Tuhansien vuosien ajan ihmiset ovat seuranneet tähtiä ja mietineet kuinka maailmankaikkeus tuli. Mutta vasta ensimmäisen maailmansodan vuosina tutkijat kehittivät ensimmäiset havaintovälineet ja teoreettiset välineet muuttaakseen nämä suuret kysymykset tarkkaksi tutkimusalueeksi: kosmologiaksi.
"Pidän kosmologiaa yhtenä vanhimmista ihmisille kiinnostavista aiheista, mutta yhtenä uusimmista tieteistä", sanoi Princetonin yliopiston kosmologi Paul Steinhardt, joka tutkii, onko ajalla alkua.
Kosmologia, pähkinänkuoressa, tutkii kosmosta yhtenä kokonaisuutena sen sijaan, että analysoisi erikseen tähtiä, mustia aukkoja ja galakseja, jotka täyttävät sen. Tämä kenttä esittää suuria kysymyksiä: Mistä maailmankaikkeus tuli? Miksi siinä on tähtiä, galakseja ja galaksiklusteria? Mitä seuraavaksi tapahtuu? "Kosmologia yrittää tehdä erittäin laaja-alaisen kuvan maailmankaikkeuden luonteesta", kertoi New Yorkin yliopiston hiukkasfyysikko Glennys Farrar.
Koska tämä kurjuus käsittelee monia ilmiöitä tyhjiössä olevista hiukkasista tilan ja ajan kankaaseen, kosmologia vetää voimakkaasti monia aloja, mukaan lukien tähtitiede, astrofysiikka ja yhä enemmän hiukkasfysiikka.
"Kosmologialla on osia siitä, joka on täysin fysiikassa, osia, jotka ovat täysin astrofysiikassa ja osia, jotka menevät edestakaisin", Steinhardt sanoi. "Se on osa jännitystä."
Historia maailmankaikkeuden historiasta
Alan monitieteinen luonne auttaa selittämään sen suhteellisen myöhäistä alkua. Nykyaikainen kuvamme maailmankaikkeudesta alkoi muodostua vasta 1920-luvulla, pian sen jälkeen, kun Albert Einstein kehitti yleisen suhteellisuusteorian teorian, matemaattisen viitekehyksen, joka kuvaa painovoimaa tilan ja ajan taipumisen seurauksena.
"Ennen kuin ymmärrät painovoiman luonnetta, et voi oikeasti tehdä teoriaa siitä, miksi asiat ovat sellaisia kuin ne ovat", Steinhardt sanoi. Muilla voimilla on suurempia vaikutuksia hiukkasiin, mutta painovoima on tärkein toimija planeettojen, tähtien ja galaksien areenalla. Isaac Newtonin kuvaus painovoimasta toimii usein myös siinä valtakunnassa, mutta se käsittelee tilaa (ja aikaa) jäykänä ja muuttumattomana taustana, jota vastaan voidaan mitata tapahtumia. Einsteinin työ osoitti, että avaruus itsessään voisi laajentua ja supistua, siirtämällä maailmankaikkeuden vaiheesta näyttelijäksi ja tuomalla sen kammioon dynaamiseksi tutkittavaksi esineeksi.
1920-luvun puolivälissä, tähtitieteilijä Edwin Hubble havaitsi äskettäin rakennetun 100 tuuman (254 senttimetrin) Hooker-kaukoputken Kalifornian Mount Wilsonin observatoriossa. Hän yritti ratkaista keskustelun tiettyjen pilvien sijainnista avaruudessa, jotka tähtitieteilijät voivat nähdä. Hubble osoitti, että nämä "sumut" eivät olleet pieniä, paikallisia pilviä, vaan olivat sen sijaan valtavia, kaukana sijaitsevia tähtiryhmiä, jotka olivat samanlaisia kuin oma Linnunrata - "saareuniversumit" ajanjaksolla. Kutsumme heitä tänään galakseihin ja tiedämme, että niitä on biljoonaissa.
