För exakt 100 år sedan var vårt koncept om universum väldigt annorlunda än idag. Människor visste om stjärnorna i Vintergatan och visste om avstånden till dem, men ingen visste vad som låg bakom dem. Universum ansågs statiskt, spiraler och ellipser på himlen ansågs vara objekt i vår egen galax. Newtons tyngdkraft överträffades ännu inte av Einsteins nya teori, och vetenskapliga idéer som Big Bang, mörk materia och mörk materia hördes inte. Men sedan, bokstavligen vart årtionde, började genombrott efter genombrott inträffa och så vidare fram till idag. Det här är Ethan Siegel's Medium.com-krönika om hur vår förståelse av universum har förändrats under de senaste hundra åren.
Resultaten från Eddington-expeditionen 1919 visade att allmän relativitet beskriver krökning av stjärnljus nära massiva föremål.
1910-talet: Einsteins teori bekräftas. Allmän relativitetsteori blev känd för att ge förutsägelser som Newtons teori inte kunde ge: nedtryckningen av Merkurius bana runt solen. Men det räckte inte för en vetenskaplig teori att helt enkelt förklara något som vi redan har observerat; hon var tvungen att ge förutsägelser om vad vi ännu inte hade sett. Även om det har förekommit många under de senaste hundra åren - tyngdkraftsutvidgning, stark och svag linsing, gravitationell rödförskjutning och så vidare - den första var krökningen av stjärnljus under en total solförmörkelse, som Eddington och hans kollegor observerade 1919. Ljusets krökningshastighet runt solen överensstämde med Einsteins förutsägelser och inte i överensstämmelse med Newtons teori. Sedan dess har vår förståelse av universum förändrats för alltid.
Hubbles upptäckt av variabeln Cepheid i Andromedagalaxen, M31, öppnade universum för oss
1920-talet. Vi visste ännu inte att det fanns ett universum bortom Vintergatan, men att allt förändrades på 1920-talet med Edwin Hubbles arbete. Genom att observera några spiralnebuler på himlen kunde han hitta enskilda variabla stjärnor av samma typ som är kända i Vintergatan. Bara deras ljusstyrka var så låg att den direkt angav miljontals ljusår mellan oss och placerade dem långt utanför gränserna för vår galax. Hubble stannade inte där. Han mätte recessionstakten och avståndet mellan dussintals galaxer och utvidgade avsevärt gränserna för det kända universum.
Två ljusstora galaxer i mitten av Coma-klustret, NGC 4889 (vänster) och något mindre NGC 4874 (höger), är vardera över en miljon ljusår i storlek. En enorm mörk materiehalo antas löpa genom hela klustret.
1930-talet. Man har länge tänkt att om man kunde mäta all massa som finns i stjärnor och kanske lägga till gas och damm, kan man räkna all materia i universum. Fritz Zwicky visade emellertid att galaxer i ett tätt kluster (som Coma-klustret) visade att stjärnor och så kallad "vanlig materia" (dvs. atomer) inte räcker för att förklara den inre rörelsen hos dessa kluster. Han kallade den nya materien mörk materia (dunkle materie), och hans observationer ignorerades till stor del fram till 1970-talet. Sedan studerade de vanlig materia bättre och det visade sig att det finns ganska mycket mörk materia i enskilda roterande galaxer. Nu vet vi att mörk materia är fem gånger mer massiv än vanlig materia.
1940-talet. Även om de flesta experimentella och observationsresurser gick till spaningsatelliter, raketteknik och kärnteknisk utveckling, fortsatte teoretiska fysiker att arbeta outtröttligt. 1945 skapade Georgy Gamow en fullständig extrapolering av det expanderande universum: om universum expanderar och svalnar idag borde det ha varit tätare och hetare någon gång tidigare. Därför var det en gång i det förflutna en tid då universum var för heta och neutrala atomer inte kunde bildas, och innan det kunde atomkärnor inte bildas. Om detta är så började frågan om universum med de lättaste elementen innan några stjärnor bildades, och i vår tid kan man observera efterglödet av den temperaturen i alla riktningar - bara några grader över absolut noll. Idag är denna teori känd som Big Bang-teorin.och på 1940-talet visste de inte ens hur underbar hon är.
