KOMMENTAR: Akkurat nå er jeg lykkelig. Grunnen til det er en pressemelding som astronomene bak BICEP2-eksperimentet sendte ut mandag 17. mars: De har funnet B-modepolarisjasjon på store vinkelskalaer i den kosmiske bakgrunnsstrålingen, signaturen til gravitasjonsbølger produsert i inflasjonsfasen.

Dette høres sikkert like interessant ut som å oppdage mugg på gulost, men når meningen i dette tørre utsagnet pakkes ut, blir det til noe fantastisk: Astronomene har sett et av de aller første øyeblikkene i vårt univers’ historie, frosset inn som et mønster i lys fra tidenes morgen.

Det er mange tekniske begrep som krever forklaring her. For den som ønsker å dykke dypt ned i emnet, anbefaler jeg Jostein Riiser Kristiansens innlegg i bloggen kollokvium.no.

Dersom du foretrekker å surfe på overflaten, gir jeg deg kortversjonen her.

Kosmologer forsøker på beskrive universets utvikling. Siden midten av 1960-tallet har det vært bred enighet om at Big Bang-modellen er den mest lovende beskrivelsen på markedet. I denne modellen startet universet å utvide seg for omtrent 13.8 milliarder år siden. I begynnelsen var det en tett og varm suppe av partikler og stråling, men under utvidelsen har temperaturen sunket og strukturer som stjerner og galakser blitt dannet. Alt vi har av observasjoner stemmer godt med dette bildet.

Big Bang-modellen er imidlertid ikke uten sine problemer. Et problem er at den forutsier sin egen undergang: I det første øyeblikket var hele det observerbare univers samlet i ett punkt. Da var tettheten, i følge teorien, uendelig høy. Da bryter ligningene som beskriver Big Bang-modellen sammen. Vi kan derfor ikke si noe om det aller første tikket til den kosmiske klokken. Før universet var blitt 10-43 sekunder gammelt, et tidspunkt som kalles Plancktiden, trenger vi en teori som forener den generelle relativitetsteorien med kvantefysikkens prinsipper for å beskrive forholdene, og en slik teori mangler vi.

To andre problemer er horisontproblemet og flathetsproblemet. Horisontproblemet kan illustreres med den eldste strålingen vi kan måle, den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Denne strålingen har beveget seg fritt gjennom universet etter at de første nøytrale atomene ble dannet, omtrent 380 000 år etter Big Bang. Vi har kartlagt dens egenskaper med stor nøyaktighet, og med en presisjon på noen hundretusendeler har den samme temperatur, uansett hvilken retning vi observerer den i. Men 380 000 år etter Big Bang hadde områder som lå mer en 380 000 lysår unna hverandre aldri vært i kontakt med hverandre. Så hvordan kunne de da ha rukket å nå samme temperatur? I Big Bang-modellen er den eneste tenkelige forklaringen at temperaturen må ha vært den samme overalt da universet startet. Det er ikke umulig, men det er veldig kunstig.

Flathetsproblemet henger sammen med rommets geometri. I Big Bang-modellen kan rommet være flatt, det kan krumme seg som overflaten på en kule, eller som overflaten på en sadel. Målinger viser at geometrien i dag er svært nær flat. Men ligningene sier at alle avvik fra flathet blir forsterket med tiden. For at universet skal være flatt i dag, må krumningen ha vært ufattelig liten i begynnelsen. Igjen er dette ikke umulig, men det virker kunstig.

På begynnelsen av 1980-tallet foreslo Alan Guth en løsning på problemet. Han tenkte seg at da universet var rundt 10-35 sekunder gammelt var det i en kort periode dominert av en energi som førte til at det utvidet seg eksponentielt raskt: I løpet av en mikroskopisk brøkdel av et sekund ble et område på størrelse med en atomkjerne større enn solsystemet. Dette kalles, naturlig nok, kosmisk inflasjon. Guth viste at inflasjon ville løse både horisontproblemet og flathetsproblemet. Den voldsomme ekspansjonen sørget for at et område som var lite nok til at temperaturen hadde jevnet seg ut i det, vokste seg stort nok til at det ble på størrelse med det synlige univers i løpet av de neste 13.8 milliarder årene med ekspansjon. Flathetsproblemet ble løst ved at et krumt område ville bli blåst så kraftig opp av inflasjon at det for alle praktiske formål ble flatt, på samme måte som at jorda er flat hvis du bare ser på en liten nok del av den.