Suurimmat murrokset kosmisessa näkökulmassa olivat vielä edessä. Hubblen 1920-luvun lopulla tekemä työ ehdotti, että galaksit kaikkiin suuntiin ovat nopeutumassa meistä, mikä laukaisee vuosikymmenien jatkokeskustelua. Kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) lopulliset mittaukset - maailmankaikkeuden alkuvuosista jäljelle jäänyt ja mikroaaltoihin ulottuva valo - 1960-luvulla osoittivat, että todellisuus vastasi yhtä yleisen suhteellisuusteorian tarjoamista mahdollisuuksista: Alkaen pienestä ja kuumasta, maailmankaikkeus on siitä lähtien olemme olleet isompia ja kylmempiä. Käsite tuli tunnetuksi Big Bang -teoriana, ja se raputti kosmologeja, koska se merkitsi, että jopa maailmankaikkeudella voi olla alku ja loppu.
Mutta ainakin nämä tähtitieteilijät näkivät galaksien liikkeet kaukoputkeissaan. Yksi kosmologian seismisimmistä muutoksista, sanoi Farrar, on ajatus, että suurin osa siellä olevista tavaroista on tehty jostakin muusta, jostakin täysin näkymättömästä. Näkemämme materiaali on vähän enemmän kuin kosminen pyöristysvirhe - vain noin 5% kaikesta maailmankaikkeudessa.
Toisen 95% maailmankaikkeuden ensimmäinen kielto, jota on kutsuttu "tummaksi sektoriksi", kasvatti päänsä 1970-luvulla. Tuolloin tähtitieteilijä Vera Rubin tajusi, että galaksit pyörivät niin nopeasti, että heidän pitäisi spinätä itsensä toisistaan. Farrar sanoi, että enemmän kuin vaikeasti havaittavissa oleva asia, galaksien yhdessä pitämisen on oltava jotain fyysikoille täysin tuntematonta, jotain, joka paitsi sen painovoimavetoa täysin ohittaa tavallisen aineen ja valon. Myöhemmässä kartoituksessa kävi ilmi, että näkemämme galaksit ovat yksinkertaisesti ytimiä kolossaalisten "pimeän aineen" pallojen keskellä. Näkyvän aineen filamentit, jotka ulottuvat maailmankaikkeuden poikki, ovat tummassa kehyksessä, joka ylittää näkyvät hiukkaset viisi yhteen.
Hubble-avaruusteleskooppi paljasti sitten merkkejä odottamattomasta energian monimuotoisuudesta - joka kosmologien mukaan nykyään muodostaa loput 70% maailmankaikkeudesta sen jälkeen, kun se on ottanut huomioon pimeän aineen (25%) ja näkyvän aineen (5%) - 1990-luvulla, jolloin se kertoi maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtyvän kuin pakeneva juna. "Tumma energia", mahdollisesti itselleen avaruudelle ominainen energia, ajaa maailmankaikkeutta toisistaan nopeammin kuin painovoima voi vetää kosmoksen yhteen. Triljoona vuoden kuluttua kaikki Linnunradan jättäneet tähtitieteilijät löytävät itsensä todellisesta saaren universumista, pimeyden vaippa.
"Olemme siirtymävaiheessa maailmankaikkeuden historiassa, mistä sitä hallitsee aine, sinne missä sitä hallitsee uusi energian muoto", Steinhardt sanoi. "Pimeä aine määräsi menneisyytemme. Tumma energia määrää tulevaisuutemme."
Moderni ja tulevaisuuden kosmologia
Nykyinen kosmologia pakata nämä tärkeät havainnot kruunattavaksi saavutukseksi, Lambda-CDM-malliksi. Tämä yhtälöryhmä, jota kutsutaan joskus kosmologian standardimalliksi, kuvaa maailmankaikkeutta noin ensimmäisestä sekunnista eteenpäin. Malli olettaa tietyn määrän tummaa energiaa (lambda sen esittämiseksi yleisessä suhteellisuudessa) ja kylmää tummaa ainetta (CDM) ja tekee samanlaisia arvauksia näkyvän aineen määrästä, maailmankaikkeuden muodosta ja muista ominaisuuksista, jotka kaikki määritetään kokeilla ja havainnot.
