Widok SDSS w podczerwieni - z APOGEE - galaktyki Drogi Mlecznej, patrząc w kierunku centrum. 100 lat temu taka była nasza koncepcja całego Wszechświata. Zdjęcie: Sloan Digital Sky Survey.

11 Postęp naukowy z ostatnich 100 lat dał nam cały nasz Wszechświat

Od Wszechświata, który nie był większy niż nasza Droga Mleczna, do trylionów galaktyk w naszym rozszerzającym się Wszechświecie, nasza wiedza rosła o krok po kroku.

„Gamow był fantastyczny w swoich pomysłach. Miał rację, mylił się. Częściej źle niż dobrze. Zawsze interesujące; … A kiedy jego pomysł się nie mylił, był nie tylko słuszny, ale był nowy. ” -Wznajomość

Dokładnie 100 lat temu nasza koncepcja Wszechświata znacznie różniła się od obecnej. Gwiazdy w Drodze Mlecznej były znane i znajdowały się w odległości do tysięcy lat świetlnych stąd, ale nie sądzono, aby były dalsze. Założono, że Wszechświat jest statyczny, ponieważ spirale i eliptyczne na niebie zostały uznane za obiekty zawarte w naszej własnej galaktyce. Grawitacja Newtona wciąż nie została obalona przez nową teorię Einsteina, a naukowe idee takie jak Wielki Wybuch, ciemna materia i ciemna energia nawet jeszcze nie zostały wymyślone. Ale w ciągu każdej dekady dokonywano ogromnych postępów, aż do dnia dzisiejszego. Oto najważniejsze z tego, jak każdy z nas posunął naprzód nasze naukowe zrozumienie Wszechświata.

Wyniki ekspedycji z Eddington w 1919 r. Wykazały jednoznacznie, że ogólna teoria względności opisuje zginanie światła gwiazd wokół masywnych obiektów, obalając obraz Newtona. Zdjęcie: The Illustrated London News, 1919.

Lata 1910 - teoria Einsteina potwierdzona! Ogólna teoria względności była znana z wyjaśnienia, że ​​grawitacja Newtona nie może: precesja orbity Merkurego wokół Słońca. Ale teoria naukowa nie wystarczy, aby wyjaśnić coś, co już zaobserwowaliśmy; musi przewidzieć coś, czego jeszcze nie widać. Chociaż w ciągu ostatniego stulecia było wiele - dylatacja grawitacyjna, silne i słabe soczewkowanie, przeciąganie ramek, przesunięcie grawitacyjne itp. - pierwszym było zgięcie światła gwiazd podczas całkowitego zaćmienia Słońca, zaobserwowane przez Eddingtona i jego współpracowników w 1919 r. Obserwowana ilość gięcia światła wokół Słońca była zgodna z Einsteinem i niespójna z Newtonem. Podobnie nasze spojrzenie na Wszechświat zmieni się na zawsze.

Odkrycie przez Hubble'a zmiennej Cefeid w galaktyce Andromedy, M31, otworzyło nam Wszechświat. Źródło zdjęcia: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay i zespół Hubble Heritage. Źródło zdjęcia: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay i zespół Hubble Heritage.

Lata dwudzieste - wciąż nie wiedzieliśmy, że istnieje Wszechświat poza Drogą Mleczną, ale wszystko to zmieniło się w latach dwudziestych XX wieku dzięki pracy Edwina Hubble'a. Obserwując niektóre mgławice spiralne na niebie, był w stanie wskazać pojedyncze, zmienne gwiazdy tego samego typu, które były znane w Drodze Mlecznej. Tyle że ich jasność była tak niska, że ​​musieli znajdować się w odległości milionów lat świetlnych, umieszczając je daleko poza zasięgiem naszej galaktyki. Hubble nie poprzestał na tym, mierząc prędkość i odległości recesji dla kilkunastu galaktyk, odkrywając ogromny, rozszerzający się Wszechświat, który znamy dzisiaj.

Dwie jasne, duże galaktyki w centrum gromady śpiączki, NGC 4889 (po lewej) i nieco mniejsza NGC 4874 (po prawej), każda mają rozmiar przekraczający milion lat świetlnych. Ale galaktyki na obrzeżach, tak szybko przesuwające się wokół, wskazują na istnienie dużej aureoli ciemnej materii w całej gromadzie. Źródło zdjęcia: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona.

Lata 30. XX wieku - od dawna uważano, że gdybyś mógł zmierzyć całą masę zawartą w gwiazdach, a być może dodać gaz i pył, to byś rozliczył całą materię we Wszechświecie. Jednak obserwując galaktyki w gęstej gromadzie (jak gromada śpiączki powyżej), Fritz Zwicky pokazał, że gwiazdy i to, co nazywamy „normalną materią” (tj. Atomami), było niewystarczające do wyjaśnienia wewnętrznych ruchów tych gromad. Nazwał tę nową materię materią mętną, czyli ciemną materią, obserwacją, która była w dużej mierze ignorowana do lat 70. XX wieku, kiedy normalna materia była lepiej rozumiana, a ciemna materia istniała w dużych ilościach w pojedynczych, wirujących galaktykach. Teraz wiemy, że przewyższa on normalną materię w stosunku 5: 1.

Oś czasu naszej obserwowalnej historii Wszechświata, w której obserwowalna część rozszerza się do coraz większych rozmiarów, gdy zbliżamy się w czasie od Wielkiego Wybuchu. Źródło zdjęcia: zespół naukowy NASA / WMAP.

Lata 40. XX wieku - podczas gdy zdecydowana większość zasobów eksperymentalnych i obserwacyjnych trafiła do satelitów szpiegowskich, rakiet i rozwoju technologii jądrowej, fizycy teoretyczni nadal ciężko pracowali. W 1945 roku George Gamow dokonał ostatecznej ekstrapolacji rozszerzającego się Wszechświata: jeśli Wszechświat rozszerza się i ochładza dzisiaj, to w przeszłości musiało być cieplej i gęstiej. Cofając się, musiał być czas, kiedy było tak gorąco i gęste, że nie mogły się tworzyć neutralne atomy, a przedtem nie było możliwości powstania jąder atomowych. Gdyby tak było, to zanim jakiekolwiek gwiazdy kiedykolwiek powstały, ten materiał, z którego zaczął się Wszechświat, powinien mieć określony stosunek najlżejszych pierwiastków, a resztkowy blask powinien przenikać we wszystkich kierunkach we wszechświecie zaledwie kilka stopni powyżej absolutnego zera . Ramy te są dziś znane jako Wielki Wybuch i były największym pomysłem na wyjście z lat czterdziestych.

Ten przekrój pokazuje różne obszary powierzchni i wnętrza Słońca, w tym jądro, w którym zachodzi fuzja jądrowa. Proces fuzji, zarówno w gwiazdach podobnych do Słońca, jak i w bardziej masywnych kuzynach, pozwala nam budować ciężkie pierwiastki obecne we wszechświecie dzisiaj. Źródło zdjęcia: użytkownik Wikimedia Commons Kelvinsong.

Lata 50. XX wieku - ale konkurencyjnym pomysłem na Wielki Wybuch był model stanu ustalonego, przedstawiony przez Freda Hoyle'a i innych w tym samym czasie. Spektakularnie obie strony argumentowały, że wszystkie cięższe pierwiastki obecne na Ziemi powstały we wcześniejszym etapie Wszechświata. Hoyle i jego współpracownicy argumentowali, że nie powstały one we wczesnym, gorącym i gęstym stanie, ale raczej w poprzednich generacjach gwiazd. Hoyle wraz ze współpracownikami Willie Fowler oraz Geoffreyem i Margaret Burbidge szczegółowo opisali, w jaki sposób elementy będą budowane układem okresowym z syntezy jądrowej zachodzącej w gwiazdach. Co najbardziej spektakularne, przewidzieli fuzję helu z węglem za pomocą procesu, którego nigdy wcześniej nie obserwowano: procesu potrójnego alfa, wymagającego istnienia nowego stanu węgla. Stan ten został odkryty przez Fowlera kilka lat po tym, jak zaproponował go Hoyle, i jest dziś znany jako stan węgla Hoyle'a. Z tego dowiedzieliśmy się, że wszystkie ciężkie pierwiastki istniejące obecnie na Ziemi zawdzięczają swoje pochodzenie wszystkim poprzednim pokoleniom gwiazd.

Gdybyśmy mogli zobaczyć światło mikrofalowe, nocne niebo wyglądałoby jak zielony owal w temperaturze 2,7 K, z „hałasem” w środku, spowodowanym przez cieplejszy wkład z naszej płaszczyzny galaktycznej. To równomierne promieniowanie z widmem ciała czarnego jest dowodem pozostałości blasku z Wielkiego Wybuchu: kosmicznego tła mikrofalowego. Źródło zdjęcia: zespół naukowy NASA / WMAP.

