Pred natanko 100 leti se je naš koncept vesolja zelo razlikoval od današnjega. Ljudje so vedeli za zvezde v Mlečni poti in vedeli so za razdalje do njih, a nihče ni vedel, kaj je za njimi. Vesolje je veljalo za statično, spirale in elipse na nebu pa za objekte naše lastne galaksije. Newtonove gravitacije še ni presegla Einsteinova nova teorija in znanstvenih idej, kot so Veliki pok, temna snov in temna snov, ni bilo slišati. Potem pa so se dobesedno vsako desetletje začeli dogajati preboji po prebojih in tako vse do danes. To je kronika Ethana Siegela Medium.com o tem, kako se je naše razumevanje vesolja spremenilo v zadnjih sto letih.
Rezultati odprave v Eddington leta 1919 so pokazali, da splošna relativnost opisuje ukrivljenost zvezdne svetlobe v bližini masivnih predmetov.
1910: potrjena je Einsteinova teorija. Splošna relativnost je zaslovela z napovedmi, ki jih Newtonova teorija ni mogla dati: precesija Merkurjeve orbite okoli Sonca. Ampak ni bilo dovolj, da je znanstvena teorija preprosto razložila nekaj, kar smo že opazili; morala je napovedovati tisto, česar še nismo videli. Čeprav jih je bilo v zadnjih sto letih veliko - gravitacijsko časovno dilatacijo, močno in šibko leče, gravitacijski rdeči premik itd. - je bila prva ukrivljenost zvezdne svetlobe med popolnim sončnim mrkom, ki so jo Eddington in njegovi kolegi opazili leta 1919. Hitrost ukrivljenosti svetlobe okoli Sonca je bila v skladu z Einsteinovim predvidevanjem in ne v skladu z Newtonovo teorijo. Od takrat se je naše razumevanje vesolja za vedno spremenilo.
Hubblovo odkritje spremenljivke Cefeida v galaksiji Andromeda, M31, nam je odprlo vesolje
Dvajseta leta 20. stoletja. Nismo še vedeli, da obstaja vesolje onkraj Rimske ceste, vendar se je vse skupaj spremenilo v dvajsetih letih prejšnjega stoletja z delom Edwina Hubbla. Z opazovanjem nekaterih spiralnih meglic na nebu je lahko določil posamezne spremenljive zvezde iste vrste, znane v Mlečni cesti. Le njihova svetlost je bila tako nizka, da je neposredno nakazovala milijone svetlobnih let med nami in jih postavila daleč čez meje naše galaksije. Hubble se pri tem ni ustavil. Izmeril je stopnjo recesije in razdaljo desetin galaksij, kar je znatno razširilo meje znanega vesolja.
Dve svetli veliki galaksiji v središču kopice Coma, NGC 4889 (levo) in nekoliko manjša NGC 4874 (desno), sta veliki več kot milijon svetlobnih let. Verjame se, da skozi celotno kopico teče ogromen halo temne snovi.
Trideseta leta. Že dolgo se je mislilo, da če bi lahko izmerili vso maso, ki jo vsebujejo zvezde, in morda dodali plin in prah, bi lahko prešteli vso snov v vesolju. Vendar je Fritz Zwicky z opazovanjem galaksij v gosti grozdi (kot je grozd Coma) pokazal, da zvezde in tako imenovana "navadna snov" (tj. Atomi) niso dovolj za razlago notranjega gibanja teh jat. Novo snov je imenoval temna snov (dunkle materie), njegova opažanja pa so bila do sedemdesetih let pretežno prezrta. Nato so bolje preučili navadno snov in izkazalo se je, da je v posameznih vrtljivih galaksijah precej temne snovi. Zdaj vemo, da je temna snov petkrat bolj masivna od navadne snovi.
40. leta. Čeprav je večina eksperimentalnih in opazovalnih virov šla za izvidniške satelite, raketno inženirstvo in razvoj jedrske tehnologije, so teoretični fiziki še naprej neutrudno delali. Leta 1945 je Georgy Gamow ustvaril popolno ekstrapolacijo naraščajočega vesolja: če se vesolje danes širi in ohlaja, bi moralo biti nekoč v preteklosti bolj gosto in vroče. Torej, nekoč v preteklosti je bilo vesolje prevroče in nevtralni atomi niso mogli nastati, pred tem pa atomska jedra niso mogla nastati. Če je temu res tako, se je pred nastankom kakršnih koli zvezd zadeva vesolja začela z najlažjimi elementi in v našem času lahko opazujete nadžaj te temperature v vseh smereh - le nekaj stopinj nad absolutno ničlo. Danes je ta teorija znana kot teorija velikega poka.v 40. letih pa sploh niso vedeli, kako čudovita je.
