SDSS-udsigten i den infrarøde - med APOGEE - af Mælkevejen galaksen set mod midten. For 100 år siden var dette vores opfattelse af hele universet. Billedkredit: Sloan Digital Sky Survey.

11 Videnskabelige fremskridt i de sidste 100 år gav os hele vores univers

Fra et univers, der ikke gik større end vores Mælkevej til billioner af galakser i vores ekspanderende univers, steg vores viden et trin ad gangen.

”Gamow var fantastisk i sine ideer. Han havde ret, han tog fejl. Oftere forkert end rigtigt. Altid interessant; ... og da hans idé ikke var forkert, var den ikke kun rigtig, den var ny. ” -Edward Teller

For præcis 100 år siden var vores opfattelse af universet meget anderledes end det er i dag. Stjernerne inden for Mælkevejen var kendte og blev kendt for at være i afstande op til tusinder af lysår væk, men intet blev antaget at være længere. Universet blev antaget at være statisk, da spiraler og elliptikere på himlen blev antaget at være genstande indeholdt i vores egen galakse. Newtons tyngdekraft var stadig ikke blevet styrtet af Einsteins nye teori, og videnskabelige ideer som Big Bang, mørk stof og mørk energi var ikke engang blevet gennemtænkt endnu. Men i løbet af hvert årti blev der gjort store fremskridt, helt op til i dag. Her er et højdepunkt, hvordan hver enkelt bevægede vores videnskabelige forståelse af universet fremad.

Resultaterne af Eddington-ekspeditionen fra 1919 viste endeligt, at den generelle relativitetsteori beskrev bøjning af stjernelys omkring massive genstande og styrtede det newtonske billede. Billedkredit: The Illustrated London News, 1919.

1910'erne - Einsteins teori blev bekræftet! Generel relativitet var berømt for at have forklaret, at Newtons tyngdekraft ikke kunne: præcessionen af ​​Merkurius bane omkring solen. Men det er ikke nok for en videnskabelig teori at forklare noget, vi allerede har observeret; den skal foretage en forudsigelse om noget, der endnu ikke er set. Mens der har været mange i det forløbne århundrede - tyngdepunktudvidelse, stærk og svag linse, rammetrækning, gravitationsrødskift osv. - var den første bøjning af stjernelys under en total solformørkelse, der blev observeret af Eddington og hans kolleger i 1919. Den observerede mængde bøjning af stjernelys omkring solen var i overensstemmelse med Einstein og var uoverensstemmende med Newton. Ligesom det ville vores syn på universet ændre sig for evigt.

Hubbles opdagelse af en Cepheid-variabel i Andromeda-galaksen, M31, åbnede universet for os. Billedkredit: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay og Hubble Heritage Team. Billedkredit: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay og Hubble Heritage Team.

1920'erne - Vi vidste stadig ikke, at der var et univers derude ud over Mælkevejen, men at alt ændrede sig i 1920'erne med arbejdet med Edwin Hubble. Mens han observerede nogle af spiralnebularerne på himlen, var han i stand til at fastlægge individuelle, variable stjerner af samme type, som var kendt i Mælkevejen. Kun deres lysstyrke var så lav, at de var nødt til at være millioner af lysår væk, og placere dem langt uden for vores galakse. Hubble stoppede ikke der, og målte recessionens hastighed og afstande i over et dusin galakser og opdagede det enorme, ekspanderende univers, vi kender i dag.

De to lyse, store galakser i midten af ​​Coma Cluster, NGC 4889 (venstre) og den lidt mindre NGC 4874 (til højre), overstiger hver en million lysår i størrelse. Men galakserne i udkanten, der glider rundt så hurtigt, peger på eksistensen af ​​en stor glorie af mørkt stof gennem hele klyngen. Billedkredit: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona.

