Pogled SDSS u infracrvenom - s APOGEE - galaksije Mliječni put gledano prema središtu. Prije 100 godina, to je bila naša koncepcija cijelog Univerzuma. Kreditna slika: Sloan Digital Sky Survey.

11 Znanstveni napredak zadnjih 100 godina dao nam je cijeli naš Univerzum

Iz svemira koji nije bio veći od našeg Mliječnog puta do triliju galaksija u našem svemiru koji se širi, naše znanje se povećavalo jedan korak u isto vrijeme.

"Gamow je bio fantastičan u svojim idejama. Bio je u pravu, pogriješio je. Češće krivo nego ispravno. Uvijek zanimljiv; … A kad njegova ideja nije bila pogrešna, nije bila samo ispravna, bila je i nova. ” -Eward Edler

Prije točno 100 godina, naša predodžba o Svemiru bila je daleko drugačija od onoga što danas imamo. Zvijezde unutar Mliječnog puta bile su poznate i znalo se da su udaljene i do tisuće svjetlosnih godina, ali nije se mislilo da će biti daljnje. Svemir je pretpostavio da je statičan, jer su se za spirale i eliptikule na nebu pretpostavljali da su objekti sadržani u našoj vlastitoj galaksiji. Newtonova gravitacija još uvijek nije bila potopljena Einsteinovom novom teorijom, a znanstvene ideje poput Velikog praska, tamne materije i tamne energije, još nisu bile osmišljene. Ali tijekom svakog desetljeća postignuti su ogromni pomaci, sve do današnjih dana. Ovdje je naglasak na koji je način svako napredovao naše znanstveno razumijevanje Univerzuma.

Rezultati ekspedicije Eddingtona iz 1919. pokazali su, na kraju, da je Opća teorija relativnosti opisala savijanje zvijezdane svjetlosti oko masivnih objekata, svrgnuvši Newtonovu sliku. Kreditna slika: Illustrated London News, 1919.

1910-te - potvrđena je Einsteinova teorija! Opća relativnost bila je poznata zbog objašnjenja da Newtonova gravitacija ne može: precesija Merkurove orbite oko Sunca. Ali nije dovoljno da znanstvena teorija objasni nešto što smo već opazili; treba predvidjeti nešto što tek treba vidjeti. Iako ih je u prošlom stoljeću bilo mnogo - gravitacijsko širenje vremena, jaka i slaba leća, povlačenje okvira, gravitacijsko crveno pomicanje itd. - prvo je bilo savijanje zvijezde tijekom totalnog pomračenja Sunca, što su primijetili Eddington i njegovi suradnici 1919. Promatrana količina savijanja zvijezde oko Sunca bila je u skladu s Einsteinom i nedosljedna Newtonu. Upravo takav, naš pogled na Univerzum promijenio bi se zauvijek.

Hubble-ovo otkriće cefeidske varijable u Andromedinoj galaksiji, M31, otvorilo nam je Svemir. Kreditna slika: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay i Hubble Heritage Team. Kreditna slika: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay i Hubble Heritage Team.

1920. - Još uvijek nismo znali da postoji Svemir iza Mliječnog puta, ali sve se to promijenilo u 1920-ima djelima Edwina Hubblea. Dok je promatrao neke spiralne maglice na nebu, uspio je označiti pojedinačne, promjenjive zvijezde istog tipa koje su bile poznate u Mliječnom putu. Samo, njihova svjetlost bila je tako niska da su trebali biti udaljeni milijune svjetlosnih godina, što ih je smjestilo daleko izvan dosega naše galaksije. Hubble se nije zaustavio, mjereći brzinu recesije i udaljenosti za više desetaka galaksija, otkrivajući ogroman, širi svemir kakav danas poznajemo.

Dvije svijetle, velike galaksije u središtu klastera Kome, NGC 4889 (lijevo) i nešto manji NGC 4874 (desno), svaka prelazi veličinu od milijun svjetlosnih godina. Ali galaksije na periferiji, koje tako brzo prolaze, ukazuju na postojanje velikog oreola tamne materije u cijelom klasteru. Bonus slike: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Sveučilište u Arizoni.