Ideen var spekulativ, men den ble raskt populær blant kosmologer. De utviklet mer konkrete modeller for hvordan inflasjon kunne ha foregått. I Guths opprinnelige modell var utgangspunktet en teori for hvordan tre av de fire fundamentale kreftene i fysikken blir forent ved høye temperaturer. Fysikere forventer at under de ekstreme forholdene som fantes tidlig i universets historie, var det ikke noen forskjell mellom sterk kjernekraft, svak kjernekraft og elektromagnetisk kraft. På 1970- og 80-tallet var det en populær beskjeftigelse blant teoretikere å konstruere matematiske beskrivelser av hvordan dette kan ha artet seg, såkalte Grand Unified Theories (GUTs). Guth fant at i en av disse modellene ville det tidlige univers i en kort periode ha vært dominert av en eksotisk energi som snudde tyngdekraften på hodet: Den var frastøtende og fikk rommet til å utvide seg eksponentielt raskt.

Modellen til Guth var ikke uten problemer. Spesielt viste det seg at den fikk inflasjonsfasen til å slutte på en måte som ville ledet til at universet så svært annerledes ut enn det vi bor i. Bedre modeller ble imidlertid raskt utviklet, og i løpet av de mer enn 30 årene som er gått siden Guth lanserte ideen, har vi fått hundrevis av inflasjonsmodeller. Forbindelsen til GUTs er løs i de fleste av dem, men det er allikevel vanlig å anta at inflasjon er et fenomen som hører til ved den samme energiskalaen som teorier for forente krefter hører hjemme ved.

Inflasjon viste seg å ha gunstige bivirkninger. På grunn av kvantefysiske effekter, ville energien som drev inflasjonsfasen ha vært ujevnt fordelt i rommet. Da energien til slutt ble omdannet til partikler og stråling, førte dette til at tettheten varierte fra sted til sted i universet. Og mønstrene i variasjonene så ut til å ha den rette formen til å forklare hvordan tyngdekraften kunne forsterke dem og over lange tidsrom omdanne dem til galakser og galaksehoper.

De samme ujevnhetene ville også ha ledet til små variasjoner i temperaturen til den kosmiske bakgrunnsstrålingen, slik at vi ville måle forskjellige temperaturer i ulike retninger. Disse variasjonene ble funnet av satellitten COBE i 1992, og har senere blitt kartlagt i detalj av satellittene WMAP og Planck. De statistiske egenskapene til temperaturvariasjonene har vist seg å i store trekk stemme med forutsigelsene fra inflasjonsmodeller.

Dermed skulle saken være grei. Inflasjon løser horistont- og flathetsproblemet, og har testbare konsekvenser som er blitt bekreftet av observasjoner. Men inflasjon har ikke vært helt uten konkurrenter. På begynnelsen av 2000-tallet dukket det opp en alternativ modell med grunnlag i strengteori, der rommet kan ha flere dimensjoner enn de tre vi kjenner til. Burt Ovrut, Neil Turok og Paul Steinhardt laget en modell der vårt tredimensjonale univers er syklisk, og der avslutningen av én syklus ga utgangsbetingelsene for den neste. I store trekk forutså modellen de samme egenskapene for galaksefordelingen og temperaturvariasjonene i bakgrunnsstrålingen som inflasjonsmodellene.

Det sykliske univers og inflasjon skilte seg imidlertid på ett punkt. Tidlig i universets historie fantes det kvantefluktuasjoner i strukturen til tid og rom. Fordi den generelle relativitetsteorien, Einsteins teori for tyngdekraften, beskriver gravitasjon som strukturen til tidrommet, kalles slike forstyrrelser i tid og rom for gravitasjonsbølger.

