Hvor mange fotoner er der i Universet, og hvad er deres effekt?

Svar:

Hej Erik,
Supergodt spørgsmål, hvis svar har en del nuancer. Det er helt rigtigt, at "det tomme verdensrum slet ikke er så tomt endda, men fyldt med både gas og fotoner og mere eksotiske… ting. Du spørger specifikt til fotonerne, men for helthedens skyld beskriver jeg også lige de andre ingredienser så kort som muligt.

Det interstellare medium

Hvor der her nede på jordoverfladen ved 1 atmosfæres tryk er 30 mia. mia. (også skrevet 3×10¹⁹) partikler pr. kubikcentimeter, skal du ikke særlig langt væk fra Jorden før tætheden er faldet til blot 100 eller 10 partikler/cm³. En typiske tæthed i resten af galaksen er bare 0.1–1 cm³, dog med store variationer.

Dette rum, som altså er så godt som tomt, kaldes "det interstellare medium", og partiklerne er primært enkelte atomer. I de tætte områder kan atomerne kombinerer til molekyler, og nogle af molekylerne kan danne støvpartikler.

Selvom rummet er næsten tomt, er det altså ikke helt tomt, og udover at påvirke alle vores observationer, har den præcise komposition af det interstellare medium også stor indvirkning på mange fysiske processer, som f.eks. dannelsen af stjerner og galaksernes udvikling.

Mellem galakserne er tætheden i omegnen af en million gange mindre, og da dette intergalaktiske medium udgør en meget større andel af Universet en galakserne gør, er den gennemsnitlige tæthed i Universet domineret af dette, altså omkring 0.1–1 atom pr. kubikmeter.

Andet stof

Inden vi ser på fotonerne, må jeg lige nævne, at alt det ovenstående gas og støv, plus alle stjernerne, plus planeter og alt hvad du nogensinde har set og smagt og rørt ved i hele dit liv, udgør mindre en 5% af al Universets masse og energi. Over fem gange så meget udgøres af det mystiske mørke stof, mens de resterende knap 70% er det endnu mere mystiske mørke energi. Til sammenligning udgør fotonernes energi mindre end 0.01% (i dag).

Stråling

Som du kan se i figuren ovenfor, udgør energien af alle fotoner en meget lille andel af Universets samlede energi. Men de individuelle fotoners energi er meget lille, så deres antal er enormt, og de fleste steder er atomerne helt i undertal ift. fotoner. En stjerne som Solen udsender et helt afsindigt svimlende antal fotoner hvert sekund, omkring 10⁴⁵, eller 1 mia. mia. mia. mia. mia. i sekundet. De fleste af disse fotoner udsendes i det synlige område af spektret, mens andre astrofysiske processer udsender fotoner i resten af det elektromagnetiske spektrum.

Med forskellige teknikker har man målt den gennemsnitlige baggrundstråling over hele spektret. Her kigger man på så store skalaer, at strålingen ikke er domineret af en enkelt kilde som Solen eller en kvasar eller en støvsky. Resultatet ser sådan ud:

Du kan se, at baggrundsstrålingen peaker i mikrobølgeområdet. Dette er den kosmiske mikrobølgebaggrundstråing, som blev udsendt kort efter Big Bang, da Universet var kølet nok af til at protoner og elektroner kunne kombinere sig til neutrale atomer.

Radiostrålingen er primært "synkrotronstråling"; stråling udsendt af ladede partikler der accelereres i galaktiske og intergalaktiske magnetfelter. Det infrarøde lys stammer mest fra stjernestøv, opvarmet af stjerner, mens det optiske lys er domineret af selve stjernerne.

De tungeste og varmeste af disse stjerne udsender størstedelen af det ultraviolette lys, og røntgenstrålerne kommer fra "aktive galaksekerner", som er gas opvarmet til millioner af grader inden det hvirvler ned i supertunge sorte huller i midten af galakserne. De mest energirige af disse, de såkaldte kvasar, udsender gammastråler, men der er også er signifikant bidrag til denne del af spektret fra supernova-eksplosioner. 

