Artikel

Universets og grundstoffernes oprindelse

Universet og dets udforskning har altid fascineret mennesker, og i dag ved vi en masse om det Univers vi bor i. I det følgende forklarer Troels C. Petersen fra Niels Bohr Instituttet om universets opståen og udvikling og om grundstoffernes tilblivelse.

Ud over at være et spændende forskningsfelt, så har det potentiale til at give enhver, der arbejder med materialer en fornyet fascination for disse og deres oprindelse – ikke mindst elever på erhvervsuddannelserne.

 

Big Bang – Universets start

Vores Univers opstod ved Big Bang for 13.8 milliarder år siden. Der var Universet samlet i et punkt og har udvidet sig lige siden. Det ved vi, fordi vi med teleskoper kan se resten af Universet bevæge sig væk fra os. Og jo længere væk noget er, jo hurtigere bevæger det sig væk fra os. Mere præcist, så er det Universets galakser, som bevæger sig væk fra hinanden, heriblandt vores egen galakse, Mælkevejen.

Mælkevejen består af omkring 300 milliarder stjerner, hvoraf vores sol blot er en af dem. Det er meget almindeligt for galakser. Og der er cirka 300 milliarder galakser i vores Univers. Så Universet er virkelig stort.

Man kan sammenligne Universets udvidelse med en dej (Universet) der hæver, med det resultat, at alle rosinerne (galakserne) i dejen ser de andre rosiner bevæge sig væk fra sig.  Jo længere væk de er, jo hurtigere bevæger de sig væk.

Men hvis alt bevæger sig væk fra os nu, så må det have været tættere på os før i tiden. Så hvis man ved hvor langt væk en galakse er og hvor hurtigt den bevæger sig væk, så kan man regne ud, hvornår vi var samme sted som den. Og det typiske svar man får fra stort set alle Universets galakser er omkring 13.8 milliarder år.

Vi konkluderer altså, at alt i Universet var samlet i et punkt for 13.8 milliarder år siden. Og at det har udvidet sig lige siden. Det er denne start, som vi kalder Big Bang. Og grunden til, at vi er ret sikre på denne teori er, at den samtidig forudsiger flere ting, som vi efterfølgende har kunne observere er korrekte. Det er der ikke nogen andre teorier, som formår.

© NASA

Figur 1: Universets udvikling fra Big Bang for 13.8 milliarder år siden (venstre side) til i dag (højre side). Universets er her gengivet i to dimensioner, og udvidelsen kan ses ved at størrelsen vokser med tiden. Efter ca. 375.000 år dannes de første atomer (hydrogen og helium) og Universet bliver samtidig gennemsigtigt. Vi kan i dag se det lys, som blev ”sluppet” fri dengang da det skete, hvilket er en af de vigtigste grunde til, at vi tror på Big Bang teorien.

 

I starten efter Big Bang var der ikke atomer, men en meget tyk og varm ”suppe” af partikler, blandt andet protoner og neutroner (som atomkerner er lavet af) og så også elektroner (som løber rundt om atomkernerne).

Efterhånden som Universet udvidede sig og blev mindre tæt, så kølede det samtidig af (det er et helt generelt princip, som bla. bruges til køleskabe). Da Universet efter ca. 375.000 år var kølet ned til omkring 3000 grader, så blev det muligt for elektroner at binde sig til protoner og dermed skabe de første atomer. Til at starte med var der kun to grundstoffer i Universet: Hydrogen og helium.

Grunden til, at det ikke skete med det samme er, at atomer ikke kan hænge sammen ved alt for høje temperaturer (de ”smelter”). Stort set alle elektroner og protoner blev til hydrogen (og helium), og med et blev Universet gennemsigtigt og fyldt med atomer. Det lys (den kosmiske mikrobølge baggrundstråling), som var fanget i ”suppen” af partikler blev dermed sluppet løs, og det giver os en masse information om Universet og Big Bang.

