Hubbles lov, giver et meget kraftfuldt og praktisk værktøj, til kortlægningen af galaksernes fordeling i hele universet. Alligevel er det mest betydningsfulde aspekt af Hubbles lov det angiver om universets struktur og oprindelse. Alle galakser i universet bevæger sig væk fra hinanden, så hvis du kunne forestille dig at ”spole” denne ekspansion tilbage i tiden, ville du se at galakserne kom tættere og tættere på hinanden. Ifølge Hubbles lov, for 6,8 milliarder år siden da universet var halvt så gammelt som nu, var alle galakser adskilt med halvdelen af deres nuværende afstande. For tolv milliarder år siden, må alle galakser have være adskilt fra hinanden med omkring en femtedel af deres nuværende afstande. Forudsat at galakserne bevæger sig væk fra hinanden i samme tempo som de gør i dag, så må alle stjerner og galakser der udgør nutidens univers, have været koncentreret på det samme sted for 13,7 milliarder år siden (en tid der er tilsvarende til 1/H0, hvor 1/H0 er kendt som Hubble tiden). Se Matematiske Værktøjer 18.3. Nutidens univers, farer udad i en enorm udvidelse af rummet, der startede for cirka 13 til 14 milliarder år siden. Denne kolossale begivenhed, som markerede universets begyndelse, kaldet the Big Bang (se figur 18.9).
Georges Lemaître (1894-1966), en professor i fysik, kosmolog og præst ved The Catholic University of Leuven i Belgien, var den første til at foreslå teorien omkring the Big Bang. Denne teori, bekymrede mange astronomer meget, i begyndelsen og midten af det 20. århundrede. Flere teorier blev fremsat for at forklare det observerede faktum om Hubble ekspansionen, uden at komme på ideen om, at universet startede i en uendelig massiv ”ildkugle” for milliarder af år siden. Men som flere og flere fjerne galakser blev observeret, og som flere opdagelser omkring universets struktur er blevet gjort, har the Big Bang teorien vokset sig stærkere. Næsten alle de store forudsigelser fra the Big Bang teorien, har vist sig at være korrekte. Big Ban teorien om universets oprindelse, er nu en så godt underbygget teori, at de fleste astronomer vil sige, at den er krydset over i verdenen af videnskabelige kendsgerninger.
Implikationerne af Hubbles lov er slående. Denne enkle opdagelse, ændrede for evigt de videnskabelige opfattelser af universets oprindelse, historie og mulige fremtid. Samtidig har Hubbles lov lang grund til mange nye spørgsmål omkring universet. For at løse dem, skal vi nu til at overveje hvad der præcist menes med udtrykket ekspanderende univers.
Galakserne flyver ikke fra hinanden gennem rummet
På dette tidspunkt, forestiller du dig måske de ekspanderende univers, som en sky af stof, der farer udad gennem det omgivende rum. The Big Bang er imidlertid ikke en eksplosion i ordets almindelige forstand, og der er faktisk ikke noget omgivende rum.
Et almindeligt spørgsmål om Big Bang er, hvor skete det? Svaret på dette spørgsmål er, at Big Bang fandt sted alle steder. Uanset hvor noget i universet er i dag, var det på stedet for the Big Bang. Årsagen til dette er, at galakser ikke flyver fra hinanden genne, rummet. Det er i stedet rummet selv der udvider sig, og bærer stjernerne og galakserne i universet med sig.
Vi har allerede set på de grundlæggende ideer, der forklarer udvidelsen af rummet. I vores gennemgang af sorte huller i kapitel 17, stødte vi på Einsteins generelle relativitetsteori. Den generelle relativitet siger, at rummet er forvrænget på grund af tilstedeværelsen af masse, og at konsekvensen af denne forvrængning, er tyngdekraften. For eksempel, forvrænger Solens masse, som et hvert andet objekt, rummets geometri omkring den; så Jorden bevæger sig i dens referenceramme, i en buet bane omkring Solen. Vi illustrerede dette fænomen i figur 17.10, med analogien af en bowlingkugle placeret på et udstrakt gummilagen, der illustrerede hvordan kuglen forvrængede lagenets overflade.