I utgangspunktet hadde bølgene som kvantefluktuasjonene lagde for korte bølgelengder til at de ville ha vært målbare. Men dersom universet gjennomgikk en inflasjonsfase, ville bølgelengdene ha blitt blåst opp til skalaer vi kan observere i universet i dag. Den sykliske modellen mangler en mekanisme for å gjøre dette. Her er det dermed en mulighet for å skille mellom de to modellene: Let etter gravitasjonsbølger fra det tidlige univers.

Hvordan ser man en gravitasjonsbølge? I prinsippet kan den ses direkte ved at den får gjenstander den passerer til å strekke seg ut og trekke seg sammen i retninger som står loddrett på hverandre. Bestråling med gravitasjonsbølger har altså en potensielt slankende effekt. Dessverre snakker vi om ekstremt små endringer her. Noen av de kraftigste kildene til gravitasjonsbølger er kollisjoner mellom nøytronstjerner og sorte hull i Melkeveien. En stav på 100 meter vil endre lengden sin med utstrekningen til en atomkjerne dersom den ble truffet av bølger fra en slik kollisjon. Og gravitasjonsbølgene fra inflasjonsfasen er betydelig svakere enn dette.

For å se gravitasjonsbølgene fra det tidlige univers, må vi vende oss til den kosmiske bakgrunnsstrålingen. Den består av elektromagnetiske bølger, svingninger i elektriske og magnetiske felt som brer seg gjennom rommet. Disse feltene ligger i plan som står vinkelrett på bølgens bevegelsesretning. I dette planet kan feltene svinge på flere forskjellige måter. Vi sier at bølgen kan være polarisert på ulike måter.

Da er vi endelig framme ved poenget:

Dersom inflasjonsfasen virkelig fant sted, ville den ha avsatt et helt spesielt polarisasjonsmønster i bakgrunnstrålingen. Dette mønsteret vil være spesielt tydelig når strålingen studeres på skalaer som dekker omtrent 1 grad på himmelen. Ingen annen kjent mekanisme ville ha laget det samme mønsteret. Videre vil styrken på signalet fortelle oss direkte om når og ved hvilken temperatur inflasjonsfasen foregikk.

Det store som skjedde mandag 17. mars var at kosmologene som deltar i BICEP2-teleskopet på Sydpolen kunngjorde at de har sett nettopp denne signaturen. Dersom resultatene blir bekreftet av andre eksperimenter, vil det bety en svært avgjørende bekreftelse av inflasjonshypotesen, og kroken på døra for den sykliske modellen til Ovrut, Turok og Steinhardt. Den betyr også at vi har fått et vindu inn mot tider og forhold som vi tidligere bare kunne drømme om å studere.

Signalet BICEP2-teleskopet har sett tyder på at inflasjon fant sted ved en temperatur som svarer til en energi som er tusen milliarder ganger høyere enn energien som protonene i LHC-akseleratoren ved CERN, der Higgs-bosonet ble oppdaget, har oppnådd. Og fasen inntraff da universet var omtrent en hundre milliondel av en milliarddel av en milliarddel av en milliarddels sekund gammelt!

For å sette dette i perspektiv: Før BICEP2 var det tidligste tidspunktet vi hadde indirekte informasjon om cirka ett sekund etter Big Bang. Og energiskalaen for inflasjon er bare en faktor hundre lavere enn den såkalte Planckenergien, energien der kvantegravitasjon trer inn for fullt. Ved å studere polarisasjonen til bakgrunnstrålingen i ytterligere detalj, kan vi håpe på å bli ledet i retning av en dypere forståelse av hvordan naturen fungerer på sitt mest fundamentale nivå.

Dette forutsetter imidlertid at BICEP2-resultatene blir bekreftet av andre eksperimenter. Det er noen spenninger mellom de nye målingene og resultatene fra Planck-satellitten som kom for et år siden. Heldigvis er det flere eksperimenter som ser etter det samme signalet, så vi slipper å vente veldig lenge på å få oppdagelsen avkreftet eller bekreftet.

Dersom BICEP2-resultatene blir bekreftet, vil de være en milepæl i utforskningen av universet. Et vindu inn mot de første øyeblikkene i historien til kosmos vil da være åpnet. Heldig er den som får oppleve slike oppdagelser.