Pga. tyngdekraften, så begyndte atomer langsomt at klumpe sammen, hvormed trykket og temperaturen inden i klumpen stiger. Og når det bliver højt nok (15 millioner grader), så begynder atomkernerne i hydrogen at smelte sammen og blive til helium. Det kommer der energi ud af, hvilket får klumpen til at lyse op… den bliver til en stjerne. De første stjerner starter på at lyse efter ca. 400 millioner år. Det er denne proces, som også foregår i hydrogenbomber, og som vi håber på en dag at kunne bruge til at producere energi med.

Når (store) stjerner ikke har mere hydrogen at smelte sammen til helium, så begynder helium at smelte sammen til tungere grundstoffer, så som ilt og kulstof. Dette bliver ved indtil grundstoffet jern, hvorfra man dog ikke kan få mere energi ud. Dermed falder stjernen sammen i en gigantisk eksplosion (kaldet en supernova), og sender de nye grundstoffer ud i Universet. Der er de grundstoffer, som fx vi og jorden er lavet af.

Så næste gang du holder et stykke jern i hånden, så tænk på, at det er ”smedet” i store stjerners indre, at det blev deres endeligt (idet det ikke kunne give mere energi), og at det efter millioner års rejse er endt her på jorden… nu i din hånd.

Grundstofferne tungere end jern (fx sølv og tin) bliver skabt i selve supernovaerne, mens de tungeste grundstoffer (fx guld og uran) bliver skabt i sammenstød mellem resterne (kaldet neutronstjerner) af supernovaer. Så næste gang du ser (eller arbejder med) noget guld, så ved du nu, at kun Universets vildeste processer er i stand til at lave disse grundstoffer, og at det er derfor, at de er så sjældne.

Big Bang teorien forudser faktisk, hvor meget der er af hvert grundstof i Universet – og igen rammer teorien rigtigt. Endnu en grund til, at vi mener at vide, hvordan Universet blev til.

 

Opsummering:

  • Universet startede for 13.8 milliarder år siden ved Big Bang, og har udvidet sig lige siden. Vi kan se udvidelsen i dag, og kender derfra Universets alder.
  • Der er ca. 300 milliarder galakser i Universet og ca. 300 milliarder stjerner i en galakse. Vores sol er en af disse stjerner og Mælkevejen er en af de galakser.
  • Grundstofferne var der ikke fra starten, men blev skabt kort efter Big Bang (hydrogen og helium), i stjerners indre (op til jern) og ved supernovaer og sammenstød mellem rester af supernovaer (tungeste grundstoffer).
  • Vi tror på Big Bang teorien, ikke blot fordi vi kan se Universet udvide sig, men også fordi teorien korrekt forudsiger, hvor meget af hvert grundstof der er i Universet.
  • Som menneske bør man være næsten stolt over, at vi ”har gennemskuet Universet”, om end der stadig er mange ting, som vi ikke ved.

 

Yderligere læsning

  • To gode sider på Wikipedia om Big Bang teorien og grundstoffernes tilblivelse er:
    • Big Bang: (om Big Bang teorien)
    • Nukleo-syntese (om grundstoffernes dannelse).
      NB: De engelske sider har flere detaljer.

 

Inspiration til undervisningen 

  • Big Bang til Naturfag : Se ”Materiale” under ”Mere Information”.
    Big Bang til Naturfag har produceret en samling af slides med materiale, som dækker historien fra Big Bang til det Moderne Menneske.
    Som inspiration til jeres egen undervisning følger en samling af årsplaner, undervisningsforløb og temaer samlet i samarbejde med tidligere deltagere på Big Bang til Naturfag.
    Desuden findes Inspirationsvideoer designet og udarbejdet af universitetsstuderende, med interesser inden for emner relevant til fortællingen fra Big Bang til Moderne Menneske. 

 

Kreditering

Af Troels C. Petersen (Niels Bohr Instituttet)

Siden er opdateret af emu-redaktionen
Rettigheder:

Tekstindholdet på denne side må bruges under følgende Creative Commons-licens - CC/BY/NC/SA Kreditering/Ikke kommerciel/Deling på samme vilkår. Creative Commons-licensen gælder kun for denne side, ikke for sider, der måtte henvises til fra denne side.
Billeder, videoer, podcasts og andre medier og filer på siden er underlagt almindelig ophavsret og kan ikke anvendes under samme Creative Commons-licens som sidens tekstindhold.