SDSS skoðunin í innrauða litinni - með APOGEE - á Vetrarbrautinni eins og hún er skoðað í átt að miðjunni. Fyrir 100 árum var þetta hugmynd okkar um allan alheiminn. Myndinneign: Sloan Digital Sky Survey.

11 Vísindalegar framfarir síðustu 100 ára gáfu okkur allan heiminn

Frá alheimi sem fór ekki stærri en Vetrarbrautin okkar til milljarða vetrarbrauta í alheiminum okkar, jókst þekking okkar eitt skref í einu.

„Gamow var frábær í hugmyndum sínum. Hann hafði rétt fyrir sér, hann hafði rangt fyrir sér. Oftar rangt en rétt. Alltaf áhugavert; … Og þegar hugmynd hans var ekki röng þá var hún ekki aðeins rétt, hún var ný. “ -Endward Seller

Fyrir nákvæmlega 100 árum var hugmynd okkar um alheiminn mun frábrugðin því sem hann er í dag. Stjörnurnar innan Vetrarbrautarinnar voru þekktar og þekktust að vera í fjarlægð allt að þúsundum ljósára fjarlægð, en ekki var talið að neitt væri lengra. Talið var að alheimurinn væri kyrrstæður þar sem spíralar og sporöskjulaga himnaríki voru ætlaðir hlutir sem eru í okkar eigin vetrarbraut. Þyngdarafl Newtons hafði enn ekki verið steypt af stóli með nýrri kenningu Einsteins og vísindalegar hugmyndir eins og Miklahvell, dimmt mál og dökk orka höfðu ekki einu sinni verið hugsuð upp enn. En á hverjum áratug voru miklar framfarir gerðar, allt fram til dagsins í dag. Hér er hápunktur þess hvernig hver og einn færði vísindalegan skilning okkar á alheiminum áfram.

Niðurstöður Eddington-leiðangursins frá 1919 sýndu með óyggjandi hætti, að almennu afstæðiskenningin lýsti beygju stjörnuljóssins í kringum stórfellda hluti og steypti af sér myndinni í Newton. Myndinneign: The Illustrated London News, 1919.

1910 - Kenning Einsteins staðfest! Almennar afstæðiskenningar voru frægar fyrir að gera þá skýringu að þyngdarafl Newtons gæti ekki: forgang sporbrautar Merkúríusar um sólina. En það er ekki nóg fyrir vísindalegar kenningar að útskýra eitthvað sem við höfum þegar fylgst með; það þarf að spá um eitthvað sem enn er ekki hægt að sjá. Þótt margt hafi verið um síðustu aldamót - þyngdaraflsútvíkkun, sterk og veik linsa, grindar dregning, þyngdaraflsrýrnun o.s.frv. - var fyrsta beygja stjörnuljóss við alls sólmyrkvann, sem Eddington og samverkamenn hans sáu árið 1919. Það magn af beygju stjörnuljóss sem umhverfis sólina stóð var í samræmi við Einstein og stangast ekki á við Newton. Rétt eins og þessi, sýn okkar á alheiminn myndi breytast að eilífu.

Uppgötvun Hubbles á Cepheid breytu í Andromeda vetrarbrautinni, M31, opnaði alheiminn fyrir okkur. Myndinneign: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay og Hubble Heritage Team. Myndinneign: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay og Hubble Heritage Team.

1920 - Við vissum samt ekki að það væri alheimur þar fyrir utan Vetrarbrautina, en það breyttist allt á 1920 með verkum Edwin Hubble. Þegar hann fylgdist með nokkrum þyrilþokum á himni gat hann bent á einstakar, breytilegar stjörnur af sömu gerð og þekktar í Vetrarbrautinni. Aðeins, birta þeirra var svo lítil að þau þyrftu að vera í milljón ljósára fjarlægð og setja þau langt utan vetrarbrautarinnar. Hubble hætti ekki þar, og mældi samdráttarhraða og vegalengdir í yfir tylft vetrarbrauta, uppgötvaði hinn mikla, stækkandi alheim sem við þekkjum í dag.

Tvær björtu, stóru vetrarbrautirnar í miðju Coma þyrpingarinnar, NGC 4889 (til vinstri) og aðeins minni NGC 4874 (til hægri), eru hvor um sig yfir milljón ljósár að stærð. En vetrarbrautirnar í útjaðrinum, sem renna svo hratt um, benda á tilvist stórs haló af dökku efni í öllu þyrpingunni. Myndinneign: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona.

