Universums temperatur under Big Bang

Big bang-teorin om universums ursprung är ett logiskt resultat av upptäckten av astronomen Edwin Hubble att universum expanderar. Om expansionen kunde vändas skulle hela universum, vid någon tidpunkt, komma ihop till en enda punkt i rymden. Forskare har härledt universums förhållanden och temperatur vid en tid oändligt nära denna singularitet baserat på observationer av det nuvarande universum.

En singularitet är ett område av rymdtid där materien krossas så nära varandra att de gravitationella lagar som förklaras av allmän relativitet bryts ner. I en singularitet är rymdvolymen noll och densiteten är oändlig. Ett annat sätt att säga detta är att rymdtidens krökning är oändlig. Forskare tror att en sådan singularitet finns i kärnan i ett svart hål, som inträffar när en supermassiv sol når slutet av sitt liv och imploderar. Allmän relativitet kräver också att en sådan singularitet måste finnas i början av ett expanderande universum.

Big bang är ögonblicket när den ursprungliga singulariteten blev universum. Baserat på observationer av avlägsna föremål och mätningar av den kosmiska bakgrundsstrålningen, forskare har härledt temperaturen vid Planck-tiden, vilket är 10 miljoner biljoner biljoner biljoner andra. Vid det ögonblicket var temperaturen 100 miljoner biljoner biljoner kelvin (180 miljoner biljoner grader Fahrenheit). Universum genomgick en period av accelererad expansion som slutade långt innan en sekund hade gått. Vid den tiden hade den svalnat till en temperatur på 100 miljarder kelvin (180 miljarder grader Fahrenheit).

Ungefär en sekund efter big bang var universum cirka 400 000 gånger så tätt som vatten och temperaturen var 10 miljarder kelvin. Materien bestod huvudsakligen av protoner och neutroner. Efter 13,8 sekunder hade temperaturen sjunkit till 3 miljarder kelvin, och tre minuter och 45 sekunder senare hade den sjunkit till 1 miljard kelvin. Vid denna tidpunkt började neutronerna och protonerna att bilda heliumkärnor. De första atomerna bildades inte förrän 700 000 år efter big bang. Då hade temperaturen sjunkit till flera tusen kelvin, vilket var tillräckligt kallt för att protoner och elektroner skulle bilda väteatomer.

Förutom Hubbles upptäckt att universum expanderar, vilket i första hand ledde till utvecklingen av Big Bang-teorin, finns det två andra skäl för att acceptera teorin. Det ena är att det förutspår att helium som bildades vid big bang-tiden skulle stå för 25 procent av universums massa, vilket är vad astrofysiker observerar. Den andra är att den förutspår att temperaturen på den kosmiska bakgrundsstrålningen - den efterglöd av Big Bang - borde vara 3 grader över absolut noll, och observationer har också bekräftade detta.