Bästa mätningen av hur universum svalnat efter Big bang

Ett forskarteam lett av Sebastien Muller, vid Chalmers och Onsala rymdobservatorium, har gjort den mest noggranna mätningen någonsin av hur universum svalnat av under dess 13,77 miljarder år gamla historia.

Forskarna har studerat molekyler i gasmoln i en avlägsen galax, som ligger så långt bort att dess ljus har tagit halva universums livstid för att nå oss. För att göra mätningen använde de radioteleskopet CSIRO Australia Telescope Compact Array, en uppställning av sex 22-metersantenner i östra Australien.

– När vi tittar på den här galaxen med våra teleskop ser vi den som den var när universum var yngre – och varmare – än det är idag, säger Sebastien Muller.

Astronomerna använde en fiffig ny metod för att mäta temperaturen hos den kosmiska bakgrundsstrålningen – den mycket svaga resten av hettan i Big bang. De observerade radiovågor från molekyler i en galax som ligger så långt bort att dess ljus har tagit 7,2 miljarder år att nå oss.

– Gasen i galaxen är så tunn att det enda som håller dess molekyler varma är den kosmiska bakgrundsstrålningen – det som finns kvar av Big bang, säger Sebastien Muller.

Teamet kunde utnyttja att en ännu mer avlägsen ljuskälla, en kvasar med beteckningen PKS 1830-211, råkar ligga precis bakom galaxen och lyser igenom den. Kvasaren är en ung galax som lyser starkt tack vare jetstrålar från ett supertungt svart hål i dess mitt.

– Vi analyserade radiovågorna från kvasaren som hade passerat genom gasen i galaxen. I radiovågorna kunde vi identifiera spår av många olika molekyler, säger Sebastien Muller.
Med hjälp av en avancerad datormodell använde de dessa molekylära fingeravtryck i kvasarens ljus för att mäta temperaturen i galaxens gasmoln framför kvasaren.

De kunde uppskatta temperaturen hos den kosmiska bakgrundsstrålningen till 5.08 Kelvin (+/- 0.10 Kelvin). Det är mycket kallt, men avsevärt varmare än temperaturen som uppmätts i dagens universum, 2,73 Kelvin. Fysiker mäter temperaturer i Kelvin. Den absoluta nollpunkten är 0 Kelvin eller -273 grader Celsius. En Kelvin är lika stor som en grad Celsius.

Alexandre Beelen, astronom vid Institutet för rymdastrofysik vid Paris universitet i Frankrike, är också med i teamet.

– Man har tidigare mätt temperaturen som den kosmiska bakgrundsstrålningen hade förr i universum, vid ännu större avstånd. Men det här är den mest noggranna mätningen hittills av temperaturen som rådde när universum var yngre än det är idag, säger han.

Enligt Big bang-teorin minskar bakgrundsstrålningens temperatur stadigt allt eftersom universum utvidgas.

– Det är precis det vi ser i våra mätningar. För några miljarder år sedan var universum ett par grader varmare än det är nu, exakt som Big bang-teorin förutspår, avslutar Sebastien Muller.

Fakta om kosmiska avstånd och den kosmiska bakgrundsstrålningen
Ljus och radiovågor färdas med en ändlig hastighet, 300 000 kilometer per sekund. Det betyder att astronomer kan studera universum som det var för länge sedan genom att observera avlägsna objekt på himlen. Teamet observerade molekylär gas i en galax vars avstånd ifrån oss är sådant att dess ljus har färdats i 7,2 miljarder år för att kunna nå oss. Det motsvarar en så kallad rödförskjutning på 0,89. Kvasaren vars ljus absorberas av molekylerna i galaxen ligger längre bort, motsvarande rödförskjutning på 2,5 (vilket innebär att dess ljus har tagit 11 miljarder ljusår för att nå oss). Observationerna var möjliga tack vare att galaxen själv förstärker ljuset från kvasaren enligt Einsteins allmänna relativitetsteori.  Galaxen funkar som en så kallad gravitationslins.

Den kosmiska mikrovågsbakgrunden, ett svagt sken som kan observeras överallt på himlen av radioteleskop, upptäcktes 1964. Upptäckarna och fysikerna som studerade den från rymden belönades med Nobelpriset i fysik 1978 respektive 2006.

Fakta om teleskopet
Australia Telescope Compact Array (ATCA) är en grupp av sex parabolantenner som arbetar tillsammans som ett teleskop för att fånga upp radiostrålning från rymden. Teleskopet, som ligger utanför Narrabri i New South Wales, Australien, är ett av de mest avancerade teleskopen i sitt slag. ATCA drivs av Australiens vetenskapsråd CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation).

Fakta om forskningen
Forskningsresultaten publiceras i artikeln A precise and accurate  determination of the cosmic microwave background temperature at z=0.89, av S. Muller m. fl., i tidskriften Astronomy & Astrophysics. Artikeln finns även online

Teamet består av Sebastien Muller (Onsala rymdobservatorium, Chalmers), Alexandre Beelen (Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-Sud, Orsay, Frankrike), John H. Black (Chalmers), Stephen J. Curran (University of Sydney, Australien), Cathy Horellou (Chalmers), Susanne Aalto (Chalmers), Francoise Combes (Observatoire de Paris, Frankrike), Michel Guélin (Institut de Radioastronomie Millimétrique, Frankrike) samt Christian Henkel (Max-Planck-Institut für Rasioastronomie, Bonn, Tyskland).