1930'erne - Man troede i lang tid, at hvis du kunne måle al den masse, der var indeholdt i stjerner, og måske tilføje gas og støv, ville du redegøre for alt stoffet i universet. Men ved at observere galakserne inden for en tæt klynge (som Komaklyngen ovenfor) viste Fritz Zwicky, at stjerner og hvad vi kender som "normal materie" (dvs. atomer) ikke var tilstrækkelige til at forklare de interne bevægelser i disse klynger. Han kaldte denne nye sag dunkle materie, eller mørk stof, en observation, der stort set blev ignoreret indtil 1970'erne, hvor normal stof blev bedre forstået, og mørk stof blev vist at eksistere i stor overflod i individuelle, roterende galakser. Vi ved det nu for at overgå normal sag med et forhold på 5: 1.

Tidslinjen for vores observerbare universets historie, hvor den observerbare del udvides til større og større størrelser, når vi bevæger os fremad i tiden væk fra Big Bang. Billedkredit: NASA / WMAP videnskabsteam.

1940'erne - Mens langt de fleste eksperimentelle og observationsressourcer gik til spionsatellitter, raketri og udvikling af nuklear teknologi, var teoretiske fysikere stadig hårdt arbejde. I 1945 foretog George Gamow den ultimative ekstrapolering af det ekspanderende univers: hvis universet ekspanderer og afkøles i dag, må det have været varmere og tættere i fortiden. Når man går baglæns, må der have været en tid, hvor det var så varmt og tæt, at neutrale atomer ikke kunne dannes, og før det, hvor atomkerner ikke kunne dannes. Hvis dette var sandt, skulle det materiale universet begyndte med, inden nogen stjerne nogensinde er dannet, have et specifikt forhold mellem de letteste elementer, og der burde være en resterende glød, der gennemsyrer alle retninger i universet bare et par grader over absolut nul i dag . Denne ramme er i dag kendt som Big Bang, og var den største idé at komme ud i 1940'erne.

Denne udskårne viser de forskellige områder af solens overflade og det indre, herunder kernen, som er, hvor kernefusion finder sted. Processen med fusion i sollignende stjerner såvel som dens mere massive fætre er det, der gør det muligt for os at opbygge de tunge elementer, der findes i hele universet i dag. Billedkredit: Wikimedia Commons bruger Kelvinsong.

1950'erne - Men en konkurrerende idé til Big Bang var Steady State-modellen, fremsat af Fred Hoyle og andre i samme tid. Spektakulært argumenterede begge sider for, at alle de tungere elementer, der findes på Jorden i dag, blev dannet i et tidligere stadie af universet. Hvad Hoyle og hans samarbejdspartnere argumenterede for var, at de ikke blev skabt i en tidlig, varm og tæt tilstand, men snarere i tidligere generationer af stjerner. Hoyle sammen med samarbejdspartnere Willie Fowler og Geoffrey og Margaret Burbidge detaljerede præcist, hvordan elementer ville blive opbygget det periodiske system fra kernefusion, der forekommer i stjerner. Mest spektakulært forudsagde de heliumfusion til kulstof gennem en proces, der aldrig før blev observeret: triple-alfa-processen, der krævede en ny tilstand af kulstof til at eksistere. Denne tilstand blev opdaget af Fowler få år efter, at den blev foreslået af Hoyle, og er i dag kendt som Hoyle-staten kulstof. Fra dette lærte vi, at alle de tunge elementer, der findes på Jorden i dag skylder deres oprindelse til alle de tidligere generationer af stjerner.

Hvis vi kunne se mikrobølgelys, ville nattehimmelen se ud som den grønne oval ved en temperatur på 2,7 K, med

1960'erne - Efter ca. 20 års forhandling blev den nøgleobservation, der bestemte universets historie, afsløret: opdagelsen af ​​den forudsagte restglød fra Big Bang eller den kosmiske mikrobølgebakgrund. Denne ensartede stråling på 2.725 K blev opdaget i 1965 af Arno Penzias og Bob Wilson, som ingen af ​​dem indså, hvad de oprindeligt havde opdaget. Med tiden blev det fulde, sorte kropsspektrum af denne stråling og endda dens udsving målt, hvilket viser os, at universet trods alt startede med et ”smell”.