Promocijski video:
Petdeseta leta. Konkurenčna ideja hipoteze o velikem poku je bil stacionarni model vesolja, ki so ga predlagali Fred Hoyle in drugi. Pomembno je, da sta obe strani trdili, da so vsi danes na Zemlji prisotni težki elementi nastali v zgodnjem vesolju. Hoyle in njegovi kolegi so trdili, da niso bili narejeni v zgodnjem, vročem in gostem stanju, temveč v prejšnjih generacijah zvezd. Hoyle je skupaj s kolegoma Williejem Fowlerjem in Margaret Burbidge podrobno razložil, kako elementi urejajo periodni sistem med jedrsko fuzijo zvezd. Zanimivo je, da so napovedali sintezo ogljika iz helija v procesu, ki ga še nismo videli: postopek trojne alfe, ki zahteva novo stanje ogljika. To stanje je odkril Fowler nekaj let po prvotni Hoyleovi napovedi in je danes znano kot Hoyleovo ogljikovo stanje. Torej smo ugotovili, da vsi težki elementi na Zemlji dolgujejo svoj izvor vsem prejšnjim generacijam zvezd.
Če bi lahko videli mikrovalovno svetlobo, bi bilo nočno nebo videti kot zelen oval s temperaturo 2,7 Kelvina z "šumom" v središču zaradi vročih prispevkov z naše galaktične ravnine. To enakomerno sevanje s spektrom črnih teles kaže na potek velikega poka: to je kozmično mikrovalovno ozadje.
Šestdeseta leta. Po 20 letih razprave je bilo opravljeno ključno opazovanje, ki bi določalo zgodovino vesolja: odkritje predvidenega požara iz Velikega poka ali kozmično mikrovalovno ozadje. To enakomerno sevanje s temperaturo 2,725 Kelvina sta leta 1965 odkrila Arno Penzias in Bob Wilson, nobeden od njiju ni takoj vedel, na kaj je naletel. Šele sčasoma so izmerili spekter črnih teles tega sevanja in njegova nihanja ter pokazali, da se je naše vesolje začelo z "eksplozijo".
Najzgodnejša stopnja vesolja, še pred velikim pokom, je postavila vse prvotne pogoje za vse, kar vidimo danes. Bila je velika ideja Alana Gutha: kozmična inflacija
Sedemdeseta letaKonec leta 1979 se je mladi znanstvenik domislil svoje ideje. Alan Guth je iskal način za rešitev nekaterih nepojasnjenih problemov Velikega poka - zakaj je vesolje tako ravno v vesolju, zakaj je v vseh smereh enaka temperatura in zakaj v njem ni relikvij najvišjih energij - in prišel na idejo o kozmični inflaciji. V skladu s to idejo je pred vesoljem vstopilo vroče gosto stanje, stanje eksponentne ekspanzije, ko je bila vsa energija vgrajena v samo tkivo vesolja. Za oblikovanje sedanje teorije inflacije je bilo potrebnih več izpopolnitev Guthovih prvotnih idej, vendar so poznejša opazovanja - vključno z nihanji v kozmičnem mikrovalovnem ozadju - potrdila njene napovedi. Vesolje se ni začelo samo z eksplozijo, temveč je imelo še eno posebno stanje, še preden se je zgodil ta veliki pok.
Ostanki supernove 1987a, ki se nahajajo v Velikem Magellanovem oblaku, oddaljenem 165.000 svetlobnih let. Več kot tristo stoletij je bila najbližja supernova na Zemlji.
Osemdeseta leta. Morda se zdi, da se ni zgodilo nič hudega, toda leta 1987 so z Zemlje opazili najbližjo supernovo. To se zgodi enkrat na sto let. To je bila tudi prva supernova, ki se je pojavila, ko smo imeli detektorje, ki lahko zaznajo nevtrine iz takšnih dogodkov. Čeprav smo v drugih galaksijah videli veliko supernov, jih nikoli nismo opazili dovolj blizu, da bi bili iz njih vidni nevtrini. Teh 20-tak nevtrinov je zaznamovalo začetek nevtrinske astronomije in nadaljnji razvoj, ki je privedel do nevtrinskih nihanj, odkrivanja nevtrinskih mas in nevtrinskih nevtrinov iz supernov, ki se pojavijo v galaksijah, oddaljenih milijone svetlobnih let. Če bi naši sodobni detektorji delovali ob pravem času, bi naslednja eksplozija supernove omogočila zajemanje sto tisoč nevtrinov.
