Hvor er Kanten af Universet?

Hvor stort er Universet? Hvor er kanten? Og hvad udvider Universet sig i?

Universet er et særligt sted. Store, voldsomme supernova-eksplosioner eksisterer sammen med vores lille blå planet og de levende væsener på den. Klare stjerner spytter energiske partikelstorme ud, mens nyfødte protostjerner langsomt udvikles i deres støvfyldte reder.

Det er svært at forstå Universets størrelse, hvor disse fantastiske begivenheder finder sted. I et forsøg på at gøre det alligevel kan det være fristende at forestille sig Universet som et (meget stort og rundt) hus. Det fører ofte til spørgsmål som “Hvor stort er Universet?” og “Hvor er kanten af Universet?” på samme måde, som man ville spørge ind til et hus med en veldefineret størrelse.

Analogien med huset er ligetil, men der er et problem med den. Et hus har fire vægge og er samme størrelse i går som i dag og (med mindre du rammes af en ødelæggende storm natten over) så er huset også samme størrelse i morgen.

Universet er fuldstændig modsat et hus. Der er tre markante forskelle mellem et hus og vores univers:

1) Universet har ikke fire (eller et andet antal) vægge

2) Universet var mindre i går end det er i dag, og

3) det vil ikke have samme størrelse i morgen.

Universet har ikke Kanter – det har Horisonter

Heldigvis har vi forskellige horisonter i Universet. De er vores målebånd i Universet, og de anvendes ofte i kosmologi. Horisonter kan give os en fornemmelse for størrelsen på kosmos, men de kan være svære at forstå, sådan rigtigt. Relativitetsteorien (som Einstein formulerede den) siger, at tid og rum ikke er statiske størrelser. Et sekund kan være længere eller kortere end et sekund, og en meter kan være længere eller kortere end en meter. En horisont er ‘hvor langt du kan se’, og det er langt mere brugbart for os end ‘hvor stort er Universet’.

Lad os starte med at forstå, hvad en horisont egentlig er. Når du sejler i en båd med havudsigt, ser du ikke kanten af havet. I stedet ser du en horisont – og bag den ser du ingenting.

Lad os nu forestille os, at et andet skib er på vej mod dit skib. Du kan ikke se, at skibet er på vej imod dig, for det modgående skib er bag horisonten. Dette betyder ikke, at skibet er bag en kant eller at det sejler i et andet hav. Det sejler bare bag din horisont, hvilket gør det umuligt for dig at se skibet eller kommunikere med det (din radar og mobiltelefon findes ikke i denne analogi). Din horisont bestemmes af Jordens fysiske egenskaber, for eksempel dens form, som afgør hvor langt væk din horisont er.

Hvis vi antager at begge skibe sejler mod hinanden med en fornuftig hastighed, så vil du på et tidspunkt se det modgående skib. Det sker, når skibet krydser din horisont. Når det ene skib ser det andet, vil det andet skib også se det ene. Horisonter er symmetriske, og intet skibs placering er at foretrække over det andet. For dig ser det ud som om det andet skib er ‘for langt væk’, men for det andet skib er du den, som er for langt væk. Denne analogi fungerer for Universet, hvor du skal forestille dig, at skibene er galakser. Hvis de er bag hinandens respektive horisonter, kan de ikke kommunikere (heller ikke med radar og mobiltelefoner).

De to skibe vil mødes, hvis de begge fortsætter i en lige linje – men dette gælder ikke nødvendigvis foir Universet. Universet og alting i det ændres konstant og har altid gjort det, hvilket betyder, at nogle horisonter kommer vi aldrig til at krydse. Vi dykker ned i de forskellige horisonter om lidt, men først skal vi lige se nærmere på Universets udvidelse. Den spiller nemlig en afgørende rolle for, hvor langt vi kan se.

Universet Udvider sig som et Tyggegummi og ikke som et Tæppe

Rummet er Universets struktur, og det udvider sig på samme måde som elastikker. Det kan virke lidt pudsigt, men ikke desto mindre er det vigtigt at forstå, at det er rummet selv, som strækker sig – ligesom hvis du trækker i et stykke gennemtygget tyggegummi (føj!).