Universets tidligste faser før Big Bang er det, der opstiller de oprindelige betingelser, som alt, hvad vi ser i dag, har udviklet sig fra. Dette var Alan Guths store idé: kosmisk inflation. Billedkredit: E. Siegel, med billeder afledt af ESA / Planck og DoE / NASA / NSF interagency taskforce på CMB-forskning.

1970'erne - I slutningen af ​​1979 havde en ung videnskabsmand ideen om en levetid. Alan Guth, på udkig efter en måde at løse nogle af de uforklarlige problemer med Big Bang - hvorfor universet var så rumligt fladt, hvorfor det var den samme temperatur i alle retninger, og hvorfor der ikke var nogen relæer med ultrahøj energi - kom på en idé kendt som kosmisk inflation. Det siger, at før universet eksisterede i en varm, tæt tilstand, var det i en tilstand af eksponentiel ekspansion, hvor al energien var bundet op i selve rummet. Det krævede en række forbedringer af Guths oprindelige ideer for at skabe den moderne teori om inflation, men efterfølgende observationer - inklusive af udsvingene i CMB, af universets store struktur og af, hvordan galakser klumper sig sammen, klynger og form - alle har stadfæstet inflationens forudsigelser. Ikke kun begyndte vores univers med et smell, men der var en tilstand, der eksisterede, før den varme Big Bang nogensinde opstod.

Resten af ​​supernova 1987a, der ligger i den store magellanske sky omkring 165.000 lysår væk. Det var den nærmeste observerede supernova på Jorden i mere end tre århundreder. Billedkredit: Noel Carboni og ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

1980'erne - Det ser måske ikke meget ud, men i 1987 forekom den nærmeste supernova til Jorden i over 100 år. Det var også den første supernova, der opstod, da vi havde detektorer online, der var i stand til at finde neutrinoer fra disse begivenheder! Selvom vi har set en hel del supernovaer i andre galakser, havde vi aldrig før haft en forekommet så tæt, at neutrinoer derfra kunne observeres. Disse 20-eller-så neutrinoer markerede begyndelsen på neutrinoastronomi, og efterfølgende udvikling har siden ført til opdagelsen af ​​neutrino-svingninger, neutrino-masser og neutrinoer fra supernovaer, der forekommer mere end en million lysår væk. Hvis de nuværende detektorer, der er på plads, stadig er i drift, vil den næste supernova i vores galakse have over hundrede tusind neutrinoer registreret fra den.

Universets fire mulige skæbner, med det nederste eksempel, der passer bedst til dataene: et univers med mørk energi. Dette blev først afsløret med fjerne supernovaobservationer. Billedkredit: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

1990'erne - Hvis du troede, at mørk materie og opdagelse af, hvordan universet begyndte var en big deal, kan du kun forestille dig, hvilket chok det var i 1998 at opdage, hvordan universet skulle ende! Vi forestilte os historisk tre mulige skæbner:

  • At udvidelsen af ​​universet ikke ville være tilstrækkelig til at overvinde alles gravitationstrækning, og universet ville genfortolke sig i en stor knas.
  • At udvidelsen af ​​universet ville være for stor til alt sammen kombineret gravitation, og alt i universet ville løbe væk fra hinanden, hvilket resulterede i en Big Freeze.
  • Eller at vi ville være lige på grænsen mellem disse to sager, og ekspansionshastigheden ville være asymptot til nul, men aldrig helt nå det: et kritisk univers.

I stedet for antydede fjerne supernovaer, at universets udvidelse accelererede, og at med tiden blev fjernede galakser øget deres hastighed væk fra hinanden. Ikke kun universet fryser, men alle galakser, der ikke allerede er bundet til hinanden, vil til sidst forsvinde ud over vores kosmiske horisont. Bortset fra galakserne i vores lokale gruppe, vil ingen andre galakser nogensinde støde på vores Mælkevej, og vores skæbne vil faktisk være en kold, ensom en. Om yderligere 100 milliarder år kan vi ikke se nogen galakser ud over vores egne.