Overfladen på gummilagenet, kan også forvrænges på andre måder. Forestil dig en række mønter placeret på et gummilagen (se figur 18.11). Forestil dig herefter, at vi griber fat i gummilagenets hjørner og begynder at trække dem udad. Som gummilagenet bliver strakt ud, forbliver mønterne på samme placering på lagenets overflade, men afstanden mellem mønterne øges. Tø mønter der ligger tæt på hinanden, bevæger sig langsomt fra hinanden, mens mønter længere fra hinanden, bevæger sig væk hurtigere. Afstandene og den relative bevægelse af mønterne på overfladen af gummilagenet, adlyder Hubble lignende forhold, som lagenet strækkes ud.
Denne bevægelse, er analog med hvad der sker i universet, hvor galakserne tager mønternes plads, og rummet selv, tager gummilagenets plads. I tilfældet med mønterne på et gummilagen, er der en grænse for hvor langt lagenet kan strækkes, inden det går i stykker. Men rummet og det virkelige univers, er der ikke en sådan grænse. Rummets stof, kan i princippet fortsætte med at ekspandere for evigt. Hubbles lov, er den observatoriske konsekvens af det faktum, at rummet som udgør universet, udvider sig.
Hvordan vil denne ekspansion af rummet opføre sig i fremtiden? I de næste kapitler, vil du lære at størstedelen af universets masse, består af usynligt mørkt stof, og at det mørke stofs tyngdekraft, har den effekt, at de bremser universets udvidelse. Men du vil også lære om en anden usynlig bestanddel af universet, mørk energi, og denne bestanddel har den effekt, at udvidelsen accelererer. På det nuværende stadie i universets udvidelse, dominerer den accelererende effekt af mørk energi, over den opbremsende effekt af mørkt stof, og derfor fortsætter universet med at udvide sig med en stadig større hastighed.
Ekspansion er beskrevet med en skaleringsfaktor
Universets ekspansion, diskuteres undertiden i forhold til universets skaleringsfaktor. For at forstå dette koncept, lad os endnu engang vende blikket mod analogien med gummilagenet. Forestil dig, at du lægger en lineal på overfladen af gummilagenet, og tegner kvadrater med sidelængden 1 centimeter (se figur 18.12a), For at måle afstanden mellem to punkter på arket, kan du tælle antallet af kvadrater mellem de to punkter, og gange med 1 cm per kvadrat.
Som gummilagenet strækkes, forbliver sidelængden på kvadraterne ikke 1 cm. Hvis gummilagenet strækkes til 150 procent af den størrelse det havde da kvadraterne blev tegnet, bliver hver af kvadraternes sidelængde 1½ gange den oprindelige længde, eller med 1,5 cm. Afstanden mellem to punkter, kan du stadig finde ved at tælle kvadrater, men du er nødt til at opskalere afstanden mellem kvadraterne med 1,5, for at finde afstanden i centimeter. Skalaens faktor er nu 1,5. Hvis gummilagenet bliver dobbelt så stort som det var da kvadraterne blev tegnet (se figur 18.12b), ville hver sidelængde svare til 2 cm af den akutelle afstand; Skalaens faktor ville nu være 2. Skaleringsfaktoren angiver gummilagenets størrelse, i forhold til den størrelse de havde da kvadraterne blev tegnet. Skaleringsfaktoren angiver også, hvor meget afstanden mellem punkterne på gummilagenet er ændret.
Forestil dig, at astronomer i dag, vælger at lægge en ”kosmisk lineal” ud i rummet, og placerer et imaginært kryds for hver 10 Mpc. Universets skaleringsfaktor, vil på dette tidspunkt defineret til at være 1. Tidligere, da universet var mindre, ville afstanden mellem disse imaginære krydser tegnet med den kosmiske lineal, have være mindre end 10 Mpc. Skaleringsfaktoren for det yngre, mindre univers, ville have været mindre end 1, sammenlignet med skaleringsfaktoren i dag. I fremtiden, som universet fortsætter med at vokse, vil afstanden mellem krydsene vokse til mere end 10 Mpc, og universets skaleringsfaktor vil blive større end 1. Astronomerne bruger skaleringsfaktoren, der normalt skrives som RU, til at holde styr på universets skiftende skala.
Det er vigtigt at huske, at fysikkens love ikke ændres på grund af universets ekspansion, ligesom strækningen af gummilagenet ikke ændrer mønternes egenskaber på overfladen af gummilagenet. I ikke-kosmologiske skalaer, dominerer de nukleare og elektromagnetiske kræfter, indenfor såvel atomer som for tyngdekraften mellem relativt nærtliggende objekter, over ekspansionen. Når universet ekspandere, forbliver størrelser og andre fysiske egenskaber hos atomer, stjerner og galakser, også uændrede.
