstoffer, slik at den neste generasjonen av stjerner hadde et innslag av grunnstoffer som var tyngre enn helium.

Da universet var én milliard år gammelt, var de første galaksene i gang med å utvikle seg.

Vårt solsystem ble dannet for omtrent 4,5 milliarder år siden av materie som inneholdt tilstrekkelig med tunge grunnstoffer til at det kunne dannes steinplaneter i solsystemet. Dette var en forutsetning for at det kunne oppstå liv på Jorden.

Observasjoner tyder på at universet har samme egenskaper i alle retninger når vi observerer langt nok utover, og også at det har samme egenskaper overalt. Dette kosmologiske prinsipp sier at universet er isotropt (samme egenskaper i alle retninger) og homogent (samme egenskaper overalt) så lenge man ser på det i svært stor skala.