Svingningerne i den kosmiske mikrobølgebakgrund blev først målt nøjagtigt af COBE i 1990'erne, derefter mere præcist af WMAP i 2000'erne og Planck (ovenfor) i 2010'erne. Dette billede koder for en enorm mængde information om det tidlige univers. Billedkredit: ESA og Planck-samarbejdet.

2000'erne - Opdagelsen af ​​den kosmiske mikrobølgebakgrund sluttede ikke i 1965, men vores målinger af svingningerne (eller ufuldkommenheder) i Big Bangs resterende glød lærte os noget fænomenalt: nøjagtigt hvad universet var lavet af. Data fra COBE blev erstattet af WMAP, som igen er forbedret af Planck. Derudover er store strukturdata fra store galakseundersøgelser (som 2dF og SDSS) og fjerne supernova-data alt sammen for at give os vores moderne billede af universet:

  • 0,01% stråling i form af fotoner,
  • 0,1% neutrinoer, der nogensinde bidrager så lidt til de tyngdepunktshaloer, der omgiver galakser og klynger,
  • 4,9% normalt stof, der inkluderer alt, der er lavet af atompartikler,
  • 27% mørkt stof eller de mystiske, ikke-interagerende (undtagen gravitationsmæssigt) partikler, der giver universet den struktur, vi observerer,
  • og 68% mørk energi, som er iboende i selve rummet.
Systemerne i Kepler-186, Kepler-452 og vores solsystem. Mens planeten omkring en rød dværgstjerne som Kepler-186 er interessant i deres egne rettigheder, er Kepler-452b muligvis langt mere jordlignende af et antal målinger. Billedkredit: NASA / JPL-CalTech / R. Gøre ondt.

2010'erne - Tiåret er endnu ikke ude, men indtil videre har vi allerede opdaget vores første potentielt jordlignende beboelige planeter, blandt de tusinder og tusinder af nye eksoplaneter, der blev opdaget af NASAs Kepler-mission, blandt andre. Alligevel er det tvivlsomt ikke engang årtiets største opdagelse, da den direkte detektion af tyngdekraftsbølger fra LIGO ikke kun bekræfter det billede, som Einstein først malede, af tyngdekraften, tilbage i 1915. Mere end et århundrede efter Einsteins teori først konkurrerede sammen med Newtons for at se, hvad universets tyngdekraftsregler var, har den generelle relativitet bestået hver test, der er kastet mod det, og nået til de mindste forviklinger nogensinde målt eller observeret.

Illustration af to sorte huller, der smelter sammen, med sammenlignelig masse som det, LIGO har set. Forventningen er, at der burde være meget lidt i vejen for et elektromagnetisk signal, der udsendes fra en sådan fusion, men tilstedeværelsen af ​​stærkt opvarmet stof omkring disse genstande kunne ændre det. Billedkredit: SXS, projektet Simulating eXtreme Spac times (SXS) (http://www.black-holes.org).

Den videnskabelige historie er endnu ikke færdig, da der stadig er så meget mere af universet at opdage. Alligevel har disse 11 trin ført os fra et univers i ukendt alder, ikke større end vores egen galakse, der hovedsageligt består af stjerner, til et ekspanderende, afkøling univers, drevet af mørkt stof, mørk energi og vores egen normale stof, vrimler af potentielt beboelig planeter, og de er 13,8 milliarder år gamle, med oprindelse i en Big Bang, som i sig selv blev oprettet af kosmisk inflation. Vi kender vores universets oprindelse, det er skæbnen, hvordan det ser ud i dag, og hvordan det blev sådan. Må de næste 100 år indeholde lige så mange videnskabelige fremskridt, revolutioner og overraskelser for os alle.

Starts With A Bang er nu på Forbes og genudgivet på Medium takket være vores Patreon-tilhængere. Ethan har skrevet to bøger, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive.