For nøyaktig 100 år siden var vårt konsept med universet veldig annerledes enn i dag. Folk visste om stjernene i Melkeveien og visste om avstandene til dem, men ingen visste hva som lå bak dem. Universet ble ansett som statisk, spiraler og ellipser på himmelen ble ansett som gjenstander i vår egen galakse. Newtons tyngdekraft ble ennå ikke overgått av Einsteins nye teori, og vitenskapelige ideer som Big Bang, mørk materie og mørk materie ble ikke hørt. Men så, bokstavelig talt hvert tiår, begynte gjennombrudd etter gjennombrudd, og så videre til i dag. Dette er Ethan Siegel's Medium.com-kronikk om hvordan vår forståelse av universet har endret seg de siste hundre årene.
Resultatene fra Eddington-ekspedisjonen i 1919 viste at generell relativitetsteori beskriver krumning av stjernelys nær massive gjenstander.
1910-tallet: Einsteins teori blir bekreftet. Generell relativitetsteori ble kjent for å gi spådommer som Newtons teori ikke kunne gi: nedgangen til Merkurius 'bane rundt solen. Men det var ikke nok for en vitenskapelig teori å bare forklare noe vi allerede hadde observert; hun måtte gi spådommer om det vi ennå ikke hadde sett. Selv om det har vært mange de siste hundre årene - utvidelse av gravitasjonstiden, sterk og svak linse, gravitasjonsredskift og så videre - den første var krumningen av stjernelys under en total solformørkelse, som Eddington og hans kolleger observerte i 1919. Hastigheten på lysets krumning rundt solen var i samsvar med Einsteins spådommer og ikke i samsvar med Newtons teori. Siden den gang har vår forståelse av universet endret seg for alltid.
Hubbles oppdagelse av variabelen Cepheid i Andromeda-galaksen, M31, åpnet universet for oss
1920-tallet. Vi visste ennå ikke at det var et univers utenfor Melkeveien, men at alt forandret seg på 1920-tallet med Edwin Hubble. Ved å observere noen spiralnebler på himmelen, var han i stand til å finne individuelle variable stjerner av samme type som er kjent i Melkeveien. Bare lysstyrken deres var så lav at den direkte angav millionene lysår mellom oss, og plasserte dem langt utenfor grensene til vår galakse. Hubble stoppet ikke der. Han målte frekvensen av lavkonjunktur og avstanden til dusinvis av galakser, og utvidet grensene for det kjente universet betydelig.
To lyse store galakser i midten av Coma-klyngen, NGC 4889 (til venstre) og litt mindre NGC 4874 (til høyre), er hver over en million lysår i størrelse. En enorm mørk materie-glorie antas å løpe gjennom hele klyngen.
1930-tallet. Det har lenge vært tenkt at hvis du kunne måle all massen i stjernene, og kanskje tilsette gass og støv, kunne du telle all materien i universet. Imidlertid, ved å observere galakser i en tett klynge (som Coma-klyngen), viste Fritz Zwicky at stjerner og såkalt "vanlig materie" (dvs. atomer) ikke er nok til å forklare den interne bevegelsen til disse klyngene. Han kalte den nye saken mørk materie (dunkle materie), og frem til 1970-tallet ble observasjonene hans stort sett ignorert. Så studerte de vanlig materie bedre, og det viste seg at det er ganske mye mørkt materiale i individuelle roterende galakser. Nå vet vi at mørk materie er 5 ganger mer massiv enn vanlig materie.
1940-tallet. Selv om de fleste eksperimentelle og observasjonsmessige ressurser gikk til rekognosering av satellitter, rakettteknikk og kjerneteknologi, fortsatte teoretiske fysikere å jobbe utrettelig. I 1945 opprettet Georgy Gamow en fullstendig ekstrapolering av det ekspanderende universet: hvis universet utvides og avkjøles i dag, burde det ha vært tettere og varmere en gang i fortiden. Derfor, en gang i fortiden var det en tid da universet var for varmt og nøytrale atomer ikke kunne dannes, og før det kunne ikke atomkjerner dannes. Hvis dette er tilfelle, begynte saken om universet før dannelsen av noen stjerner med de letteste elementene, og i vår tid kan man observere etterglødet til den temperaturen i alle retninger - bare noen få grader over absolutt null. I dag er denne teorien kjent som Big Bang-teorien.og på 1940-tallet visste de ikke engang hvor nydelig hun er.