Lad os nu vende tilbage til spørgsmålet om at lokalisere centrummet for ekspansionen. Når man ser tilbage i tiden, bliver universets skaleringsfaktor mindre og mindre, og nærmer sig nul jo tættere vi kommer på Big Bang. Rummet, der i dag spænder over milliarder af parsec, spænder over meget mindre afstande, da universet var ungt. Da universet var en dag gammelt, udgjorde hele den del af universet der er synligt i dag, kun et område der var få gange større end Solsystemet. Da universet var 1/50 af et sekund gammelt, udgjorde hele den udstrækning af universet der er synligt i dag (og alt stof i det), kun et volumen der er på størrelse med nutidens Jord. Når man går tilbage i tiden, og nærmer sig Big Bang, bliver rummet der udgør nutidens observerbare univers, mindre og mindre – størrelsen på en grapefrugt, på en glaskugle, på et atom, på en proton. Hvert punkt i rummet som udgør nutidens univers, var lige der, en del af det umådeligt lille og massive univers, der opstod fra Big Bang.
Disse punkter tåler en gentagelse: Hvor var centrum for Big Bang? Der er ikke noget centrum. Big Bang opstod ikke på et bestemt sted i rummet, for rummet selv, først blev skabt ved Big Bang. Hvor skete Big Bang? Det skete alle steder, herunder lige der hvor du sidder nu. Dette er et vigtigt koncept. Hvis et bestemt punkt i universet i dag, markerede hvor Big Bang opstod, ville det være et meget specielt punkt. Men der er ikke et sådan punkt. Big Bang skete overalt. Et Big Bang univers, er homogent og isotropt, og er i overensstemmelse med det kosmologiske princip.
Rødforskydning skyldes universets skiftende skaleringsfaktor
Generel relativitet, er et kraftfuldt værktøj til fortolkning af Hubbles opdagelse af det ekspanderende univers. Den relaterer sig også til rødforskydningen af fjerne galakser. Selvom det er sandt, at afstanden mellem galakserne stiger som følge af universets ekspansion, og at ligningen for Dopplerforskydning kan bruges til at måle galaksernes rødforskydning, skyldes disse rødforskydninger ikke Dopplerforskydning på samme måde, som den vi beskrev ved en stjernes bevægelse i Mælkevejen. Lys, der kommer fra meget fjerne objekter, blev udsendt på et tidspunkt, hvor universet var yngre, og derfor mindre. Som dette lys kommer imod Jorden fra fjerne galakser, er den skaleringsfaktor i rummet som lyset bevæger sig igennem, stadig stigende; og som den er det, øges afstanden mellem tilstødende lysbølgetoppe også. Lyset bliver ”strakt ud”, som det rum som lyset bevæger sig igennem, ekspanderer.
Lad os igen vende tilbage til analogien med gummilagenet. Hvis du tegner en række streger på gummilagenet for at repræsentere toppene af en elektromagnetisk bølge, som vist i figur 18.13, kan du se hvad der sker med bølgen, som gummilagenet strækkes ud. Når gummilagenet er strakt ud til den dobbelte størrelse af hvad det oprindeligt var – det vil sige på det tidspunkt hvor gummilagenets skaleringsfaktor er 2 – er afstanden mellem bølgetoppene blevet fordoblet. Når gummilagenet strækkes til tre gange den oprindelige størrelse (en skaleringsfaktor på 3), vil bølgelængden på bølgen være tre gange hvad den oprindeligt var.
Dette koncept, anvendes til lyset fra en fjern galakse. Da lyset forlod den fjerne galakse, var universets skaleringsfaktor mindre end den er i dag. Universet ekspanderede, mens lyset var i transit, og som det gjorde det, blev lysets bølgelængde længere i proportion til universets stigende skaleringsfaktor. Rødforskydningen af lys fra fjerne galakser, er derfor et direkte mål for, hvor meget universet har udvidet sig, siden det tidspunkt hvor strålingen forlod sin kilde. Rødforskydningen måler, hvor meget universets skaleringsfaktor, RU, har ændret sig, siden lyset blev udsendt (se Grundlæggende Viden 18.1).