Kampanjvideo:
1950-talet. En rivaliserande idé med Big Bang-hypotesen var den stationära modellen av universum som Fred Hoyle och andra framförde. Det är betydelsefullt att båda sidor hävdade att alla tunga element som finns på jorden idag bildades i det tidiga universum. Hoyle och hans kollegor hävdade att de inte gjordes i ett tidigt, hett och tätt tillstånd utan snarare i tidigare generationer av stjärnor. Hoyle, tillsammans med kollegorna Willie Fowler och Margaret Burbidge, förklarade i detalj hur elementen ställer upp det periodiska systemet under kärnfusion i stjärnor. Märkligt nog förutspådde de syntesen av kol från helium i en process som vi aldrig hade sett tidigare: en trippel alfa-process som kräver ett nytt tillstånd av kol att existera. Detta tillstånd upptäcktes av Fowler flera år efter Hoyles ursprungliga förutsägelse och är idag känt som Hoyle-koltillståndet. Så vi fick reda på att alla tunga element som finns på jorden är skyldiga alla tidigare generationer av stjärnor.
Om vi kunde se mikrovågsljus skulle natthimlen se ut som en grön oval med en temperatur på 2,7 Kelvin, med "ljud" i mitten från heta bidrag från vårt galaktiska plan. Denna enhetliga strålning med ett svart kroppsspektrum indikerar efterglödet av Big Bang: detta är den kosmiska mikrovågsbakgrunden
1960-talet. Efter 20 års diskussion gjordes en nyckelobservation som skulle avgöra universums historia: upptäckten av den förutsagda efterglöd från Big Bang eller den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Denna enhetliga strålning med en temperatur på 2,725 Kelvin upptäcktes 1965 av Arno Penzias och Bob Wilson, ingen av dem visste omedelbart vad de hade snubblat över. Först med tiden mättes det svarta kroppsspektrumet för denna strålning och dess fluktuationer och visade att vårt universum började med en "explosion".
Universums tidigaste fas, redan före Big Bang, fastställde alla de ursprungliga förutsättningarna för allt vi ser idag. Det var Alan Guths stora idé: kosmisk inflation
1970-taletI slutet av 1979 kläckte den unga forskaren sin idé. Alan Guth letade efter ett sätt att lösa några av de oförklarliga problemen med Big Bang - varför universum är så platt i rymden, varför det är samma temperatur i alla riktningar och varför det inte finns några reliker av de högsta energierna i det - och kom på idén om kosmisk inflation. Enligt denna idé fanns det ett tillstånd av exponentiell expansion innan universum gick in i ett hett tätt tillstånd när all energi var inneboende i själva rymdens struktur. Det krävdes flera förfiningar av Guths ursprungliga idéer för att bilda den moderna inflationsteorin, men efterföljande observationer - inklusive fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrunden - har bekräftat dess förutsägelser. Universum började inte bara med en explosion, men det hade också ett annat speciellt tillstånd redan innan Big Bang hände.
Resterna av supernova 1987a ligger i det stora magellanska molnet, 165 000 ljusår bort. I över tre hundra århundraden var det den närmaste supernova som observerats Jorden.
1980-talet. Det kan tyckas att inget allvarligt hände, men det var 1987 som närmaste supernova observerades från jorden. Detta händer var hundra år. Det var också den första supernova som hände när vi hade detektorer som kunde upptäcka neutrino från sådana händelser. Även om vi har sett många supernovor i andra galaxer, har vi aldrig observerat dem tillräckligt nära för att bevittna neutriner från dem. Dessa cirka 20 neutriner markerade början på neutrino-astronomi och efterföljande utveckling som ledde till neutrino-svängningar, upptäckt av neutrino-massor och neutrino-neutrinoer från supernovor som förekommer i galaxer som är miljontals ljusår borta. Om våra moderna detektorer fungerade vid rätt tidpunkt skulle nästa supernovaexplosion tillåta att hundratusentals neutriner fångas.