1930 - Það var talið í langan tíma að ef þú gætir mælt allan massann sem er í stjörnum og ef til vill bætt við gasinu og rykinu, þá myndirðu gera grein fyrir öllu því efni í alheiminum. Samt með því að fylgjast með vetrarbrautunum í þéttum þyrping (eins og Coma þyrpingunni hér að ofan) sýndi Fritz Zwicky að stjörnur og það sem við þekkjum sem „eðlilegt efni“ (þ.e. atóm) voru ekki nægjanlegar til að útskýra innri hreyfingu þessara þyrpinga. Hann kallaði þetta nýja mál dunkle materie, eða dimmt mál, athugun sem var að mestu leyti hunsuð fram á áttunda áratuginn, þegar eðlilegt efni var betur skilið og sýnt var fram á að dökkt efni væri til í miklu magni í einstökum, snúningsvetrarbrautum. Við vitum það nú að yfirmóta venjulegt mál með 5: 1 hlutfalli.

Tímalína sögu sögu heimsins okkar, þar sem sjáanlegur hluti stækkar í stærri og stærri stærð þegar við förum fram í tímann frá Miklahvell. Myndinneign: vísindateymi NASA / WMAP.

1940 - Þótt mikill meirihluti tilrauna- og athugunarheimilda fór í njósnagervihnettir, eldflaugar og þróun kjarnorkutækni, voru fræðilegir eðlisfræðingar enn í mikilli vinnu. Árið 1945 framkvæmdi George Gamow fullkomlega framreikning hins vaxandi alheims: Ef alheimurinn stækkar og kólnar í dag, þá hlýtur hann að hafa verið heitari og þéttari áður. Þegar við gengum aftur á bak hlýtur það að hafa verið tími þar sem það var svo heitt og þétt að hlutlaus atóm gátu ekki myndast og áður en þar sem kjarnorkukjarnar gátu ekki myndast. Ef þetta var satt, áður en einhverjar stjörnur mynduðust, ætti það efni sem alheimurinn byrjaði á að hafa ákveðið hlutfall af léttustu þáttunum, og það ætti að vera afgangsglóra sem gegnsýrir allar áttir í alheiminum, aðeins nokkrum gráðum yfir algildu núlli í dag . Þessi umgjörð er í dag þekktur sem Miklahvell, og var mesta hugmyndin sem kom út 1940.

Þessi útrás sýnir hinar ýmsu svæði á yfirborði og innri sólar, þar með talið kjarna, en það er þar sem kjarnasamruni á sér stað. Samrunaferlið, í sólarstjörnum stjörnum og gríðarlegri frændur hennar, er það sem gerir okkur kleift að byggja upp þunga þætti sem eru til staðar um allan heim í dag. Myndinneign: Wikimedia Commons notandi Kelvinsong.

1950 - En samkeppni hugmynd um Miklahvell var Steady-ríki líkanið, sett fram af Fred Hoyle og fleirum á sama tíma. Sérstaklega héldu báðir aðilar því fram að allir þyngri þættirnir, sem til eru á jörðinni í dag, mynduðust á fyrri stigi alheimsins. Það sem Hoyle og samverkamenn hans héldu fram voru að þeir voru ekki gerðir á fyrstu, heitu og þéttu ástandi, heldur í fyrri kynslóðum stjarna. Hoyle, ásamt samverkamönnunum Willie Fowler og Geoffrey og Margaret Burbidge, greindi nákvæmlega frá því hvernig þættir myndu byggja upp lotukerfið frá kjarnasamruna sem átti sér stað í stjörnum. Það fallegasta er að þeir spáðu helíum samruna í kolefni í gegnum ferli sem aldrei hefur sést: þriggja alfa ferlið sem krefst þess að nýtt kolefnisríki væri til. Fowler uppgötvaði það ástand nokkrum árum eftir að Hoyle hafði lagt til það og er í dag þekkt sem Hoyle ríki kolefnis. Af þessu lærðum við að allir þungir þættir sem eru til á jörðinni í dag skuldar öllum fyrri kynslóðum stjarna uppruna sinn.

Ef við gætum séð örbylgjuljós, næturhimininn myndi líta út eins og græna sporöskjulaga við hitastigið 2,7 K, með „hávaða“ í miðjunni stuðlað með heitari framlögum frá vetrarbrautarplaninu okkar. Þessi samræmda geislun, með litlíki svörtu, er vísbending um leifar ljóma frá Miklahvellinu: heimsins örbylgjuofn. Myndinneign: vísindateymi NASA / WMAP.

1960 - Eftir um það bil 20 ára umræður var afhjúpað lykilathugunin sem myndi ákveða sögu alheimsins: uppgötvun spáðrar afgangs ljóma frá Miklahvellinu eða Cosmic örbylgjuofngrunni. Þessi einkennisbúningur, 2.725 K geislun, fannst árið 1965 af Arno Penzias og Bob Wilson, en hvorugur þeirra áttaði sig á því hvað þær höfðu uppgötvað í fyrstu. En með tímanum mældist allt svarthólfs litróf þessarar geislunar og jafnvel sveiflur í henni, sem sýndi okkur að alheimurinn byrjaði með „smell“ eftir allt saman.