Kampanjevideo:
1950-tallet. En rivaliserende ide med Big Bang-hypotesen var den stasjonære modellen av universet som ble fremsatt av Fred Hoyle og andre. Det er viktig at begge sider hevdet at alle de tunge elementene som er tilstede på jorden i dag ble dannet i det tidlige universet. Hoyle og hans kolleger hevdet at de ikke ble laget i en tidlig, varm og tett tilstand, men snarere i tidligere generasjoner av stjerner. Hoyle, sammen med kollegaene Willie Fowler og Margaret Burbidge, forklarte i detalj hvordan elementene ordner det periodiske systemet under kjernefusjon i stjerner. Merkelig nok spådde de syntesen av karbon fra helium i en prosess vi aldri hadde sett før: en trippel alfa-prosess som krever at en ny tilstand av karbon skal eksistere. Denne tilstanden ble oppdaget av Fowler flere år etter Hoyles opprinnelige spådom og er i dag kjent som Hoyle karbonstatus. Så vi fant ut at alle tunge elementer som finnes på jorden skylder opprinnelsen til alle tidligere generasjoner av stjerner.
Hvis vi kunne se mikrobølge lys, ville nattehimmelen se ut som en grønn oval med en temperatur på 2,7 Kelvin, med "støy" i sentrum fra varme bidrag fra vårt galaktiske plan. Denne ensartede strålingen med et svart kroppsspektrum er en indikasjon på etterglødet til Big Bang: det er den kosmiske mikrobølgebakgrunnen.
1960-tallet. Etter 20 års diskusjon ble det gjort en nøkkelobservasjon som ville avgjøre universets historie: oppdagelsen av den forutsagte etterglødningen fra Big Bang, eller den kosmiske mikrobølgeovnens bakgrunn. Denne jevne strålingen med en temperatur på 2,725 Kelvin ble oppdaget i 1965 av Arno Penzias og Bob Wilson, ingen av dem visste umiddelbart hva de hadde snublet over. Bare med tiden ble svartkroppsspektret for denne strålingen og dens svingninger målt og viste at vårt univers begynte med en "eksplosjon".
Den tidligste fasen av universet, selv før Big Bang, la alle de opprinnelige forholdene for alt vi ser i dag. Det var Alan Guths store idé: kosmisk inflasjon
1970-talletHelt på slutten av 1979 klekket den unge forskeren ideen sin ut. Alan Guth lette etter en måte å løse noen av de uforklarlige problemene med Big Bang - hvorfor universet er så flatt i rommet, hvorfor det er den samme temperaturen i alle retninger, og hvorfor det ikke er relikvier av de høyeste energiene i det - og kom på ideen om kosmisk inflasjon. I følge denne ideen var det en tilstand av eksponentiell ekspansjon før universet gikk inn i en varm, tett tilstand, da all energien var iboende i selve rommet. Det tok flere forbedringer av Guths originale ideer for å danne den moderne teorien om inflasjon, men påfølgende observasjoner - inkludert svingninger i den kosmiske mikrobølgeovnens bakgrunn - har bekreftet dets spådommer. Ikke bare begynte universet med en eksplosjon, men det hadde også en annen spesiell tilstand allerede før dette Big Bang skjedde.
Supernova-rester 1987a ligger i den store magellanske skyen 165.000 lysår unna. I over tre hundre århundrer var det den nærmeste supernovaen som ble observert til jorden.
1980-tallet. Det kan se ut som om det ikke skjedde noe alvorlig, men det var i 1987 at nærmeste supernova ble observert fra jorden. Dette skjer en gang hvert hundre år. Det var også den første supernovaen som skjedde da vi hadde detektorer som kunne oppdage nøytrinoer fra slike hendelser. Selv om vi har sett mange supernovaer i andre galakser, har vi aldri observert dem nært nok til å være vitne til nøytrinoer fra dem. Disse 20 eller så nøytrinoene markerte begynnelsen på nøytrino-astronomi og påfølgende utvikling som førte til nøytrino-svingninger, påvisning av nøytrino-masser og nøytrino-nøytrinoer fra supernovaer som forekommer i galakser millioner av lysår unna. Hvis våre moderne detektorer fungerte til rett tid, ville neste supernovaeksplosjon tillatt hundretusener av nøytrinoer å bli fanget.
