For nøjagtigt 100 år siden var vores koncept om universet meget forskelligt fra i dag. Folk vidste om stjernerne i Mælkevejen og vidste om afstande til dem, men ingen vidste hvad der lå bag dem. Universet blev betragtet som statisk, spiraler og ellipser på himlen blev betragtet som genstande i vores egen galakse. Newtons tyngdekraft blev endnu ikke overgået af Einsteins nye teori, og videnskabelige ideer som Big Bang, mørkt stof og mørkt stof blev ikke hørt. Men så, bogstaveligt talt hvert årti, begyndte gennembrud efter gennembrud at forekomme og så videre indtil i dag. Dette er Ethan Siegel's Medium.com-krønike om, hvordan vores forståelse af universet har ændret sig de sidste hundrede år.
Resultaterne af Eddington-ekspeditionen i 1919 viste, at generel relativitetsteori beskriver krumning af stjernelys nær massive genstande.
1910'erne: Einsteins teori er bekræftet. Generel relativitetsteori blev berømt for at give forudsigelser, som Newtons teori ikke kunne give: pressionen af Merkurius bane omkring Solen. Men det var ikke nok for en videnskabelig teori til simpelthen at forklare noget, som vi allerede havde observeret; hun var nødt til at give forudsigelser om, hvad vi endnu ikke havde set. Selv om der har været mange i de sidste hundrede år - tyngdetidstidsudvidelse, stærk og svag linse, tyngdekraftsredskift osv. - var den første krumning af stjernelys under en total solformørkelse, som Eddington og hans kolleger observerede i 1919. Hastigheden for lysets krumning omkring Solen var i overensstemmelse med Einsteins forudsigelser og ikke i overensstemmelse med Newtons teori. Siden da har vores forståelse af universet ændret sig for evigt.
Hubbles opdagelse af variablen Cepheid i Andromeda-galaksen, M31, åbnede universet for os
1920'erne. Vi vidste endnu ikke, at der var et univers ud over Mælkevejen, men at alt ændrede sig i 1920'erne med Edwin Hubbles arbejde. Ved at observere nogle spiralnebler på himlen var han i stand til at lokalisere individuelle variable stjerner af samme type, som var kendt på Mælkevejen. Kun deres lysstyrke var så lav, at det direkte angav de millioner af lysår mellem os, der placerede dem langt ud over grænserne for vores galakse. Hubble stoppede ikke der. Han målte recessionstakten og afstanden fra snesevis af galakser og udvidede markant grænserne for det kendte univers.
To lyse store galakser i midten af koma-klyngen, NGC 4889 (venstre) og lidt mindre NGC 4874 (højre), er hver over en million lysår i størrelse. En enorm glorie af mørkt stof antages at løbe gennem hele klyngen.
1930'erne. Det har længe været tænkt, at hvis du kunne måle al massen indeholdt i stjernerne og måske tilføje gas og støv, kunne du tælle al materien i universet. Imidlertid observerede Fritz Zwicky galakser i en tæt klynge (som Coma-klyngen), at stjerner og såkaldt "almindeligt stof" (dvs. atomer) ikke er nok til at forklare den interne bevægelse af disse klynger. Han kaldte det nye stof mørkt stof (dunkle materie), og indtil 1970'erne blev hans observationer stort set ignoreret. Derefter studerede de almindelig materie bedre, og det viste sig, at der er ret meget mørkt stof i individuelle roterende galakser. Nu ved vi, at mørkt stof er 5 gange mere massivt end almindeligt stof.
1940'erne. Selvom de fleste af de eksperimentelle og observationsmæssige ressourcer gik til rekognoscering af satellitter, raketteknik og nuklear teknologiudvikling, fortsatte teoretiske fysikere med at arbejde utrætteligt. I 1945 skabte Georgy Gamow en komplet ekstrapolering af det ekspanderende univers: hvis universet ekspanderer og køler i dag, skulle det have været tættere og varmere på et eller andet tidspunkt i fortiden. Derfor var der en gang i fortiden en tid, hvor universet var for varmt, og neutrale atomer ikke kunne dannes, og før det kunne atomkerner ikke dannes. Hvis dette er tilfældet, begyndte spørgsmålet om universet inden dannelsen af nogen stjerner med de letteste elementer, og i vores tid kan du observere efterglødningen af temperaturen i alle retninger - bare et par grader over absolut nul. I dag er denne teori kendt som Big Bang-teorien.og i 1940'erne vidste ingen, hvor smuk hun var.
Salgsfremmende video:
1950'erne. En rivaliserende idé med Big Bang-hypotesen var den stationære model af universet, fremsat af Fred Hoyle og andre. Betydeligt argumenterede begge sider for, at alle tunge elementer, der var til stede på Jorden i dag, blev dannet i det tidlige univers. Hoyle og hans kolleger hævdede, at de ikke blev lavet i en tidlig, varm og tæt tilstand, men snarere i tidligere generationer af stjerner. Hoyle forklarede sammen med kollegaerne Willie Fowler og Margaret Burbidge detaljeret, hvordan elementerne arrangerer det periodiske system under nuklear fusion i stjerner. Interessant nok forudsagde de syntesen af kulstof fra helium i en proces, vi aldrig havde set før: en tredobbelt alfa-proces, der kræver, at der eksisterer en ny tilstand af kulstof. Denne tilstand blev opdaget af Fowler flere år efter Hoyles oprindelige forudsigelse og er i dag kendt som Hoyle-kulstoftilstanden. Så vi fandt ud af, at alle tunge elementer, der findes på Jorden, skylder deres oprindelse til alle tidligere generationer af stjerner.
Hvis vi kunne se mikrobølgelampe, ville nattehimlen ligne en grøn oval med en temperatur på 2,7 Kelvin med "støj" i midten fra varme bidrag fra vores galaktiske plan. Denne ensartede stråling med et sortlegemsspektrum er tegn på efterglødningen af Big Bang: det er den kosmiske mikrobølgebaggrund.
1960'erne. Efter 20 års diskussion blev der foretaget en nøgleobservation, der ville bestemme universets historie: opdagelsen af den forudsagte efterglød fra Big Bang eller den kosmiske mikrobølgebaggrund. Denne ensartede stråling med en temperatur på 2,725 Kelvin blev opdaget i 1965 af Arno Penzias og Bob Wilson, hvor ingen af dem vidste med det samme, hvad de var snuble over. Først med tiden blev sortkropsspektret for denne stråling og dens udsving målt og viste, at vores univers begyndte med en "eksplosion".
Den tidligste fase af universet, selv før Big Bang, fastlagde alle de oprindelige betingelser for alt, hvad vi ser i dag. Det var Alan Guths store idé: kosmisk inflation
1970'erneI slutningen af 1979 klækkede den unge videnskabsmand sin idé. Alan Guth ledte efter en måde at løse nogle af Big Bangs uforklarlige problemer - hvorfor universet er så fladt i rummet, hvorfor det er den samme temperatur i alle retninger, og hvorfor der ikke er relikvier af de højeste energier i det - og kom på ideen om kosmisk inflation. Ifølge denne idé var der en tilstand af eksponentiel ekspansion, inden universet gik ind i en varm tæt tilstand, når al energien var iboende i selve rummets struktur. Det krævede flere forbedringer af Guths originale ideer for at danne den moderne inflationsteori, men efterfølgende observationer - inklusive udsving i den kosmiske mikrobølgebaggrund - har bekræftet dens forudsigelser. Ikke kun begyndte universet med en eksplosion, men det havde også en anden speciel tilstand, selv før dette Big Bang skete.
Resterne af supernovaen 1987a ligger i den store magellanske sky 165.000 lysår væk. I over tre hundrede århundreder var det den nærmeste observerede supernova til Jorden
1980'erne. Det ser ud til, at der ikke skete noget alvorligt, men det var i 1987, at den nærmeste supernova blev observeret fra Jorden. Dette sker en gang hvert hundrede år. Det var også den første supernova, der opstod, da vi havde detektorer, der kunne detektere neutrinoer fra sådanne begivenheder. Selvom vi har set mange supernovaer i andre galakser, har vi aldrig observeret dem tæt nok til at være vidne til neutrinoer fra dem. Disse omkring 20 neutrinoer markerede starten på neutrino-astronomi og efterfølgende udvikling, der førte til neutrino-svingninger, påvisning af neutrino-masser og neutrino-neutrinoer fra supernovaer, der forekommer i galakser millioner af lysår væk. Hvis vores moderne detektorer fungerede på det rigtige tidspunkt, ville den næste supernovaeksplosion tillade, at hundreder af tusinder af neutrinoer blev fanget.
Fire mulige skæbner i universet, hvoraf den sidste passer bedst til dataene: Et univers med mørk energi. Det blev først opdaget takket være observationer af fjerne supernovaer
1990'erne. Hvis du troede, at mørkt stof og opdagelsen af universets begyndelse var store opdagelser, forestil dig, hvilket chok det var i 1998, da de opdagede, at universet var ved at ende. Historisk har vi forestillet os tre mulige skæbner:
- Udvidelsen af universet vil ikke være nok til at overvinde tyngdekraften for alt og alle, og universet vil trække sig sammen igen i den store kompression
- Udvidelsen af universet vil være for meget, og alt, der er forenet af tyngdekraften, vil sprede sig, og universet vil fryse
Enten vil vi befinde os på grænsen af disse to resultater, og ekspansionshastigheden vil asymptotisk have en tendens til nul, men aldrig nå det: Critical Universe
I stedet har fjernede supernovaer imidlertid vist, at udvidelsen af universet accelererer, og at der i takt med tiden går fjerne galakser hurtigere og hurtigere væk fra hinanden. Universet vil ikke kun fryse, men alle galakser, der ikke er bundet til hinanden, forsvinder til sidst ud over vores kosmiske horisont. Bortset fra galakserne i vores lokale gruppe vil ingen galakser møde Mælkevejen, og vores skæbne vil være kold og ensom. Om 100 milliarder år vil vi ikke se andre galakser end vores.
2000'erne. Vores målinger af udsving (eller ufuldkommenheder) i Big Bangs efterglød lærte os utrolige ting: vi lærte nøjagtigt, hvad universet er lavet af. COBE-dataene erstattede WMAP-dataene, som igen blev forbedret af Planck. Samlet set har data fra store strukturer fra store galakseundersøgelser (som 2dF og SDSS) og data fra fjerne supernovaer givet os et moderne billede af universet:
- 0,01% stråling i form af fotoner
- 0,1% neutrinoer, som let bidrager til tyngdekraftens haloer omkring galakser og klynger
- 4,9% af almindeligt stof, som inkluderer alt, der består af atompartikler, - 27% mørkt stof eller mystiske, ikke-interagerende (bortset fra gravitationsmæssigt) partikler, der giver universet den struktur, som vi observerer
- 68% mørk energi, som er iboende i selve rummet.
2010. Dette årti er ikke forbi endnu, men vi har allerede fundet vores første potentielt beboelige jordlignende planeter (omend meget fjernt) blandt de tusinder og tusinder af nye exoplaneter opdaget af NASAs Kepler-mission. Dette er muligvis ikke den største opdagelse i årtiet, fordi LIGOs direkte detektion af tyngdebølger bekræftede det billede, Einstein trak tilbage i 1915. Mere end et århundrede efter Einsteins teori første gang udfordrede Newton, har generel relativitetsteori gennemgået alle de forsøg og tests, den blev tilbudt.
Videnskabelig historie skrives stadig, og der er stadig meget at opdage i universet. Men disse 11 trin førte os ud af et univers af ukendt alder, ikke større end vores galakse, hovedsagelig sammensat af stjerner, til et ekspanderende, afkølende univers styret af mørkt stof, mørk energi og vores almindelige stof. Den indeholder mange potentielt beboelige planeter, den er 13,8 milliarder år gammel, og den begyndte med Big Bang, som selv strømmede ud af kosmisk inflation. Vi lærte om universets oprindelse, om dets skæbne, om udseende, struktur og størrelse - og alt over 100 år. Måske vil de næste 100 år være fulde af overraskelser, som vi ikke engang kan forestille os.
Ilya Khel