Ova velika, neizrazita galaksija toliko je difuzna da ju astronomi nazivaju galaksijom koja prolazi jer mogu jasno vidjeti udaljene galaksije iza nje. Sjajni objekt, katalogiziran kao NGC 1052-DF2, nema upadljivu središnju regiju, ili čak spiralne krakove i disk, tipične karakteristike spiralne galaksije. Ali ni to ne izgleda kao eliptična galaksija, jer je njegova brzinska disperzija sve pogrešna. Čak su i njegove kuglične nakupine čudne kugle: dvostruko su veće od tipičnih zvjezdanih skupina koje se vide u drugim galaksijama. Sve ove neobičnosti blijede su u usporedbi s najčudnijim aspektom ove galaksije: NGC 1052-DF2 vrlo je kontroverzan zbog prividnog nedostatka tamne materije. Ovo bi moglo riješiti ogromnu kozmičku zagonetku. (NASA, ESA i P. VAN DOKKUM (YALE UNIVERSITY))

Kozmologija jedini veliki problemi proizvode se nesporazumi

Tamna materija, tamna energija, inflacija i Veliki prasak su stvarni, a alternative sve spektakularno propadaju.

Ako pratite najnovije naučne vijesti, vjerojatno ste upoznati s velikim brojem kontroverzi koje se tiču ​​prirode samog Univerzuma. Tamna materija, za koju se mislilo da nadmašuje normalnu atomsku tvar u omjeru 5 prema 1, mogla bi biti nepotrebna i zamijenjena je izmjenom našeg zakona gravitacije. Tamna energija, koja čini dvije trećine svemira, odgovorna je za ubrzano širenje prostora, ali sama brzina ekspanzije nije ni dogovorena. A kozmičku inflaciju u posljednje vrijeme neki snose kao nenaučnu, jer neki njezini negativci tvrde da može predvidjeti bilo što, pa stoga ne predviđa ništa.

Ako im dodate sve zajedno, kao što je filozof Bjørn Ekeberg napravio u svom nedavnom djelu za Scientific American, mogli biste pomisliti da je kozmologija u krizi. Ali ako ste marljivi znanstvenik, upravo je suprotno. Evo zašto.

Ako gledate dalje i dalje, izgledate i dalje i dalje u prošlost. Što prije odete, toplije i gušće, kao i manje razvijen, ispada da je svemir. Najraniji signali mogu nam čak reći i ono što se dogodilo prije trenutaka vrućeg Velikog praska. (NASA / STSCI / A. FEILD (STSCI))

Znanost je više od puke zbirke činjenica, mada se zasigurno oslanja na čitav niz podataka i informacija koje smo prikupili o prirodnom svijetu. Znanost je također proces u kojem se prevladavajuće teorije i okviri suočavaju sa što je moguće više novih testova, želeći potvrditi ili opovrgnuti posljedice predviđanja naših najuspješnijih ideja.

Ovdje se nalaze granice znanosti: na rubovima valjanosti naših vodećih teorija. Mi dajemo predviđanja, izlazimo i testiramo ih eksperimentalno i promatrački, a zatim ograničavamo, revidiramo ili proširujemo svoje ideje kako bismo prilagodili svim novim podacima koje smo dobili. Krajnji san mnogih jest revolucija u načinu na koji zamislimo naš svijet i zamjena naših trenutnih teorija nečim još uspješnijim i dubljim.

Davno prije nego što su se vratili podaci BOOMERanG-a, mjerenje spektra CMB-a od COBE pokazalo je da je preostali sjaj iz Velikog praska savršeno crno tijelo. Jedno od mogućih alternativnih objašnjenja bilo je refleksija zvjezdane svjetlosti, kao što je kvazi ustaljenom modelu predviđao, ali razlika u spektralnom intenzitetu između onoga što je bilo predviđeno i promatrano pokazala je da ova alternativa ne može objasniti ono što se vidi. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Ali nije tako lak zadatak reproducirati uspjehe naših vodećih znanstvenih teorija, još manje nadići njihova sadašnja ograničenja. Ljudi zaljubljeni u ideje koje su u sukobu s robusnim opažanjima imali su notorno teška vremena otpuštajući preferirane zaključke. Ovo se ponavlja kroz povijest znanosti i uključuje:

  • Fred Hoyle je odbio prihvatiti Veliki prasak skoro 40 godina nakon otkrića pozadine kozmičke mikrovalne,
  • Halton Arp inzistira na tome da kvazari nisu udaljeni objekti, unatoč desetljećima podataka koji pokazuju da njihova crvena pomaka nisu kvantizirana,
  • Hannes Alfven i njegovi kasniji sljedbenici inzistiraju na tome da gravitacija ne dominira Univerzumom na velikim mjerilima i da plazme određuju strukturu svemira velikih razmjera, čak i nakon što su bezbrojna promatranja odbacila tu ideju.

Iako je znanost sama po sebi možda nepristrana, znanstvenici nisu. Možemo postati plijen istih kognitivnih predrasuda kao i svi drugi. Jednom kada odaberemo svoje preferirane zaključke, često se prevaramo kroz pogrešnu praksu motiviranog rasuđivanja.

Shematski dijagram povijesti Univerzuma, naglašavajući rejonizaciju. Prije formiranja zvijezda ili galaksija, Svemir je bio pun neutralnih atoma koji blokiraju svjetlost. Iako većina Svemira nije ponovno započeta realizirati tek 550 milijuna godina nakon čega se prvi valovi događaju oko 250 milijuna godina, nekoliko sretnih zvijezda može se formirati tek 50 do 100 milijuna godina nakon Velikog praska, i sa pravi alati, možemo otkriti najranije galaksije. (SG DJORGOVSKI ET AL., CALTECH DIGITAL MEDIA CENTER)

Odatle je poteko poznati aforizam da "fizika napreduje s jedne sahrane". Tu je ideju izvorno iznio Max Planck sljedećom izjavom:

Nova znanstvena istina ne pobjeđuje uvjeravajući svoje protivnike i tjerajući ih da ugledaju svjetlo, već zato što njegovi protivnici na kraju umru i odraste nova generacija koja je upoznata s tim.

Veliki problem koji mnogi neznanstvenici (pa čak i neki znanstvenici) nikada neće shvatiti je sljedeći: uvijek možete iskazati svoje teorijske ideje kako bi ih natjerali da budu održivi i dosljedni onome što je promatrano. Zato je ključno, u bilo kojoj teoriji, napraviti robusna predviđanja unaprijed: prije nego što se provede kritičko promatranje ili mjerenje. Na ovaj način možete biti sigurni da testirate svoju teoriju, a ne da se bavite parametrima nakon činjenice.

Prema hipotezi o umornom svjetlu, broj fotona u sekundi koji dobijemo od svakog objekta pada proporcionalno kvadratu njegove udaljenosti, dok se broj objekata koje vidimo povećava kao kvadrat udaljenosti. Objekti bi trebali biti crveniji, ali trebali bi emitirati stalan broj fotona u sekundi kao funkcija udaljenosti. Međutim, u svemiru koji se širi dobivamo manje fotona u sekundi kako vrijeme prolazi jer moraju proći veće udaljenosti kako se svemir širi, a energija se smanjuje i crvenim pomakom. Čak i faktoring evolucije galaksije rezultira promjenom svjetline površine koja je slabija na velikim daljinama, u skladu s onim što vidimo. (WIKIMEDIA COMMONS USER STIGMATELLA AURANTIACA)

Kako se ispostavilo, upravo je to način na koji smo se poprilično uspostavili s vodećim kozmološkim modelom koji danas imamo.

Pojam širenja Svemira teorijski je predvidio Alexander Friedmann 1922. godine, kada je izvukao ono što sam nazvao najvažnijom jednadžbom u Svemiru. Promatranja Vesta Sliphera, Edwina Hubblea i Miltona Humasona to su potvrdila samo nekoliko godina kasnije, što je dovelo do moderne predstave o širenju Univerzuma.

Prema izvornim promatranjima Penziasa i Wilsona, galaktička ravnina je ispuštala neke astrofizičke izvore zračenja (centar), dok je iznad i ispod te ravnine postojala gotovo savršena, ujednačena pozadina zračenja. Temperatura i spektar ovog zračenja sada su izmjereni, a slaganje s predviđanjima Velikog praska je izvanredno. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Tada su se pojavila mnoga konkurentska objašnjenja za podrijetlo Univerzuma, s tim da je Veliki prasak imao četiri izričita temelja:

  1. svemir koji se širi,
  2. predviđena obilje svjetlosnih elemenata, stvorenih tijekom vruće, guste, rane faze Velikog praska,
  3. ostatak fotona samo nekoliko stupnjeva iznad apsolutne nule,
  4. i stvaranje strukture velikih razmjera, sa strukturama koje se moraju razvijati s daljinom.

Sve četiri su sada promatrane, a posljednja tri dogodila su se nakon što je prvi put predložen Veliki prasak. Konkretno, otkriće preostalog sjaja fotona sredinom 1960-ih bilo je prekretnica. Kako niti jedan drugi okvir ne može objasniti ova četiri promatranja, sada ne postoje izvodljive alternative Velikog praska.

Fluktuacije CMB-a, formiranje i korelacije između strukture velikih razmjera i modernih promatranja gravitacijskog leća, među mnogim drugima, upućuju na istu sliku: svemir koji se ubrzava, koji sadrži i pun tamne materije i tamne energije. Moraju se razmotriti i alternative koje nude različita promatrajuća predviđanja, ali u usporedbi s cijelim paketom opažanja. (CHRIS BLAKE AND SAM MOORFIELD)

Uz širi, hladeći Svemir koji je počeo iz vrućeg, gustog stanja ispunjenog materijom i zračenjem, a sve je upravljalo Einsteinovom općom relativnošću, postoji niz mogućnosti za to kako se Univerzum mogao razviti, ali nije beskonačan broj. Postoje odnosi između onoga što je u Svemiru i načina na koji se razvija brzina širenja, a to snažno ograničava ono što je moguće.

Ovo je jedina tvrdnja koja je nedvosmisleno ispravna u Ekebergovom djelu.

Jednom kada prihvatite Veliki prasak i Univerzum kojim upravlja Opća relativnost, postojao je ogroman niz dokaza koji ukazuju na postojanje tamne materije i tamne energije. Ovo nije ni novi apartman, ali onaj koji se postavlja od 1970-ih. Glavni konkurent mračne energije propao je prije nekih 15 godina, ostavljajući samo Svemir sa tamnom materijom i tamnom energijom kao održivom kosmologijom kako bi objasnio cijeli skup dokaza.

Ograničenja na tamnu energiju iz tri neovisna izvora: supernove, CMB i BAO (koji su obilježje velike strukture Svemira.) Imajte na umu da bi nam i bez supernova trebalo tamnu energiju i da je samo 1/6 pronađena materija može biti normalna materija; ostalo mora biti tamna materija. (PROJEKT KOSMOLOGIJE SUPERNOVA, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))

To je ključ koji se toliko često zanemaruje: morate ispitati cijeli niz dokaza prilikom procjene uspjeha ili neuspjeha vaše teorije ili okvira. Naravno, uvijek možete pronaći pojedinačna opažanja koja predstavljaju tešku objašnjenje za vašu teoriju, ali to ne znači da je možete samo zamijeniti nečim što uspješno objašnjava to opažanje.

Morate voditi računa o svemu, plus novom promatranju, plus novim pojavama koje još nisu uočene.

To je problem svake alternative. Svaka alternativa širenjem Svemira, Velikom prasku, tamnoj materiji, tamnoj energiji ili inflaciji, sve ne mogu objasniti sve što je već opaženo, još manje ostatak toga. Zato praktički svaki znanstveni rad smatra da su ove predložene alternative puki sandbox, a ne ozbiljan izazov glavnom konsenzusu.

Patuljasta galaksija Carina, vrlo slična po veličini, distribuciji zvijezda i morfologiji patuljskoj galaksiji Draco, pokazuje vrlo različit gravitacijski profil od Draca. To se može jasno objasniti tamnom materijom ako se može ugrijati formiranjem zvijezda, ali ne i modificiranom gravitacijom. (ESO / G. BONO & CTIO)

Zaista postoje galaksije bez tamne materije, ali to predviđa teorija. U stvari, prije gotovo desetljeća, istaknuti protivnik primijetio je nedostatak galaksija bez tamne materije i tvrdio da je krivotvorio model tamne materije. Kad su otkrivene te galaksije bez tamne materije, isti je taj znanstvenik odmah tvrdio da su u skladu s modificiranom gravitacijom. Ali samo tamna tvar objašnjava čitav niz dokaza koji se tiču ​​Univerzuma.

Doista postoji razlika između dva različita skupa grupa koji pokušavaju izmjeriti brzinu širenja Svemira. Razlika je 9% i mogla bi predstavljati temeljnu pogrešku u tehnici jedne grupe. Uzbudljivije, to bi mogao biti znak da je tamna energija ili neki drugi aspekt Univerzuma složeniji od naših naivnih pretpostavki. Ali tamna energija je i dalje potrebna u svakom slučaju; jedina „kriza“ se umjetnički proizvodi.