Fyrstu stig alheimsins, fyrir Miklahvell, eru það sem setti upp fyrstu skilyrðin sem allt sem við sjáum í dag hefur þróast frá. Þetta var stóra hugmynd Alan Guth: kosmísk verðbólga. Myndinneign: E. Siegel, með myndum unnum úr ESA / Planck og DoE / NASA / NSF samverkunarhópi um CMB rannsóknir.

1970 - Í lok árs 1979 hafði ungur vísindamaður hugmyndina um ævina. Alan Guth, að leita að leið til að leysa nokkur af óútskýrðum vandamálum Miklahvellsins - af hverju alheimurinn var svo staðbundinn flatur, af hverju hann var sami hitastigið í allar áttir og hvers vegna það voru engar ofurháar orku minjar - kom á hugmynd sem kallast kosmísk verðbólga. Þar segir að áður en alheimurinn hafi verið til í heitu, þéttu ástandi hafi hann verið í veldisstækkun þar sem öll orkan var bundin upp í efni rýmisins sjálfs. Það þurfti ýmsar endurbætur á fyrstu hugmyndum Guth til að búa til nútímalega kenningu um verðbólgu, en síðari athuganir - þar á meðal um sveiflur í CMB, stórum stíl alheimsins og hvernig vetrarbrautir klumpast saman, þyrpast og mynda - allir hafa staðfest spár verðbólgu. Ekki aðeins byrjaði alheimurinn með höggi, heldur var það ríki sem var til áður en heita Miklahvell átti sér stað.

Leifar supernova 1987a, sem staðsett er í Stóra Magellanic skýinu í um 165.000 ljósára fjarlægð. Það var sú nánasta sprengistjarna sem jörðin sá í meira en þrjár aldir. Myndinneign: Noel Carboni og ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

8. áratugurinn - Það kann að virðast ekki eins mikið, en árið 1987 varð næsti sprengistjarna á jörðinni í yfir 100 ár. Það var líka fyrsta sprengistjarnan sem átti sér stað þegar við vorum með skynjara á netinu sem geta fundið nifteindir frá þessum atburðum! Þó við höfum séð mjög margar sprengistjörnur í öðrum vetrarbrautum, þá höfðum við aldrei áður komið fram eins nálægt því að hægt væri að sjá nifteinda úr henni. Þessir tuttugu eða eins hlutar nifteinda markuðu upphaf daufkyrningafræðistjörnunnar og þróunin í kjölfarið hefur síðan leitt til uppgötvunar daufkyrninga sveiflna, nifteindamassa og daufkyrninga frá sprengistjörnum sem eiga sér stað í meira en milljón ljósára fjarlægð. Ef núverandi skynjari sem er til staðar er enn starfræktur mun næsta sprengistjörnuleika innan vetrarbrautarinnar okkar hafa meira en hundrað þúsund daufkyrninga vart við það.

Fjögur möguleg örlög alheimsins, þar sem neðsta dæmið passar best við gögnin: alheimur með dökka orku. Þetta var fyrst afhjúpað með fjarlægum supernova athugunum. Myndinneign: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

10. áratugurinn - Ef þér fannst dimmt mál og uppgötva hvernig alheimurinn byrjaði væri mikið mál, þá er aðeins hægt að ímynda sér hvað áfallið var árið 1998 að uppgötva hvernig alheimurinn ætlaði að ljúka! Við ímynduðum okkur sögulega þrjá mögulega örlög:

  • Að útþensla alheimsins væri ekki næg til að vinna bug á þyngdarafli öllu og alheimurinn myndi endurlána í stórum marr.
  • Að útþensla alheimsins yrði of mikil fyrir allt samanlagða þyngdarafl og allt í alheiminum myndi flýja hvert frá öðru og leiða til stórfrystingar.
  • Eða að við myndum vera rétt á landamærunum á milli þessara tveggja mála og stækkunarhlutfallið myndi einkennast af núlli en ná aldrei alveg því: Critical Universe.

En í staðinn bentu fjarlægar sprengistjörnur til þess að útbreiðsla alheimsins væri að flýta og að þegar fram liðu stundir væru fjarlægar vetrarbrautir að auka hraða sína hver frá annarri. Ekki aðeins mun alheimurinn frjósa, heldur munu vetrarbrautirnar sem ekki eru nú þegar bundnar hver við aðra hverfa að lokum út fyrir hinn kosmíska sjóndeildarhring. Aðrar en vetrarbrautirnar í okkar heimahóp, munu engar aðrar vetrarbrautir lenda í Vetrarbrautinni okkar og örlög okkar verða örugglega köld, einmana. Á öðrum 100 milljörðum ára getum við ekki séð neinar vetrarbrautir umfram okkar eigin.

