Det observerbare universet

Se universet for en generell astronomisk og filosofisk behandling av universet.
 
Det observerbare universet er en betegnelse på den delen av universet som er nær nok til at en observatør kan observere, måle og formulere teorier om dets oppbygning. For oss vil dette være et kuleformet område der lyset fra periferien akkurat har nådd fram til observatøren (på jorden). Enhver observatør i universet har sitt eget observerbare univers som kan ha eller ikke ha overlappende regioner med det vi ser fra jorden. Fordi universet ekspanderer kan yttergrensen forandre seg over tid, og endre størrelsen og mulige felles regioner.

Det observerbare universet er etter gjeldende beregninger 13,7 milliarder år gammelt og begynte ved Big Bang. Det har nå en radius på 46.5 milliarder lysår i alle retninger fra jorden. Forenklet er dette den beregnede nåværende avstanden til fjerneste objekter vi kunne ha sett i det observerbare universet. Dette fordi lyset fra disse har brukt omkring 13,7 mrd år på å nå jorden, mens universet har fortsatt å ekspandere. Ordet observerbar er ikke en teknisk beskrivelse av hva som faktisk kan observeres f.eks med et teleskop, men er et uttrykk for at strålingen fra et objekt i ytterkanten akkurat har hatt tid til å nå jorden. Fordi interstellar gass i universet i en tidlig fase ikke var ionisert og derfor ikke transparent for det meste av strålingen, kan ikke de tidligeste objektene observeres på vanlig måte.

Universet versus det observerbare univers 
Mange referanser til universet i astronomisk og astrofysisk litteratur er implisitt en referanse til det observerbare universet. Den del av universet som ikke er observerbart kan man per definisjon ikke få informasjon fra, og det har ingen årsakssammenheng (en. causally disconnected) med vårt observerbare univers. Med dette mener man at det observerbare universet på et senere tidspunkt kan inkludere nye regioner av universet. Av samme grunn vil det med nåværende teori ikke være mulig å forme testbare hypoteser om universet, dets totale størrelse, alder, eksistensen av parallelle univers (multivers) og lignende ideer. Dette må derfor behandles mer fra et filosofisk og religiøst ståsted enn en astrofysisk behandling. 

Jorden er sentrum i vårt observerbare univers, men dette er ingen særstilling i forhold til andre mulige observerbare universer, og sier ingen ting om jorden eller solsystemets posisjon i universet som sådan.

Alder og størrelse 

Størrelsen av det observerbare universet beregnes på grunnlag av hvor de objektene man kunne ha observert i ytterkanten «i dag» befinner seg. Dette kalles «Comoving distance» (Samflyttende avstand) og gir en radius på omkring 46,5 milliarder lysår. Lyset fra disse objektene observeres i dag som kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling og ble sendt ut for 13,7 milliarder år siden.

Lyset fra de eldste objektene vi kan observere ble sendt ut da universet var omtrent 200 millioner år gammelt. Før dette var universet en fra en alder på omkring 300 000 år ikke transparent for synlig lys fordi det ble avkjølt slik at hydrogenatomene ikke lenger var ionisert. Fra ca. 200 til 1000 millioner år etter universets skapelse foregikk en reionisering på grunn av stråling fra den første generasjonen stjerner. De eldste objektene var da bare 40 millioner lysår unna vår posisjon i det observerbare univers (jorden og solen ble dannet for «bare» 4.5 milliarder år siden). Lyset har derfor beveget seg gjennom et rom som stadig ekspanderer og har brukt 13,5 mrd år på veien. Det er derfor også sterkt rødforskjøvet. Samtidig har objektene fjernet seg fra hverandre og utviklet seg til galakser med stjerner i flere generasjoner. Relativistisk sett eksisterer det ingen «samtidig universell tid». En anvender derfor nåtidsbegrepet i henhold til kosmologisk tid.

Hubblegrensen er en tenkt grense der universets ekspansjon medfører at objektene fjerner seg fra jorden med lysets hastighet. Hubblekonstanten gir en ekspansjon etter Hubbles-Lemaîtres lov v = HD . Hastigheten (v) et objekt fjerner seg med er Hubblekonstanten (H) ganger avstanden (D) til objektet. Dette vil for lange avstander medføre at ekspansjonshastigheten blir større enn lyshastigheten. Dette er ikke et paradoks sett i forhold til relativitetsteorien, da det ikke er objektene som beveger seg – snarere er det selve rommet mellom dem som utvider seg. På samme måten vil også rommet mellom atomene i et objekt utvide seg, men så lite at elektromagnetisme og kjernekreftene langt overskrider effekten og holder materien sammen. Jorden er allikevel en anelse større enn den ville vært uten denne effekten. 