Ikke nok med at rummet udvider sig, det gør det også med en højere og højere hastighed. Det er årsagen til at vi siger, at Universets udvidelse accelererer. Galakser, som var meget tættere på os for milliarder af år siden, viger nu bort fra os med en hastighed højere end lysets hastighed (dette kaldes også en super-luminal hastighed eller højere end c) på grund af Universets udvidelse. Einstein påstod, at ingen information rejser med en hastighed større end lysets hastighed, og det holder selvfølgelig stadig. Rummet selv kan strækkes og udvide afstanden mellem galakserne hurtigere end lys kan rejse, men det er vigtigt at huske, at ingen information sendes eller modtages. Det er Universets struktur, der vokser. Hver stykke rum udvides ligesom et stykke gennemtygget tyggegummi (ad!).

Det er almindeligt at tænke på udvidelsen som et gulvtæppe, der rulles ud eller som hår, der vokser. Jeg får ofte spørgsmålet “Hvad udvider Universet sig i?“, hvilket har en iboende antagelse om, at Universet er låst fast, mens der ved grænsen tilføjes mere rum, som gør Universet større. Men det er altså ikke sådan, det fungerer.

Lad os se nærmere på det tyggede tyggegummi (puha!). Du tilføjer ikke mere tyggegummi, og du udvider ikke tyggegummiet ved kanten. Tyggegummiet udvides alle steder på samme tid. Det samme gør Universet, bortset fra at der ikke er nogen kant og ingen fingre, som trækker i det. I stedet mener fysikere, at udvidelsen er forårsaget af mørk energi. Det er en slags energi, som ingen ved særligt meget om. Men mørk energi eller ej: Universet udvider sig som tyggegummi og ikke som et gulvtæppe, der rulles ud.

Nu hvor vi er blevet klogere på horisonter og Universets udvidelse, er vi klar til at lære om tre (af de efter min mening vigtigste) horisonter i Universet.

Partikelhorisonten

Partikelhorisonten definerer vores synlige univers. Det betyder at lys, som udsendes bag denne horisont ved tidspunktet for Big Bang, endnu ikke har nået os. (Læs lige den sætning to gange – det er lidt kryptisk at forstå).

Afstanden til partikelhorisonten er den maksimale afstand, som partikler kunne have nået at rejse til iagttageren i løbet af Universets levetid. Fotoner er de hurtigste partikler med en hastighed på 300.000.000 m/s (fordi de er masseløse), så de har mest fart på til at kunne rejse længst, før de når hen til os (iagttagerne). Bemærk formuleringen ’til iagttageren’. Der står ikke ‘fra den ene ende af Universet til den anden’.

Nu tænker du måske “Partikelhorisonten er bare afstanden, som fotonerne kunne have nået at rejse i Universets 13,8 milliarder års levetid, så afstanden til partikelhorisonten er 13,8 milliarder lysår“. Men det er ikke tilfældet. Forklaringen skal findes i Universets udvidelse. Universet har udvidet sig siden Big Bang skete for 13,8 milliarder år siden. Dette har over årene givet fotonerne mere og mere rum at rejse over.

Når vi tager den accelererende udvidelse med i vores betragtning, så får vi en afstand til partikelhorisonten, som hedder 46,1 milliarder lysår. Ja – det er meget meget længere væk end 13,8 milliarder lysår.

Husk at partikelhorisonten er den maksimale afstand, som partikler kunne have rejst i løbet af Universets levealder. Det er ikke afstanden til de fjerneste galakser, som sender os en foton lige nu.

Begivenhedshorisonten

Denne horisont er du måske stødt på, når du har læst om sorte huller. Begivenhedshorisonten er defineret som den linje vi kan kommunikere indenfor i fremtiden. En foton, som afsendes lige nu fra en galakse indenfor begivenhedshorisonten, vil nå hen til os på et tidspunkt i fremtiden.

Det tager tid for en foton at rejse hen til os, og på denne rejse tilføjes ‘ekstra rum’ fra Universets udvidelse. Horisonten dækker over alle galakser, som vi modtager lys fra på et givent tidspunkt i fremtiden. I morgen, om et år, om en million år. Nogle fotoner er på vej til os lige nu med information, som vi ikke kender før de rammer os engang i fremtiden.

