Fysik: De mätte universums skapelse

De mätte fossila spår av den stora smällen, så långt tillbaka i tiden som det alls går att se. Medan John Mather beskrivs som visionären, är George Smoot perfektionisten – de båda fick dela plats på satelliten COBE med var sitt instrument för att spana efter big bangs falnande glöd. John Mather ledde hela satellitprojektet, som hade över tusen medverkande. Även George Smoot nämner fler än 1 500 medarbetare att dela sin prisglädje med.

Från början, för nästan 14 miljarder år sedan, var allt som finns samlat i en enda punkt. Den var så tät och het att alla fysikens lagar brakade samman vid startskottet för vår värld.

Såg allra första ljuset

Så blåstes universum upp som en ballong. Rymden växte ofattbara 1040 gånger (en etta med fyrtio nollor) på bara en bråkdels sekund strax efter big bang (mellan 10-34 och 10-32 sekunder efteråt). Det berättar inflationsteorin, den som kompletterar big bang-scenariot i vår moderna skapelseberättelse.

Världen slätades ut och blev likformig åt alla håll, samtidigt som den höll på att svalna – nära 400 000 år efter födelsen hade hettan fallit till 3 000 Kelvin (grader över absoluta nollpunkten). Det var också först då som ljus kunde börja färdas genom rymden, för tidigare drunknade det i en ogenomskinlig partikeldimma.

När Mather och Smoot vände sina instrument mot himlen var det just dessa första ljusglimtar de fick syn på – överallt från rymden strömmade värmestrålar mot apparaterna. Fram till i dag har världsalltet svalnat till ynka 2,7 Kelvin.

Sedan värmestrålningen först upptäcktes i början av 1960-talet har många förgäves försökt förfina mätningarna – att hitta ett mer exakt värde på temperaturen och reda ut om värmen verkligen är jämnt fördelad över himlavalvet. Inte minst George Smoot jagade i mer eller mindre vådliga experiment himlens strålar från bergstoppar, ballonger och spionflygplan. Men vatten i luften skymmer effektivt rymdens mikrovågor. Dessutom sänder jordatmosfären ut egen värmestrålning, så det blir rörigt att reda ut vad som kommer ända från världsalltets tidiga barndom.

Förslaget att utrusta en satellit med instrument som skulle spana tillbaka till tidernas begynnelse kom till den amerikanska rymdstyrelsen NASA redan år 1974. Men det var först i november 1989 som satelliten sändes upp, försenad några år av rymdfärjan Challengers haveri då sju astronauter miste livet.

Galileo är förebilden

John Mather och George Smoot bestod dock uthållighetsprovet – de visste att nya upptäckter alltid väntar den som lyckas se mot rymden med nya ögon. Så var det med Smoots barndomshjälte Galileo Galilei och så blev det även den här gången.

Det räckte med de första nio minuternas datainsamling för att Mathers instrument skulle få fram de förväntade mätvärdena. När han presenterade resultaten på stora astronommötet i januari 1990, bara tre månader efter uppskjutningen, möttes han av stående ovationer – en efter en föll hans 67 mätpunkter exakt in på den teoretiska kurvan för hur universums strålning borde fördela sig.

Det blev nästan för bra – om rymden nu strålar med ett stadigt sken, hur kommer det sig då att det ändå finns så mycket annat att se där, som galaxer och galaxhopar och de väldiga tomrummen emellan? Någonstans borde eldbollens jämna smet innehålla små avvikelser, frön till universums nutida struktur. Om värmestrålningen från urtiden inte visade sig något ojämnt fördelad, skulle materien aldrig ha klumpat ihop sig till de mönster som vi i dag kan se.

Men mätningarna med COBE var tekniskt invecklade, och mycket kunde ha gått snett. Mätfelen och instrumentbruset var nästan lika stora som de eftersökta mätvärdena. George Smoot och hans medarbetare tillbringade de nästkommande tre åren med att försöka vaska fram de minimala variationerna i värmestrålningen från olika håll i rymden.

Kosmologerna runt om i världen höll andan, ryktena spred sig att det snart var dags att skrota big bang-modellen. Inte ens Smoot var säker på sin sak – det är lätt att falla offer för självbedrägeri och se just det som man letar efter. Han lovade till och med en flygresa vart som helst i världen till den i hans grupp som hittade ett fel i bearbetningen av materialet.

Så småningom växte den efterlängtade bilden fram. ”Det var som att se Guds ansikte, om man vore religiös.” Citatet från en upprymd George Smoot återgavs flitigt i medierna efter det amerikanska fysikermötet i Washington den 23 april 1992, då han för första gången visade sin fläckiga rymdkarta. Ett porträtt av vårt universum som baby.

Men det var de små rynkorna i babyansiktet som var det intressanta: fossila avtryck av mikroskopiska så kallade kvantfluktuationer från tidens och rummets allra första början. Fluktuationen, en minimal ansamling materia, räckte sedan till för att tyngdkraften skulle göra resten av jobbet: dra ihop mer materia vilket också ledde till att andra områden blev tommare.

Först trodde man att rynkorna skulle vara tusenfalt djupare, med temperaturvariationer på någon hundradel, att jämföra med några hundratusendelar som mätresultaten sedan visade sig bli. Fast då hade man inte räknat med den mörka materien.

För det som syns är inte allt som finns. I själva verket är den mesta materien osynlig. Omkring 80 procent av all materia i världsrymden kallas något oegentligt för mörk och är av okänt slag. Men dess dragningskraft formade världsalltet långt innan den för oss kända materien tillkom, kanske redan 10 000 år efter big bang. Det var dock först med den vanliga materiens inträde som natthimlens stjärnor och galaxer kunde börja bildas.

Metafysik blev fysik

Big bang-modellens pusselbitar – inflationsteorin och mörk materia, med flera – undersöks nu vidare, bland annat med COBE-satellitens efterföljare. Den heter WMAP och ritar en ännu mer detaljerad karta över universum i mikrovågsljus. Och om ett par år kommer även europeiska forskare att med Planck-satelliten kunna göra observationer av vår världs ursprung.

För kosmologin har 1990-talet inneburit ett kliv från metafysik till fysik, till att bli mätbar vetenskap. På det sättet är årets Nobelpris till John Mather och George Smoot även ett pris till hela området kosmologiska precisionsmätningar.