Grafikon prividne brzine ekspanzije (osi y) prema udaljenosti (osi x) u skladu je sa Svemirom koji se proširio brže u prošlosti, ali gdje se daleke galaksije u svojoj recesiji danas ubrzavaju. Ovo je moderna verzija, koja se proteže tisućama puta dalje od Hubbleovog izvornog djela. Imajte na umu činjenicu da točke ne tvore ravnu liniju, što ukazuje na promjenu brzine širenja tijekom vremena. Činjenica da Svemir slijedi krivulju koja radi, ukazuje na prisutnost i kasnu vladavinu tamne energije. (NED WIGHT, NA TEMI NAJNOVIJIH PODATAKA IZ BETOULE ET AL. (2014))

Konačno, postoji kozmička inflacija, faza Univerzuma koja se dogodila prije vrućeg Velikog praska, postavljajući početne uvjete s kojima se rodio Svemir. Iako ga mnogi ismijavaju, inflacija nikada nije bila namijenjena konačnom, konačnom odgovoru, već kao okviru za rješavanje zagonetki koje Veliki prasak ne može objasniti i za nova predviđanja koja opisuju rani Svemir.

Na tim računima je to spektakularno uspješno. Inflacija:

  1. uspješno reproducira sva predviđanja vrućeg Velikog praska,
  2. rješava zagonetke, ravni i monopolne zagonetke koje su zadesile neinflatorni Veliki prasak,
  3. i napravio je šest novih predviđanja koja su se razlikovala od starog stila Velikog praska, a najmanje su četiri potvrđena.
Kvantne fluktuacije do kojih dolazi tijekom inflacije prostiru se u svemiru, a kad inflacija prestane, one postaju fluktuacije gustoće. To dovodi do vremena do strukture velikih razmjera u Svemiru danas, kao i do oscilacija temperature opaženih u CMB. Ova nova predviđanja ključna su za pokazuvanje valjanosti mehanizma precizne prilagodbe. (E. SIEGEL, SA SLIKAMA DOSTAVLJENIH IZ ESA / PLANCKA I DOSTAVKOM SILA DOE / NASA / NSF-a O ISTRAŽIVANJU CMB-a)

Reći da kozmologija ima neke zanimljive zagonetke je uvjerljivo; reći da ima velikih problema nije nešto s čime bi se složili većina kozmologa. Ekeberg raspravlja o inflatornom Velikom prasku sa tamnom materijom i tamnom energijom kako slijedi:

Ova poznata priča obično se uzima kao samorazumljiva znanstvena činjenica, unatoč relativnom nedostatku empirijskih dokaza - i usprkos stalnom nizu razlika, proizašlih iz promatranja dalekog svemira.

Tvrditi da nedostaje empirijskih dokaza za to u potpunosti nerazumijeva što je znanost ili kako znanost funkcionira, općenito i posebno u ovom području, gdje su podaci obilni i visoki u kvaliteti. Ukazati na "stalan niz odstupanja" nepristojno je - i usuđujem se namjerno - pogrešno tumačenje dokaza, koje je Ekeberg koristio za postizanje solipsističke, filozofski prazne, anti-naučne agende.

Mnoge galaksije u blizini, uključujući sve galaksije lokalne skupine (uglavnom skupljene u krajnjoj lijevoj strani), prikazuju odnos između njihove raspodjele mase i brzine, što ukazuje na prisutnost tamne materije. NGC 1052-DF2 prva je poznata galaksija za koju se čini da je sačinjena od normalne materije. (DANIELI ET AL. (2019), ARXIV: 1901.03711)

Uvijek bismo trebali biti svjesni ograničenja i pretpostavki svojstvenih bilo kojoj znanstvenoj hipotezi koju iznesemo. Svaka teorija ima raspon utvrđene valjanosti i raspon u kojem proširujemo svoja predviđanja mimo poznatih granica. Teorija je dobra samo koliko i predviđanja koja se mogu provjeriti; gurnuti na novo promatračko ili eksperimentalno područje tamo je gdje moramo potražiti ako se ikada nadamo da će nadići naše sadašnje razumijevanje.

Ali ne smijemo zaboraviti ili izbaciti postojeće uspjehe Opće relativnosti, svemira koji se širi, Velikog praska, tamne materije, tamne energije ili inflacije. Nadalje od naših trenutnih teorija uključuje - kao obavezan zahtjev - obuhvaćajući i reproducirajući njihove trijumfe. Sve dok snažna alternativa ne dosegne taj prag, sve izgovore o "velikim problemima" s prevladavajućom paradigmom treba tretirati onim što jesu: ideološki vođenim dijatribama bez potrebnih znanstvenih zasluga da ih podupru.

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.