Lata 60. XX wieku - po około 20 latach debaty odkryto kluczowe spostrzeżenie, które zadecyduje o historii Wszechświata: odkrycie przewidywanej pozostałej poświaty z Wielkiego Wybuchu lub Kosmicznej Mikrofalówki. Ten jednolity promieniowanie o wartości 2,725 K został odkryty w 1965 roku przez Arno Penziasa i Boba Wilsona, z których żaden nie zdawał sobie sprawy z tego, co odkryli na początku. Jednak z biegiem czasu zmierzono pełne spektrum tego promieniowania ciała czarnego, a nawet jego wahania, co pokazuje nam, że Wszechświat zaczął w końcu od „huku”.

Najwcześniejsze etapy Wszechświata, przed Wielkim Wybuchem, stworzyły początkowe warunki, z których wyewoluowało wszystko, co widzimy dzisiaj. To był wielki pomysł Alana Gutha: kosmiczna inflacja. Źródło zdjęcia: E. Siegel, ze zdjęciami pochodzącymi z ESA / Planck i międzyagencyjnej grupy zadaniowej DoE / NASA / NSF ds. Badań CMB.

Lata 70. XX wieku - pod koniec 1979 r. Młody naukowiec wpadł na pomysł życia. Alan Guth, szukając sposobu na rozwiązanie niektórych niewyjaśnionych problemów Wielkiego Wybuchu - dlaczego Wszechświat był tak przestrzennie płaski, dlaczego miał taką samą temperaturę we wszystkich kierunkach i dlaczego nie było relikwii o bardzo wysokiej energii - przyszedł według pomysłu znanego jako kosmiczna inflacja. Mówi, że zanim Wszechświat istniał w gorącym, gęstym stanie, był w stanie wykładniczej ekspansji, w którym cała energia była związana w samej strukturze przestrzeni. Stworzenie nowoczesnej teorii inflacji wymagało wielu ulepszeń w stosunku do początkowych pomysłów Gutha, ale późniejsze obserwacje - w tym fluktuacje w CMB, wielkoskalową strukturę Wszechświata oraz sposób, w jaki galaktyki zbijają się, gromadą i formą - wszystkie mają uzasadnione przewidywania dotyczące inflacji. Nasz Wszechświat nie tylko zaczął się hukiem, ale istniał stan, który istniał przed gorącym Wielkim Wybuchem.

Pozostałość po supernowej 1987a, znajdująca się w Wielkim Obłoku Magellana około 165 000 lat świetlnych stąd. Była to najbliższa obserwowana supernowa od Ziemi od ponad trzech wieków. Zdjęcie: Noel Carboni i ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

Lata 80. XX wieku - może nie wydawać się wiele, ale w 1987 r. Najbliższa supernowa na Ziemię miała miejsce od ponad 100 lat. Była to również pierwsza supernowa, która miała miejsce, kiedy mieliśmy detektory online zdolne do znalezienia neutrin z tych wydarzeń! Chociaż widzieliśmy bardzo wiele supernowych w innych galaktykach, nigdy wcześniej nie było tak blisko, aby można było zaobserwować neutrina z niej. Te 20 lub mniej neutrina wyznaczają początek astronomii neutrin, a późniejsze odkrycia doprowadziły do ​​odkrycia oscylacji neutrin, mas neutrin i neutrin z supernowych, które nastąpiły w odległości ponad miliona lat świetlnych. Jeśli obecne detektory nadal działają, na następnej supernowej w naszej galaktyce wykryje się ponad sto tysięcy neutrin.

Cztery możliwe losy Wszechświata, z dolnym przykładem najlepiej pasującym do danych: Wszechświat o ciemnej energii. Po raz pierwszy odkryto to za pomocą obserwacji odległych supernowych. Źródło zdjęcia: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Lata 90. - Jeśli pomyślałeś, że ciemna materia i odkrycie, jak powstał wszechświat, było wielką sprawą, możesz sobie tylko wyobrazić, jak wielkim szokiem było odkrycie, jak wszechświat się skończy! Historycznie wyobrażaliśmy sobie trzy możliwe losy:

  • Że ekspansja Wszechświata byłaby niewystarczająca, aby przezwyciężyć przyciąganie grawitacyjne wszystkiego, a Wszechświat zapadłby się w wielkim chrupnięciu.
  • Że ekspansja Wszechświata byłaby zbyt wielka dla połączonej grawitacji wszystkiego, a wszystko we Wszechświecie uciekłoby od siebie, powodując Wielkie Zamrożenie.
  • Albo że znajdowalibyśmy się na granicy między tymi dwoma przypadkami, a tempo ekspansji asymptotycznie wynosiłoby zero, ale nigdy go całkowicie nie osiągnęłoby: Krytyczny Wszechświat.