Fyra möjliga öden i universum, varav det sista passar bäst i data: Ett universum med mörk energi. Det upptäcktes först tack vare observationer av avlägsna supernovor
1990-talet. Om du trodde att mörk materia och upptäckten av universums början var stora upptäckter, föreställ dig chocken 1998 när de upptäckte att universum var på väg att ta slut. Historiskt har vi föreställt oss tre möjliga öden:
- Utvidgningen av universum kommer inte att räcka för att övervinna gravitationsattraktionen för allt och alla, och universum kommer att komma tillbaka igen i den stora kompressionen
- Universums expansion kommer att bli för mycket, och allt som förenas av tyngdkraften kommer att spridas och universum kommer att frysa
- Antingen kommer vi att befinna oss vid gränsen till dessa två resultat och expansionshastigheten kommer asymptotiskt att vara noll, men aldrig nå det: Critical Universe
Istället har emellertid avlägsna supernovor visat att universums expansion expanderar och att med tiden går avlägsna galaxer snabbare och snabbare från varandra. Universum kommer inte bara att frysa, utan alla galaxer som inte är bundna till varandra försvinner så småningom bortom vår kosmiska horisont. Förutom galaxerna i vår lokala grupp kommer inga galaxer att möta Vintergatan, och vårt öde kommer att vara kallt och ensamt. Om 100 miljarder år ser vi inga andra galaxer än våra.
2000-talet. Våra mätningar av fluktuationer (eller brister) i efterglödet efter Big Bang lärde oss otroliga saker: vi lärde oss exakt vad universum består av. COBE-data ersatte WMAP-data, som i sin tur förbättrades av Planck. Sammantaget har data från storskaliga strukturer från stora galaxundersökningar (som 2dF och SDSS) och data från avlägsna supernovor gett oss en modern bild av universum:
- 0,01% strålning i form av fotoner, - 0,1% neutriner, som lätt bidrar till gravitationella halor som omger galaxer och kluster, - 4,9% av vanligt material, som inkluderar allt som består av atompartiklar, - 27% mörk materia eller mystiska, icke-interagerande (andra än gravitationsmässigt) partiklar som ger universum den struktur som vi observerar, - 68% mörk energi, vilket är inneboende i själva rymden.
2010-th. Detta årtionde är inte över ännu, men vi har redan hittat våra första potentiellt beboeliga jordliknande planeter (om än väldigt avlägset), bland de tusentals och tusentals nya exoplaneter som upptäcktes av NASA: s Kepler-uppdrag. Det här är kanske inte den största upptäckten under årtiondet, eftersom LIGO: s direkta detektering av gravitationsvågor bekräftade bilden Einstein drog tillbaka 1915. Mer än ett sekel efter att Einsteins teori först utmanade Newton har allmän relativitet gått igenom alla prövningar och tester den erbjöds.
Vetenskaplig historia skrivs fortfarande, och det finns fortfarande mycket att upptäcka i universum. Men de 11 stegen tog oss ut ur ett universum av okänd ålder, inte större än vår galax, mestadels består av stjärnor, till ett expanderande, kylande universum som styrs av mörk materia, mörk energi och vår vanliga materia. Den har många potentiellt beboeliga planeter, den är 13,8 miljarder år gammal, och den började med Big Bang, som själv strömmade ut ur kosmisk inflation. Vi lärde oss om universums ursprung, om dess öde, om utseende, struktur och storlek - och allt över 100 år. Kanske kommer de närmaste 100 åren vara fulla av överraskningar som vi inte ens kan föreställa oss.
Ilya Khel