Intensiteten af lyset er et mål for energien. Ved at dividere med energien af de individuelle fotoner, kan man regne antallet af fotoner pr. cm³ ud. Det har jeg gjort her:

Så ja, Universet er fyldt af et tredimensionalt tæppe af fotoner, der drøner afsted på kryds og tværs. Men kun de færreste er energirige. Som du kan se udgøres langt størstedelen af mikrobølger, altså den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling (CMB). Faktisk er der mere end 200 gange så mange CMB-fotoner som alle andre typer af fotoner tilsammen.

Hvis vi har lyst, kan vi endda regne ud, hvor mange fotoner der er i Universet, eller i hvert fald i det observerbare Univers, dvs. den del hvorfra lys har haft tid til at nå os siden Big Bang (vi ved ikke hvor stort resten er). Hvis vi integrerer kurven ovenfor fås ca. 413 fotoner pr. cm³. Det observerbare Univers er 46.2 mia. lysår i radius, så dets volumen er 3.5×10⁸⁶ cm³. Ganges de to tal fås godt og vel 10⁸⁹ fotoner.

Samme øvelse kan vi lave med antallet af atomer, og her er svaret ca. 10⁸⁰. Der er altså en milliard gange flere fotoner end atomer i Universet.

Fotonernes effekt

Du spørger også, om disse fotoner har fysisk indvirkning på noget. Svaret afhænger af, hvilke fotoner vi taler om. For 95% af CMB'ens vedkommende har det rejst gennem Universet næsten siden Big Bang uden at interagere med noget som helst. Kun 5% af dem har på deres vej "snittet" en fri elektron og har ændret retning.

Andre slags fotoner kan til gengæld have en stor effekt. At interagere med hinanden er ekstremt sjældent, men ikke umuligt. Måske har du hørt, at en partikel og en antipartikel kan mødes og annihilere, hvorved de bliver til stråling. Den modsatte proces er også mulig, men udover at fotonerne skal komme meget tæt på hinanden, kræver det også meget høj energi (gammastråling), og selv da er sandsynligheden lille.

Til gengæld er der mange situationer, hvor fotonernes interaktion med stoffet, altså atomer, molekyler og støv, er vigtig. Det er f.eks. grunden til, at der er en maksimal grænse for, hvor stor en stjerne kan blive (i omegnen af 100 gange vores Sols masse). Stjerner skabes af gasskyer, der kollapser. Men når stjernen begynder at lyse, presser fotonerne yderligere gas væk og forhindrer stjernen i at vokse sig større.

En lignende proces kan forhindre galakser i at vokse sig større: Den samlede mængde lys fra de tungeste stjerner kan presse gassen væk fra de stjernedannende områder, og endda helt ud af galaksen, hvilket i nogle tilfælde kan "kvæle" galaksen, så den helt stopper med at danne nye stjerner. Dette "lystryk" hjælpes ofte på vej af, at lyset også opvarmer gassen, hvilket får den til at udvide sig, samt af eksploderende stjerner, og aktive galaksekerner.

Lystrykket og lysopvarmingen behøver ikke nødvendigvis resultere i sådanne galaktiske udstrømninger, men har stadig stor betydning for galaksen interstellar medium.

Endnu en effekt af stjernernes lys er, at det kan ødelægge det støv, der ligger omkring stjernerne, enten helt eller delvist, altså så støvkornene bliver "smuldret" i mindre støvkorn. Eftersom kornenes størrelse har stor betydning for, hvilke bølgelængde de absorberer, er dette en proces der påvirker vores observationer.

Desuden kan lyset rejse hundreder, eller millioner, eller milliarder af lysår gennem rummet og ned til vores øjne og teleskoper, og dermed lære os om Universet. Det kan man vel også kalde en "fysisk indvirkning" :)

Gravitationsbølger er dog noget helt andet, og skyldes når meget store masser accelereres, f.eks. hvis to sorte huller støder sammen.

Bedste hilsener,
Peter Laursen, Astrofysiker og videnskabsformidler
Cosmic Dawn Center, Niels Bohr Institutet.