Zamiast tego odległe supernowe wskazały, że ekspansja Wszechświata przyspiesza i że wraz z upływem czasu odległe galaktyki zwiększały swoją prędkość od siebie. Wszechświat nie tylko zamarznie, ale wszystkie galaktyki, które nie są już ze sobą powiązane, ostatecznie znikną poza naszym kosmicznym horyzontem. Poza galaktykami w naszej lokalnej grupie, żadne inne galaktyki nigdy nie spotkają naszej Drogi Mlecznej, a nasz los będzie naprawdę zimny, samotny. Za kolejne 100 miliardów lat nie będziemy w stanie zobaczyć żadnych galaktyk poza naszą własną.

Wahania tła kosmicznej mikrofalówki zostały najpierw dokładnie zmierzone za pomocą COBE w latach 90., a następnie dokładniej za pomocą WMAP w 2000 r. I Planck (powyżej) w 2010 r. Ten obraz koduje ogromną ilość informacji o wczesnym Wszechświecie. Zdjęcie: ESA i Planck Collaboration.

2000s - Odkrycie Kosmicznego Tła Mikrofalowego nie zakończyło się w 1965 roku, ale nasze pomiary fluktuacji (lub niedoskonałości) w resztkowym blasku Wielkiego Wybuchu nauczyły nas czegoś fenomenalnego: dokładnie z czego powstał Wszechświat. Dane z COBE zostały zastąpione przez WMAP, co z kolei zostało ulepszone przez Planck. Ponadto dane na temat struktury na dużą skalę z badań dużych galaktyk (takich jak 2dF i SDSS) oraz dane odległych supernowych połączyły się, aby dać nam nasz nowoczesny obraz Wszechświata:

  • 0,01% promieniowania w postaci fotonów,
  • 0,1% neutrina, które nieznacznie przyczyniają się do aureoli grawitacyjnych otaczających galaktyki i gromady,
  • 4,9% normalnej materii, która obejmuje wszystko wykonane z cząstek atomowych,
  • 27% ciemnej materii lub tajemniczych, niedziałających (oprócz grawitacyjnych) cząstek, które nadają Wszechświatowi strukturę, którą obserwujemy,
  • i 68% ciemnej energii, która jest nieodłącznym elementem samej przestrzeni.
Układy Kepler-186, Kepler-452 i nasz Układ Słoneczny. Podczas gdy planeta wokół gwiazdy czerwonego karła, takiej jak Kepler-186, jest interesująca sama w sobie, Kepler-452b może być znacznie bardziej podobny do Ziemi pod wieloma względami. Źródło zdjęcia: NASA / JPL-CalTech / R. Ból.

2010s - Dekada jeszcze się nie skończyła, ale jak dotąd odkryliśmy nasze pierwsze potencjalnie podobne do Ziemi planety mieszkalne, wśród tysięcy nowych egzoplanet odkrytych między innymi przez misję Kepler NASA. Prawdopodobnie nie jest to nawet największe odkrycie tej dekady, ponieważ bezpośrednie wykrywanie fal grawitacyjnych z LIGO nie tylko potwierdza obraz, który Einstein po raz pierwszy namalował, grawitację, w 1915 roku. Ponad sto lat po tym, jak teoria Einsteina po raz pierwszy konkurowała wraz z Newtonem, aby zobaczyć, jakie były reguły grawitacyjne Wszechświata, ogólna teoria względności przeszła każdy rzucony na nią test, osiągając najmniejsze zawiłości, jakie kiedykolwiek zmierzono lub zaobserwowano.

Ilustracja dwóch łączących się czarnych dziur, o masie porównywalnej do tego, co widział LIGO. Oczekuje się, że sygnał elektromagnetyczny emitowany przez takie połączenie powinien być bardzo niewielki, ale obecność silnie nagrzanej materii otaczającej te obiekty może to zmienić. Źródło zdjęcia: SXS, projekt Simulation eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

Historia naukowa jeszcze się nie skończyła, ponieważ jest jeszcze o wiele więcej Wszechświata do odkrycia. Jednak te 11 kroków zabrało nas z Wszechświata o nieznanym wieku, nie większego od naszej własnej galaktyki, złożonej głównie z gwiazd, do rozszerzającego się, chłodzącego Wszechświata zasilanego przez ciemną materię, ciemną energię i naszą normalną materię, obfitującą w potencjalnie nadające się do zamieszkania planety, które mają 13,8 miliarda lat, a pochodzą z Wielkiego Wybuchu, który sam został utworzony przez kosmiczną inflację. Znamy pochodzenie naszego Wszechświata, jego los, jak dziś wygląda i jak do tego doszło. Niech kolejne 100 lat przyniesie nam tyle samo postępów naukowych, rewolucji i niespodzianek.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.