Toista tämä vauvauniversumin elokuva eteenpäin 13,8 miljardia vuotta, ja kosmologit saavat tilannekuvan, joka "tilastollisesti sisältää kaiken, mitä voimme mitata tiettyyn pisteeseen asti", Steinhardt sanoi. Tämä malli edustaa tavoitetta voittaa, kun kosmologit työntävät kuvauksensa maailmankaikkeudesta syvemmälle menneisyyteen ja tulevaisuuteen.
Niin menestyksekäs kuin Lambda-CDM on ollut, siinä on edelleen runsaasti taitoja, jotka tarvitsevat treenaamista. Kosmologit saavat ristiriitaisia tuloksia yrittäessään tutkia maailmankaikkeuden nykyistä laajentumista riippuen siitä, mittaavatko he sitä suoraan läheisissä galakseissa vai päättelevätkö se CMB: stä. Tämä malli ei myöskään sano mitään pimeän aineen meikasta tai energiasta.
Sitten on olemassa se hankala ensimmäinen olemassaolon sekunti, kun maailmankaikkeus oletettavasti siirtyi äärettömän pienestä pisteestä relativistisesti hyvin käyttäytyvään kuplaan. "Inflaatio" on suosittu teoria, joka yrittää käsitellä tätä ajanjaksoa ja selittää kuinka lyhyt vielä nopeamman laajenemisen hetki räjäytti pienet alkumuunnelmat nykypäivän galaksien suuren mittakaavan epätasaisuuteen sekä kuinka Lambda-CDM-tulot saivat arvonsa .
Kukaan ei kuitenkaan tiedä kuinka inflaatio toimi yksityiskohtaisesti tai miksi se pysähtyi sinne, missä se todennäköisesti tapahtui. Steinhardt kertoi, että inflaation olisi pitänyt jatkua monilla avaruusalueilla, mikä tarkoittaa, että universumimme on vain yksi viipale "multiverse", joka sisältää kaiken mahdollisen fyysisen todellisuuden - väistämätön ajatus, jonka monet kokeilijat pitävät huolestuttavana.
Edistyäkseen tällaisten kysymysten suhteen kosmologit etsivät tarkkuusmittauksia avaruuspohjaisista teleskoopeista, kuten Hubble-avaruusteleskoopista ja tulevasta James Webbin avaruusteleskoopista, samoin kuin kokeiluja nousevan gravitaatioaallon tähtitieteen kentällä, kuten National Science Foundationin Laserinterferometrin gravitaatioaalto-observatorio. Kosmologit osallistuvat myös hiukkasfyysikoihin ja astrofysiikkoihin monitieteellisessä kilpailussa tumman aineen hiukkasten havaitsemiseksi.
Aivan kuten kosmologia ei voinut alkaa, ennen kuin muut fysiikan haarat olivat kypsyneet, se ei pysty lopettamaan maailmankaikkeuden historian paljastamista, ennen kuin muut alueet ovat täydellisempiä. "Jotta tarina saadaan suoraksi, sinun on työskenneltävä käytännössä kaikki fysiikan lait kaikissa energiavaa'oissa ja kaikissa olosuhteissa ", Steinhardt sanoi. "Ja muutos mihin tahansa näistä voisi radikaalisti muuttaa kosmologista tarinaa."
Farrar sanoi, että hän ei tiedä tapahtuuko se, mutta ihmettelee, että ihmiset ovat tarttuneet maailmankaikkeuden monimutkaisuuteen niin paljon kuin heillä on. "On hämmästyttävää, että ihmisen aivot ovat kehittyneet siihen pisteeseen, että näihin kysymyksiin voidaan ilmeisesti vastata", hän sanoi. "Jotkut heistä ainakin."
lisä- voimavarat:
