Allt du kan röra vid, väga eller rikta ett teleskop mot — varje stjärna, planet och person — utgör tillsammans bara 5 % av universum. Det är inget avrundningsfel; det är ett av de mest noggrant bekräftade talen inom kosmologin, förfinat genom decennier av mätningar av restljuset från universums födelse. Resten är mörk materia och mörk energi, två komponenter som astronomer kan mäta med precision utan att ännu veta vad de egentligen är — en märklig form av säkerhet, att vara säker på att något existerar långt innan man vet vad det består av.
Big Bang är det namn kosmologer ger åt det heta, täta tillstånd som allt härstammar från, för omkring 13,787 miljarder år sedan, med en noggrannhet på 0,02 miljarder år åt endera hållet — ett anmärkningsvärt precist tal för något som hände innan atomer ens existerade. Att komma fram till det talet tog nästan ett sekel av tillfälliga upptäckter, envisa astronomer och en belgisk präst med en mycket bra idé.
Den här guiden går igenom bevisen: efterglöden som fortfarande korsar himlen, instrumenten som byggts för att kartlägga den, människorna som tvistade om vad den betydde, och hur märklig universums "hushållsbudget" visar sig vara.
Efterglöden som fortfarande korsar himlen
Omkring 375 000 år efter universums födelse hade det svalnat tillräckligt för att atomer skulle kunna bildas och dimman av laddade partiklar skingras, vilket lät ljus färdas fritt för första gången. Det första ljuset sköljer fortfarande över jorden i dag som den kosmiska bakgrundsstrålningen, och det når oss samtidigt från alla riktningar.
Den är inte helt enhetlig. Satellitmätningar har visat att en del av himlen håller en temperatur på 2,7251 kelvin medan en annan visar 2,7249 kelvin — en skillnad på två tiotusendelar av en grad. Den lilla ojämnheten var precis vad kosmologerna behövde: utan den skulle gravitationen inte haft något extra att gripa tag i, och materia kanske aldrig hade klumpat ihop sig till galaxer. Att kartlägga dessa små variationer tillräckligt exakt för att de skulle spela någon roll tog decennier och flera generationer av rymdfarkoster, var och en på jakt efter en signal svagare än den föregående.
En oavsiktlig upptäckt som gav ett Nobelpris
År 1964 fångade Bell Labs radioastronomer Arno Penzias och Robert Wilson upp ett svagt, jämnt brus i sin antenn som inte försvann oavsett i vilken riktning de riktade den. De letade inte efter universums födelse; de försökte spåra utrustningsbrus, och "bruset" visade sig vara själva den kosmiska bakgrundsstrålningen. Det är en av vetenskapens mer osannolika ursprungshistorier: decenniets största kosmologiska fynd dök upp förklätt till ett tekniskt fel.
Fjorton år senare, 1978, mottog paret Nobelpriset i fysik för upptäckten, som gav kosmologin dess starkaste bevis hittills för att universum hade uppstått i ett hett, tätt tillstånd i stället för att ha existerat i evighet i ett stabilt tillstånd.
En satellit som kartlade allas babybild
Penzias och Wilsons antenn kunde bekräfta att bakgrundsstrålningen fanns, men den kunde inte visa hur himlen såg ut i detalj. Det krävde dedikerade rymdfarkoster: NASA:s Cosmic Background Explorer plockade upp svaga temperaturvågor över stora delar av himlen 1992, och Wilkinson Microwave Anisotropy Probe skärpte senare bilden till den första heltäckande himmelskartan med en upplösning på bara 0,2 grader.
Fysikern Adam Riess, som senare delade ett eget Nobelpris 2011 för icke-relaterat arbete om kosmisk acceleration, sammanfattade uppdragets betydelse enkelt: det hade fört precision till kosmologin, och fältet skulle aldrig bli sig likt igen. En så finkornig karta förvandlade Big Bang från en grov skiss till något som mer liknade en ingenjörsritning, med siffror som andra forskare faktiskt kunde bygga vidare på.
Astronomerna som förutsåg expansionen
Långt innan någon hade hört talas om den kosmiska bakgrundsstrålningen fanns ledtrådarna redan i vanligt stjärnljus. År 1912 riktade Vesto Slipher sin spektrograf mot det som då kallades spiralnebulosor och lade märke till något märkligt: nästan alla rusade bort från jorden.
I slutet av 1920-talet hade Edwin Hubble förvandlat den märkligheten till ett mönster genom att visa att avlägsna galaxer drog sig tillbaka i alla riktningar, precis som Einsteins egna ekvationer förutspådde om själva rymden sträcktes ut. Det var mindre ett enskilt "upptäckts"-ögonblick än år av bevis som tyst pekade åt samma håll, där Sliphers spektra utförde mycket av det tidiga grovarbetet som Hubbles namn så småningom kom att förknippas med.
Prästen som namngav begynnelsen
Georges Lemaître, en belgisk fysiker och katolsk präst, kom oberoende fram till en liknande slutsats. År 1931 föreslog han att universum hade uppstått ur vad han kallade en "urtidsatom" — idén som så småningom växte till den moderna Big Bang-modellen.
Lemaîtres fingeravtryck går ännu längre tillbaka än den berömda artikeln. Den allra första datapunkten bakom det som i dag kallas Hubbles konstant — talet som beskriver hur snabbt universum expanderar — kom faktiskt från en artikel han skrev 1927, byggd på galaxavstånd som Hubble själv hade mätt och publicerat. Historien kom till slut att namnge konstanten efter den som tillhandahöll avstånden, snarare än prästen som först plottade dem mot hastigheten.
Uppbyggt mestadels av sådant vi inte kan se
Räkna samman varje stjärna, planet, måne och människa, och vanliga atomer utgör ändå bara omkring 5 % av universums massa och energi. Resten delas mellan två komponenter som inte avger något ljus alls: mörk materia, med 27 %, och mörk energi, med en dominerande andel på 68 %.
Ingen har direkt upptäckt någon av dem. Mörk materia härleds från sin gravitation — den håller ihop galaxer betydligt hårdare än vad deras synliga materia klarar på egen hand — medan mörk energi härleds från det faktum att universums expansion fortsätter att accelerera i stället för att bromsa in. Vanlig materia, det periodiska systemets beståndsdelar, visar sig vara minoritetsägaren i sitt eget universum, ett faktum som tog större delen av ett sekel av mätningar att fastställa med någon säkerhet.
Det första fyrverkeriet i den kosmiska kemin
Under ungefär de första 20 minuterna efter Big Bang var förhållandena tillräckligt heta och täta för att protoner och neutroner skulle börja smälta samman till universums första lätta atomkärnor — väte-2, helium-3, helium-4 och litium-7. Denna process, kallad Big Bang-nukleosyntes, är anledningen till att det periodiska systemet i praktiken redan innehöll helium långt innan någon stjärna hade tänts.
Astronomer uppskattar att universums allra första stjärnor gjorde solen försumbar i jämförelse, med en massa omkring 30 till 300 gånger så stor och ett sken miljontals gånger starkare — jättar jämfört med stjärnan i mitten av vårt eget solsystem.
Ett universum för stort för att ses på en gång
Den del av universum som är inom räckhåll för våra teleskop är ganska jämnt fylld med galaxer i alla riktningar, och sträcker sig över 10 miljarder ljusår — ungefär 6 triljarder miles från jorden. Bortom den gränsen har ljuset helt enkelt inte hunnit nå jorden än — det betyder inte att universum tar slut där, bara att vår vy av det gör det.
Bland de mest avlägsna objekt som hittats inom det räckhållet finns GN-z11, en galax som fotograferades av rymdteleskopet Hubble 2016 vid en rödförskjutning på omkring z≈11,1, sedd som den såg ut ungefär 400 miljoner år in i universums historia — en ögonblicksbild från en tid då kosmos bara var en liten bråkdel av sin nuvarande ålder. Varje fakta i den här guiden, från antennen i New Jersey till efterglöden ovanför oss i kväll, är egentligen ett enda långt argument för samma slutsats: universum hade en början, och bevisen för det kommer fortfarande in.