Sveiflurnar í Cosmic örbylgjuofnbakgrunni voru fyrst mældar nákvæmlega með COBE á tíunda áratugnum, síðan nákvæmari með WMAP á 2. áratugnum og Planck (hér að ofan) á 10. áratugnum. Þessi mynd umbreytir gífurlegu magni af upplýsingum um alheiminn. Myndinneign: ESA og Planck samstarfið.

2000s - Uppgötvun Cosmic örbylgjuofn bakgrunnur lauk ekki árið 1965, en mælingar okkar á sveiflunum (eða ófullkomleikunum) í afgangsglóðinum á Big Bang kenndu okkur eitthvað stórkostlegt: nákvæmlega hvað alheimurinn var gerður úr. Gögn frá COBE voru leyst af hólmi með WMAP, sem síðan hefur verið bætt við Planck. Að auki hafa stærri uppbyggingargögn frá stórum vetrarbrautarkönnunum (eins og 2dF og SDSS) og fjarlægar sprengistjörnugögn öll saman til að gefa okkur nútímalega mynd okkar um alheiminn:

  • 0,01% geislun í formi ljóseindir,
  • 0,1% daufkyrningar, sem stuðla alltaf svo dálítið við þyngdarlundarljós umhverfis vetrarbrautir og þyrpingar
  • 4,9% eðlilegt efni, sem nær yfir allt sem er gert úr kjarnorkuagnir,
  • 27% dökkt efni, eða dularfulla, samverkandi (nema þyngdarafl) agnirnar sem gefa alheiminum þá uppbyggingu sem við sjáum,
  • og 68% dökk orka, sem felst í rýminu sjálfu.
Kerfin í Kepler-186, Kepler-452 og sólkerfið okkar. Þó að plánetan í kringum rauða dvergstjörnu eins og Kepler-186 sé áhugaverð að eigin rétti, þá getur Kepler-452b verið margfalt meiri jörð eins og fjöldi mæligilda er. Myndinneign: NASA / JPL-CalTech / R. Meiða.

2010 - Áratugurinn er ekki ennþá, en hingað til höfum við þegar uppgötvað fyrstu mögulegu jarðar líku pláneturnar okkar, meðal þeirra þúsunda og þúsunda nýrra fjarreikistjörnna sem Kepler verkefni NASA uppgötvuðu, meðal annarra. Samt er það víst að það er ekki einu sinni stærsta uppgötvun áratugarins, þar sem bein uppgötvun þyngdarbylgjna frá LIGO staðfestir ekki aðeins þá mynd sem Einstein fyrst málaði, af þyngdaraflinu, aftur árið 1915. Meira en öld eftir að kenning Einsteins var fyrst í samkeppni með Newtons til að sjá hverjar þyngdarreglur alheimsins voru, hefur almenn afstæðiskennd staðist hvert próf sem kastað var á hann og náð niður í minnstu ranghala sem mælst hefur eða sést.

Mynd af tveimur svörtum götum sem sameinast, af sambærilegum massa og það sem LIGO hefur séð. Væntingin er sú að það ætti að vera mjög lítið í vegi fyrir rafsegulmerki sem send er frá slíkri sameiningu, en tilvist sterklega hitaðs efnis umhverfis þessa hluti gæti breytt því. Myndinneign: SXS, Simulating eXtreme Spac times (SXS) verkefnið (http://www.black-holes.org).

Vísindasagan er ekki enn búin enda er svo margt fleira af alheiminum að uppgötva. Samt hafa þessi 11 skref tekið okkur frá alheimi á óþekktum aldri, ekki stærri en okkar eigin vetrarbraut, sem samanstendur aðallega af stjörnum, yfir í stækkandi, kólnandi alheim sem knúinn er af dimmu efni, dökkri orku og okkar eigin eðlilegu efni, og er beitt af hugsanlegri búsetu reikistjörnur og þær eru 13,8 milljarðar ára gamlar og eiga uppruna sinn í Miklahvell sem sjálf var sett upp með kosmískri verðbólgu. Við þekkjum uppruna alheimsins okkar, örlög hans, hvernig það lítur út í dag og hvernig það varð til á þennan hátt. Megi næstu 100 ár hafa jafn margar vísindalegar framfarir, byltingar og óvart fyrir okkur öll.

Starts With A Bang er nú á Forbes og endurútgefið á Medium þökk sé stuðningsmönnum okkar Patreon. Ethan hefur verið höfundur tveggja bóka, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.