Når universet ekspanderer er det derfor ikke stjernene og galaksene som beveger seg fra hverandre (som i en eksplosjon), men selve rommet mellom objektene som utvider seg., som antydet i illustrasjonen. Individuelt kan stjerner og andre objekter i universet ha stor hastighet, men totalt sett er det liten eller ingen gjennomsnittlig relativ hastighet mellom objektene i universet. En effekt er at når avstanden mellom galakser øker, vil den tilsynelatende hastigheten mellom dem som følge av ekspansjonen øke, ifølge Hubbles-Lemaîtres lov. Den naturlige relative hastigheten mellom dem vil derfor etter hvert bli lavere enn ekspansjonshastigheten for stadig flere galakser, og antall kollisjoner mellom galaksesystemer vil minke. Dette er en observert effekt som styrker denne teorien.

Det observerbare universet er kuleformet og nær «flatt» og har derfor et volum på omkring 4/3π R3 = 4.0×1032 kubikklysår eller 3.4×1080 kubikkmeter. Enhver observatør vil se seg selv i det observerbare universets sentrum, og alle andre objekter i det ekspanderende universet vil fjerne seg fra ham/henne etter Hubbles-Lemaîtres lov. Siden ekspansjonen er lik over hele universet vil alle observatører oppleve det samme; ingen av dem er på noen måte unike i denne sammenheng.

Disse tallene refererer til offisielle nye kilder. Det oppgis en rekke andre tall for størrelsen basert på forskjellige kilder og alder på observasjonen. Så sent som for 8 år siden lå variasjonen i alder på mellom 10 og 20 mrd år, og usikkerheten i ekspansjon medførte anslag for radius på mellom 25 og 160 mrd lysår.

Geometri 
Det observerbare universet inneholder energi og masse i flere former: Vanlig materie og mørk materie (mørk masse og mørk energi). Med nåværende teknologi er man bare i stand til å observere vanlig materie; Øvrig energi og masse kan bare observeres indirekte ut ifra den effekten de har på omgivelsene. For eksempel bidrar mørk materie med tyngdekraft og medfører at galakser får en annen rotasjonshastighet enn de ville hatt dersom de ikke inneholdt slik materie i tillegg til den observerbare massen.

Det observerbare universet kan ha flere mulige geometrier i rom og tid (Tidrommet). Man beregner dimensjonsløs kritisk tetthet;

G er gravitasjonskonstanten og H er Hubbles konstant. Denne gir forholdet mellom den energien som driver universets ekspansjon og total masse (synlig og mørk masse og energi) som vil trekke det sammen. Nåværende modeller setter grenser 59 < H0 < 76 med verdianslag fra 62 til 74 (Km/s)/Megaparsec. Verdien gir univers med forskjellig geometri. Dette er visuelt vanskelig å illustrere i fire dimensjoner, og figuren illustrerer effekten i to dimensjoner:

For Ω > 1 er gir massen en tyngdekraft som er større enn den energien som driver ekspansjonen. Universet har negativ total energi. Dette gir en elliptisk kompakt geometri, som har flere viktige følger; Universets ekspansjon vil i et slikt univers stoppe opp, og til slutt kollapse tilbake mot en «stor knusing» (en. Big Crunch, som er et reversert Big Bang). Universet har positiv krumning: Alle rette linjer som forlenges langt nok vil til slutt komme tilbake til utgangspunktet, og det er derfor også kompakt, i den betydning at det har et endelig volum og størrelse. 

Dersom Ω < 1 er massen ikke tilstrekkelig til å oppveie ekspansjonen og man sier at universet har positiv total energi.  Geometrien er hyperbolsk og universet vil forsette en evig ekspansjon. Avhengig av krumning vil noen rette linjer som forlenges kunne komme tilbake til utgangspunktet og det kan derfor være koblet i forskjellig grad: Hvis det er koblet er det også kompakt i samme betydning som for et elliptisk geometri

For Ω = 1 er massen akkurat i balanse med ekspansjonen, og universet er flatt med null total energi. Hvis det i tillegg er isometrisk har det euklidsk geometri; Rette linjer vil aldri komme tilbake til utgangspunktet, parallelle linjer vil alltid forbli parallelle og universet er uendelig i utstrekning (Ikke koplet og ikke kompakt). Det vil nå ekspandere asymptotisk mot en grenseverdi (som aldri nås). 

Ved big bang var verdien svært nær 1 med et avvik mindre enn 10-15. Ellers ville universet allerede ha kollapset tilbake eller ekspandert for fort til å danne stjerner og planeter. Nye observasjoner ser ut til å vise at verdien er mindre enn 10% under kritisk verdi (dvs. 0,9-1). Dette er vist av flere kilder og man antar derfor at universet er nær flatt, med euklidsk geometri.