1930-e - Dugo se mislilo da ako možete izmjeriti svu masu koja se nalazi u zvijezdama, a možda i dodate plinove i prašine, snosit ćete svu stvar u Svemiru. Ipak, promatrajući galaksije unutar guste nakupine (poput gomile Coma, gore), Fritz Zwicky pokazao je da su zvijezde i ono što znamo kao "normalna materija" (tj. Atomi) nedovoljno za objašnjenje unutarnjih pokreta tih klastera. Ovu novu materiju nazvao je zastojnim materijalom, ili tamnom materijom, opažanjem koje je uglavnom ignorirano sve do 1970-ih, kada se normalna materija bolje razumjela, a pokazalo se da tamna tvar postoji u velikom obilju u pojedinim rotirajućim galaksijama. Sada znamo da nadmudri normalnu materiju omjerom 5: 1.

Vremenska crta povijesti našeg svemira, gdje se promatrani dio širi na veće i veće veličine kako se krećemo prema naprijed u vremenu daleko od Velikog praska. Bonus slike: NASA / WMAP znanstveni tim.

1940-ih - Dok je velika većina eksperimentalnih i promatračkih sredstava prelazila u špijunske satelite, raketnu raketu i razvoj nuklearne tehnologije, teorijski fizičari su i dalje naporno radili. George Gamow je 1945. napravio krajnju ekstrapolaciju svemira koji se širi: ako se Svemir danas širi i hladi, onda je u prošlosti morao biti topliji i gušći. Vraćajući se unatrag, mora da je bilo vremena u kojem je bilo toliko vruće i gusto da se neutralni atomi nisu mogli formirati, a prije toga i atomska jezgra nisu mogla tvoriti. Da je to istina, prije nego što se ikada stvori bilo koja zvijezda, taj materijal s kojim je Svemir započeo trebao bi imati određeni omjer najlakših elemenata, a trebao bi postojati ostatak sjaja koji prožima sve smjerove u Svemiru samo nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule danas , Ovaj je okvir danas poznat kao Veliki prasak, a bila je najveća ideja izlazi iz četrdesetih godina prošlog vijeka.

Ovaj izrez prikazuje različite dijelove površine i unutrašnjosti Sunca, uključujući jezgru, gdje se događa nuklearna fuzija. Proces spajanja u zvijezde nalik Suncu, kao i njegove masivne rođake, omogućuje nam izgradnju teških elemenata koji su danas prisutni u Svemiru. Kreditna slika: Wikimedia Commons korisnik Kelvinsong.

1950-ih - Ali konkurentska ideja Velikog praska bila je model Steady-State, koji su u isto vrijeme iznijeli Fred Hoyle i drugi. Spektakularno su obje strane tvrdile da su svi teži elementi prisutni na Zemlji danas formirani u ranijoj fazi Svemira. Ono što su Hoyle i njegovi suradnici tvrdili jest da su rađeni ne tijekom ranog, vrućeg i gusteg stanja, već u prethodnim generacijama zvijezda. Hoyle je zajedno sa suradnicima Willie Fowler, Geoffreyjem i Margaret Burbidge detaljno objasnio kako će elementi biti izgrađeni u periodičnoj tablici iz nuklearne fuzije koja se događa u zvijezdama. Najspektakularnije su predviđali fuziju helija u ugljik postupkom nikada ranije primijećenim: trostrukim alfa procesom, za koji je potrebno novo stanje ugljika. Fowler je to stanje otkrio nekoliko godina nakon što ga je predložio Hoyle, a danas je poznato kao Hoyle-stanje ugljika. Iz ovoga smo saznali da svi teški elementi koji postoje na Zemlji danas duguju svoje podrijetlo svim prethodnim generacijama zvijezda.

Kad bismo mogli vidjeti mikrovalnu svjetlost, noćno nebo bi izgledalo kao zeleni oval pri temperaturi od 2,7 K, a

1960. - Nakon 20 godina rasprave otkriveno je ključno opažanje koje će odlučiti o povijesti Svemira: otkriće predviđenog sjaja koji preostaje iz Velikog praska ili pozadina kozmičke mikrovalne. To jednolično zračenje od 2,725 K otkrili su 1965. Arno Penzias i Bob Wilson, a ni jedan nije shvatio ono što su otkrili isprva. Ipak, s vremenom su izmjereni puni spektar crnih tijela, pa čak i njegove fluktuacije, što nam je pokazalo da je Svemir ipak započeo s "praskom".

Najraniji stupnjevi svemira, prije Velikog praska, su ono što je postavilo početne uvjete iz kojih je nastalo sve što danas vidimo. Ovo je bila velika ideja Alana Gutha: kozmička inflacija. Bonus slike: E. Siegel, sa slikama izvedenim iz ESA / Planck i međuagencijske radne skupine DoE / NASA / NSF na CMB istraživanju.

1970. - Na samom kraju 1979. godine mladi znanstvenik imao je ideju za cijeli život. Alan Guth, tragajući za načinom da riješi neke neobjašnjive probleme Velikog praska - zašto je Svemir bio tako prostorno ravan, zašto je bila ista temperatura u svim smjerovima i zašto nije bilo relikvija ultra-visoke energije - je došao na ideju koja je poznata kao kozmička inflacija. Kaže da je svemir prije postojanja u vrućem, gustom stanju, bio u stanju eksponencijalne ekspanzije, gdje je sva energija bila vezana u tkivu samog prostora. Bilo je potrebno nekoliko poboljšanja Guthovih početnih ideja za stvaranje suvremene teorije inflacije, ali naknadna zapažanja - uključujući fluktuacije u CMB-u, na veliku strukturu svemira i na način na koji galaksije skupljaju, grozdjuju i oblikuju - svi su imali osvetoljubiva predviđanja inflacije. Ne samo da je naš Svemir započeo s praskom, već je postojala i država koja je postojala i prije pojave vrućeg Velikog praska.

Ostatak supernove 1987a koji se nalazi u velikom magnetskom oblaku udaljenom oko 165 000 svjetlosnih godina. Bila je najbliža promatrana supernova Zemlji u više od tri stoljeća. Kreditna slika: Noel Carboni i ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

1980. - Možda se ne čini puno, ali 1987. godine najbliža supernova Zemlji dogodila se u više od 100 godina. To je ujedno i prva supernova koja se pojavila kad smo na mreži imali detektore koji su mogli pronaći neutrine iz ovih događaja! Iako smo vidjeli jako puno supernova u drugim galaksijama, nikada se prije nismo dogodili tako blizu da bi se mogli uočiti neutrini iz njega. Ovih 20 ili nešto više neutrina označavalo je početak neutrinske astronomije, a kasniji razvoj doveo je do otkrića neutrinskih oscilacija, neutrinskih masa i neutrina iz supernova koji su se dogodili više od milijun svjetlosnih godina. Ako postojeći postojeći detekteri još uvijek djeluju, sljedeća supernova unutar naše galaksije imat će preko stotinu tisuća neutrina otkrivenih iz nje.

Četiri moguće sudbine Svemira, pri čemu najdnji primjer najbolje odgovara podacima: Univerzum s tamnom energijom. Ovo je prvo otkriveno dalekim promatranjima supernove. Kreditna slika: E. Siegel / On the Galaxy.

1990. - Ako ste mislili da je tamna materija i otkrivanje kako počinje Svemir biti velika stvar, onda možete samo zamisliti kakav je šok bio 1998. kada biste otkrili kako će Svemir završiti! Povijesno smo zamislili tri moguće sudbine:

  • Da bi širenje Svemira bilo nedovoljno za prevladavanje svega gravitacijskog potezanja, a Svemir će se ponovno prisilno upasti u veliku krizu.
  • Da bi širenje Svemira bilo preveliko za sve kombiniranu gravitaciju, a sve u Svemiru pobjeglo bi jedno od drugog, što bi rezultiralo velikim smrzavanjem.
  • Ili da bismo bili na granici između ova dva slučaja, a brzina ekspanzije bi asimptotovala na nulu, ali nikada nije sasvim dosegla: kritični svemir.

Umjesto toga, daleke supernove ukazivale su da se širenje Svemira ubrzava, i kako je vrijeme odmicalo, udaljene galaksije povećavale su svoju brzinu dalje jedna od druge. Ne samo da će se Svemir zamrznuti, već će i sve galaksije koje nisu već međusobno vezane s vremenom nestati izvan našeg kozmičkog horizonta. Osim galaksija u našoj lokalnoj grupi, nijedna druga galaksija nikada se neće susresti s našim Mliječnim putem, a naša će sudbina doista biti hladna, usamljena. U sljedećih 100 milijardi godina, nećemo moći vidjeti nijednu galaksiju izvan naše.

Fluktuacije u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini najprije su precizno izmjerile COBE u 1990-ima, a potom preciznije WMAP u 2000-ima i Planck (gore) u 2010-ima. Ova slika kodira ogromnu količinu informacija o ranom Svemiru. Bonus slike: ESA i Planck suradnja.

2000-te godine - Otkrivanje pozadine kozmičke mikrovalne nije se završilo 1965. godine, ali naša mjerenja fluktuacija (ili nesavršenosti) u ostatku sjaja Velikog praska naučila su nas nečem fenomenalnom: upravo onome od čega je Svemir stvoren. Podaci iz COBE zamijenili su WMAP, što je Planck zauzvrat poboljšao. Osim toga, podaci velikih struktura iz velikih istraživanja galaksije (poput 2dF i SDSS) i udaljenih podataka supernove udružili su se kako bi dobili našu modernu sliku svemira:

  • 0,01% zračenja u obliku fotona,
  • 0,1% neutrina, koji pomalo pridonose gravitacijskim haloima koji okružuju galaksije i klastere,
  • 4,9% normalne materije, koja uključuje sve izrađeno od atomskih čestica,
  • 27% tamne materije ili tajanstvene, međusobno (osim gravitaciono) čestica koje daju Svemiru strukturu koju promatramo,
  • i 68% tamne energije koja je svojstvena samom prostoru.
Sustavi Kepler-186, Kepler-452 i naš Sunčev sustav. Iako je planet oko zvijezde crvenog patuljaka poput Keplera-186 zanimljiv po svojim pravima, Kepler-452b je po mnogobrojnim metricama možda daleko više nalik Zemlji. Kreditna slika: NASA / JPL-CalTech / R. Povrijediti.

2010-e - Desetljeće još nije izašlo, ali do sada smo već otkrili naše prve potencijalno pogodne za život planete, među tisućama i tisućama novih egzoplaneta koje je, između ostalog, otkrila NASA-ina misija Kepler. Pa ipak, vjerojatno, to nije ni najveće otkriće desetljeća, jer izravno otkrivanje gravitacijskih valova iz LIGO-a ne samo da potvrđuje sliku koju je Einstein prvi put slikao, gravitaciju, 1915. Više od stoljeća nakon što se Einsteinova teorija prvi put natjecala s Newtonovim da bi vidjeli koja su gravitacijska pravila svemira, opća relativnost je prošla svaki test bačen na njega, uspjevši do najmanjih sitnica ikad izmjerenih ili opaženih.

Ilustracija dviju crnih rupa koje se spajaju, jednake mase s onim što je LIGO vidio. Očekuje se da bi trebalo biti vrlo malo na putu elektromagnetskog signala koji se emitira iz takvog spajanja, ali prisutnost snažno zagrijane materije koja okružuje ove objekte mogla bi to promijeniti. Bonus slike: SXS, projekt Simulacija eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

Znanstvena priča još nije gotova, jer ima još toliko toga što svemir treba otkriti. Pa ipak, ovih 11 koraka odvelo nas je od Svemira nepoznate dobi, ne većeg od naše galaksije, sastavljene uglavnom od zvijezda, do širećeg, hlađenja Svemira pogonjenog tamnom materijom, tamnom energijom i našom normalnom materijom, prepunom potencijalno useljivih. planeta i to je staro 13,8 milijardi godina, koje potječu iz Velikog praska koji je sam uspostavljen kozmičkom inflacijom. Znamo porijeklo našeg Svemira, sudbinu, kako izgleda danas i kako je došlo ovako. Neka sljedećih 100 godina održi jednako toliko znanstvenih dostignuća, revolucija i iznenađenja za sve nas.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.