Štiri možne usode vesolja, od katerih se zadnja najbolj prilega podatkom: Vesolje s temno energijo. Prvič so ga odkrili zaradi opazovanja oddaljenih supernov
Devetdeseta leta. Če ste mislili, da sta temna snov in odkritje začetka vesolja glavna odkritja, si predstavljajte šok leta 1998, ko so odkrili, da se bo vesolje kmalu končalo. V preteklosti smo si predstavljali tri možne usode:
- Širjenje vesolja ne bo dovolj za premagovanje gravitacijske privlačnosti vsega in vseh, vesolje pa se bo zožilo v veliki stiski
- Širjenje vesolja bo preveč in vse, kar bo združilo gravitacija, se bo razkropilo in vesolje bo zamrznilo
- Bodisi se bomo znašli na meji teh dveh rezultatov in stopnja širitve bo asimptotično nagnjena k nič, vendar je nikoli ne dosežemo: Kritično vesolje
Namesto tega pa so oddaljene supernove pokazale, da se širjenje vesolja pospešuje in da se sčasoma oddaljene galaksije vse hitreje odmikajo. Vesolje ne bo samo zamrznilo, ampak bodo vse galaksije, ki niso vezane ena na drugo, sčasoma izginile izven našega kozmičnega obzorja. Razen galaksij v naši lokalni skupini nobena galaksija ne bo izpolnila Mlečne ceste in naša usoda bo hladna in osamljena. Čez 100 milijard let ne bomo videli nobene druge galaksije razen naše.
2000-ih. Naše meritve nihanj (ali nepopolnosti) v požaru Velikega poka so nas naučile neverjetnih stvari: natančno smo se naučili, iz česa je vesolje. Podatki COBE so nadomestili podatke WMAP, ki jih je nato izboljšal Planck. Podatki iz obsežnih struktur velikih raziskav galaksij (kot sta 2dF in SDSS) in podatki oddaljenih supernov so nam skupaj dali sodobno sliko vesolja:
- 0,01% sevanja v obliki fotonov, - 0,1% nevtrinov, ki rahlo prispevajo k gravitacijskim haloom, ki obkrožajo galaksije in jate, - 4,9% običajne snovi, ki vključuje vse, kar je sestavljeno iz atomskih delcev, - 27% temne snovi ali skrivnostnih, nevzajemnih (razen gravitacijsko) delcev, ki vesolju zagotavljajo strukturo, ki jo opazujemo, - 68% temne energije, ki je neločljivo povezana s prostorom.
2010. To desetletje še ni konec, vendar smo med tisočimi in tisoči novimi eksoplaneti, ki jih je odkrila NASA-ina misija Kepler, že našli prve potencialno vseljive planete, podobne Zemlji. To morda ni največje odkritje desetletja, ker je LIGO-jevo neposredno zaznavanje gravitacijskih valov potrdilo sliko, ki jo je Einstein narisal že leta 1915. Več kot stoletje po tem, ko je Einsteinova teorija prvič izpodbijala Newtona, je splošna relativnost prestala vse preizkuse in preizkuse, ki so ji bili ponujeni.
Znanstvena zgodovina se še vedno piše in v vesolju je treba še veliko odkriti. Toda teh 11 korakov nas je iz vesolja neznane starosti, ki ni večje od naše galaksije, večinoma sestavljene iz zvezd, popeljalo v razširjajoče se, ohlajeno vesolje, v katerem vladajo temna snov, temna energija in naša navadna snov. Ima veliko potencialno bivalnih planetov, star je 13,8 milijarde let, začelo pa se je z velikim pokom, ki je sam izhajal iz kozmične inflacije. Spoznali smo izvor vesolja, njegovo usodo, videz, strukturo in velikost - in vse to že 100 let. Morda bo naslednjih 100 let polno presenečenj, ki si jih sploh ne moremo predstavljati.
Ilya Khel