Man har relativt nylig fått styrket teorien om at ekspansjonen akselererer. Teorien er at mørk energi i universet bidrar til en frastøtende gravitasjonskraft som viser seg over meget lange avstander. Denne kan være drevet av vakuumenergi. Det er framsatt alternative hypoteser om at vi skulle være nær sentrum i et univers der ekspansjonen avtar med avstanden fra sentrum, som en alternativ forklaring på de observasjoner man gjør.

Universets utvikling 
Hvis konstanten er mindre enn 1 og universet ikke går mot en Big Crunch vil universet fortsette å ekspandere, enten uendelig eller asymptotisk. Nye stjerner vil dannes av interstellar materie og etterhvert brenne ut; De største og varmeste i løpet av noen hunder millioner år, de aller minste stjernene varer kanskje så lenge som en billion (1012) år. Man får etter hvert tre mulige scenarier:

Varm død når universet går mot en homogen minimumstemperatur mens det fortsetter å ekspandere:
 1014 år (100 billioner) år: Det er ikke lenger materiale tilgjengelig for å danne nye stjerner og planeter
 1015 – 1016 år: Planeter, senere utbrente stjerner spres fra sine baner i solsystemer og galakser på grunn av gravitasjonsforstyrrelser fra andre objekter. De eneste større strukturene er supermassive sorte hull.
 1036 år: Halvparten av alle protoner er nedbrutt til gammastråling (teoretisk verdi) og leptoner (f.eks positroner) Disse annihilerer med elektroner. Etter 1040 år er effektivt all materie utenfor sorte hull nedbrutt til fotoner.
 1040 – 10150 år: Sorte hull svinner inn med såkalt Hawking-stråling. Ved slutten er all materie borte.
 101000 – Universet har nådd en tilnærmet uniform lav energi. Kvantehendelser som spontan emisjon av fotoner kan lokalt ha innvirkning med ukjente følger.

Kald død når universet går mot det absolutte nullpunkt mens det fortsetter å ekspandere, scenariet begynner likt med Varm død, og fri energi går tapt på grunn av økende entropi. Evigvarende

Stor rift (Big rip). Er utgangspunktet som de øvrige, men baserer seg på at ekspansjonsraten etterhvert øker. Stadig mer av universet kommer utenfor det observerbare univers, og ekspansjonen når et nivå der galakser, stjerner og rett før slutten, molekyler og atomer, ikke lenger kan motstå ekspansjonen. I det ekspansjonen når lyshastighet blir universet en singularitet. Det er beregnet at dette vil inntreffe tidligst om 20 milliarder år.).

Masse 

Universet beregnes å ha omkring 3 – 5 × 1022 stjerner, i omkring 80 milliarder galakser. Galaksene er igjen organisert i grupper, klynger, superklynger, og enorme strukturer som vegger og gap:

 Galakser er rundt 100 000 lysår i diameter.
 Grupper er 1 000 000 lysår og inneholder noen titalls galakser. Andromedagalaksen er del av vår lokale gruppe
 Klyngen er 10 000 000 lysår og inneholder noen tusentalls galakser.
 Superklyngen er i størrelsesorden 100 000 000 lysår og en million galakser
 Vegger og gap er de største strukturene i universet, med en størrelsesorden på 1 milliard lysår.

Atomene i det kjente univers består av omkring 24% helium og 76% hydrogen etter vekt. Antall atomer i det observerbare univers kan man anslå på forskjellige måter:
Ettersom universet er svært nær flatt (se over), kan man regne med at den kritiske tettheten for universet er tilnærmet 1 (3 H2 / 8 π γ ~ 1). Dette gir omkring 1×10−26 kg/m³ eller 5×10−3 hydrogenatomer per kubikkmeter. Man antar at omkring 4% av denne massen er synlig masse, resten er i form av mørk materie og mørk energi. Om man ganger dette med volumet av universet over og tar hensyn til H/He fraksjonen får man omkring 6×1079 atomer.
En typisk stjerne som solen har en masse på 2×1030 kg, som er omkring 1,2×1057 atomer, vesentlig helium og hydrogen. Med 300 milliarder stjerner i melkeveien og 80 mrd galakser får man omkring 1,2×1057 × 3×1011 × 8×1010 =2,9×1079 atomer. Man kan anta en tilsvarende mengde atomer i interstellar materie.

Av dette kan man anslå antallet atomer til omkring 6×1079 og massen til rundt 1×1053 kg

Referanser

Se også 
Galakse
Universet

Eksterne lenker 
 Cosmology FAQ

Astronomi
Astrofysikk
Kosmologi
Artikler i astronomiprosjektet
Universet
Observerbare

sv:Universum#Det observerbara universum