Fire mulige skjebner i universet, hvorav den siste passer best til dataene: Et univers med mørk energi. Den ble først oppdaget takket være observasjoner av fjerne supernovaer
1990-tallet. Hvis du trodde at mørk materie og oppdagelsen av begynnelsen av universet var store funn, kan du forestille deg sjokket i 1998 da de oppdaget at universet var i ferd med å ta slutt. Historisk sett har vi forestilt oss tre mulige skjebner:
- Utvidelsen av universet vil ikke være nok til å overvinne gravitasjonsattraksjonen til alt og alle, og universet vil trekke seg sammen igjen i Big Compression
- Utvidelsen av universet vil være for mye, og alt som forenes av tyngdekraften vil spre seg, og universet vil fryse
Enten vil vi befinne oss på grensen til disse to resultatene, og utvidelsesgraden vil asymptotisk ha en tendens til null, men aldri nå det: Critical Universe
I stedet har imidlertid fjerne supernovaer vist at utvidelsen av universet akselererer, og at etter hvert som tiden går, fjerner fjerne galakser seg raskere og raskere fra hverandre. Universet vil ikke bare fryse, men alle galakser som ikke er bundet til hverandre, vil til slutt forsvinne utenfor vår kosmiske horisont. Bortsett fra galaksene i vår lokale gruppe, vil ingen galakser møte Melkeveien, og skjebnen vår vil være kald og ensom. Om 100 milliarder år vil vi ikke se andre galakser enn vår.
2000-tallet. Våre målinger av svingninger (eller ufullkommenheter) i etterglødet av Big Bang lærte oss utrolige ting: vi lærte nøyaktig hva universet er laget av. COBE-dataene erstattet WMAP-dataene, som igjen ble forbedret av Planck. Samlet sett har data fra store strukturer fra store galakseundersøkelser (som 2dF og SDSS) og data fra fjerne supernovaer gitt oss et moderne bilde av universet:
- 0,01% stråling i form av fotoner, - 0,1% nøytrinoer, som bidrar lett til gravitasjonshaloene rundt galakser og klynger, - 4,9% av vanlig materie, som inkluderer alt som består av atompartikler, - 27% mørk materie, eller mystiske, ikke-interagerende (annet enn gravitasjonsmessig) partikler som gir universet den strukturen vi observerer, - 68% mørk energi, som er iboende i selve rommet.
2010. Dette tiåret er ikke over ennå, men vi har allerede funnet våre første potensielt beboelige jordlignende planeter (om enn veldig fjernt) blant tusenvis og tusen nye eksoplaneter oppdaget av NASAs Kepler-oppdrag. Dette er kanskje ikke den største oppdagelsen i tiåret, fordi LIGOs direkte deteksjon av gravitasjonsbølger bekreftet bildet Einstein tegnet tilbake i 1915. Mer enn et århundre etter at Einsteins teori først utfordret Newton, har generell relativitetsteori gått gjennom alle prøvelsene og testene den ble tilbudt.
Vitenskapelig historie skrives fortsatt, og det er fortsatt mye å oppdage i universet. Men de 11 trinnene førte oss ut av et univers av ukjent alder, ikke større enn vår galakse, hovedsakelig sammensatt av stjerner, til et ekspanderende, avkjølende univers styrt av mørk materie, mørk energi og vår vanlige materie. Den har mange potensielt beboelige planeter, den er 13,8 milliarder år gammel, og den begynte med Big Bang, som selv strømmet ut av kosmisk inflasjon. Vi lærte om universets opprinnelse, om dets skjebne, om utseende, struktur og størrelse - og alt over 100 år. Kanskje de neste 100 årene vil være fulle av overraskelser som vi ikke engang kan forestille oss.
Ilya Khel