Den nuværende begivenhedshorisont er omkring 16,7 milliarder lysår væk.

Hubble-horisonten

Denne horisont har du måske hørt om. Hubble-horisonten eller Hubble-sfæren eller Hubble-volumenet eller Hubble-boblen er den horisont, der adskiller de galakser, som bevæger sig væk fra os med en hastighed højere end lysets fra dem, som bevæger sig væk fra os med en hastighed mindre end lysets. Denne horisont ligger et givent sted på et givent tidspunkt, og den vokser sig større med tiden på grund af Universets udvidelse. Som nævnt ovenfor så er det altså ikke et brud på relativitetsteorien. Einsteins kloge ord gælder for et objekts (for eksempel en partikels) egen hastighed – det vender vi tilbage til om lidt.

Hubble-horisonten er meget tættere på os end partikelhorisonten. Det er, som vi så ovenfor, fordi de fjerneste galakser, som vi modtager lys fra i dag nu bevæger sig væk fra os med en super-luminal hastighed. Disse galakser har haft milliarder af år til at rejse i et udvidende univers hvilket er grunden til, at de nu er for langt væk fra os til vi kan kommunikere med dem i fremtiden.

Den nuværende Hubble-horisont er omkring 14,5 milliarder lysår væk.

Hvordan kan vi Modtage Signaler fra en Galakse, som Nu Bevæger sig Hurtigere end Lysets Hastighed?

Dette kan virke underligt ved første øjekast, fordi vi altid har lært, at intet kan overgå lysets hastighed. Nøglen til at forstå dette er at indse, at det er rummet selv, der udvider sig hurtigere og hurtigere (accelererende). Det betyder, at lige nu udvider en meter sig i rummet med en bestemt hastighed, der er bestemt af Hubbles lov: udvidelseshastigheden i et bestemt punkt er lig med Hubbles konstant gange radiussen (i dette tilfælde er radius afstanden til os fra en fjern galakse).

En anden ting er bevægelse i rummet. Hastigheden, som kommer fra Universets udvidelse, er blot én del af den totale hastighed, og den kaldes den vigende hastighed (recede velocity på engelsk). Den kaldes dette fordi det er hastigheden på de galakser, som i en given afstand bevæger sig væk fra os (viger bort fra os). Den anden del af den totale hastighed er objektets (partiklens) egen hastighed. Hastighed er en vektor, hvilket betyder, at den har en retning (dette er vist med pile på illustrationen ovenfor). En foton, der rejser med lyshastigheden c og som udsendes fra en galakse, der viger bort med hastigheden c, vil nå os på et tidspunkt i fremtiden. Årsagen til dette fænomen skal findes i Hubble-horisontens udvidende natur i et accelererende univers. Det gør at horisonten på et tidspunkt vil indfange fotonen og dermed tillade os at observere den på et tidspunkt i fremtiden.

Noget af det svære ved at forstå Universets udvidelse er, at det er en acceleration (ikke en hastighed), og at det sker overalt på samme tid. Det er ikke en effekt, som kun sker bag horisonten for det synlige univers. Hver eneste kubikmeter i Universet udvider sig i alle tre retninger med en bestemt hastighed lige nu. Jo længere væk vi kigger, des mere rum er mellem os og det vi kigger på. Dette giver mange flere kubikmeter, som har kunne udvide sig, end hvis vi kigger på noget, som er tæt på.

Forestil dette: hvis en bil har en kilometer vej at accelerere på vil den nå en meget højere sluthastighed end hvis den blot har 10 meter vej at accelerere på. Denne analogi kan bruges på Universet, hvor galakser langt væk viger bort meget hurtigere end galakser tæt på os: fordi der er mere ‘rumvej’ at accelerere på.

Der er Ingen Foretrukket Retning i Universet

Fysikken, der er forklaret ovenfor, gælder alle steder i Universet. Det betyder, at hvis denne artikel læses af en alien langt væk, så gælder de samme horisonter for den alien. Dette er fordi Universet er ‘isotropt’, hvilket er et smart udtryk for ‘ingen foretrukket retning’. Det betyder også, at aliens, der bor i galakser 10 milliarder lysår væk, kan se galakser, som vi aldrig har set eller kommer til at se, fordi de er bag vores partikelhorisont.