Вид SDSS в інфрачервоному - з APOGEE - галактики Чумацький Шлях у напрямку до центру. 100 років тому це було нашою концепцією всього Всесвіту. Кредитна графіка: Sloan Digital Sky Survey.

11 Наукові досягнення останніх 100 років дали нам весь наш Всесвіт

З Всесвіту, який пройшов не більше нашого Чумацького Шляху, до трильйонів галактик у нашому Всесвіті, що розширюється, наші знання зростали на крок за часом.

«Ґамов був фантастичним у своїх ідеях. Він мав рацію, він помилявся. Частіше неправильно, ніж правильно. Завжди цікаво; … І коли його думка не була помилковою, вона була не тільки правильною, але й нова. -Едвард Теллер

Рівно 100 років тому наше уявлення про Всесвіт значно відрізнялося від того, яке є сьогодні. Зірки всередині Чумацького Шляху були відомі, і вони, як відомо, знаходилися на відстані до тисячі світлових років, але далі нічого не вважалося. Всесвіт вважався статичним, оскільки спіралі та еліптики на небі вважалися об'єктами, що містяться в нашій власній галактиці. Гравітація Ньютона досі не була повалена новою теорією Ейнштейна, а наукові ідеї, такі як Великий вибух, темна речовина та темна енергія, ще навіть не були придумані. Але протягом кожного десятиліття були досягнуті величезні досягнення, аж до наших днів. Ось основна інформація про те, як кожен рухав наше наукове розуміння Всесвіту вперед.

Результати експедиції Еддінгтона 1919 р. Переконливо показали, що Загальна теорія відносності описує вигин зіркового світла навколо масивних предметів, що скидає картину Ньютона. Кредитний імідж: Ілюстровані лондонські новини, 1919 рік.

1910-ті - теорія Ейнштейна підтверджена! Загальна відносність славилася поясненням того, що гравітація Ньютона не могла: прецесія орбіти Меркурія навколо Сонця. Але наукової теорії недостатньо, щоб пояснити щось, що ми вже спостерігали; їй потрібно зробити прогноз щодо того, що ще не видно. Хоча за минуле століття було багато - гравітаційне розширення часу, сильне і слабке лінзування, перетягування рамки, гравітаційне червоне зміщення тощо - першим було згинання зоряного світла під час повного затемнення Соня, яке спостерігали Еддінгтон та його співробітники в 1919 році. Спостережувана кількість вигину зіркового світла навколо Сонця відповідала Ейнштейну і не відповідала Ньютону. Просто так, наш погляд на Всесвіт змінився б назавжди.

Відкриття Хаббла змінної Цефеїда в галактиці Андромеди, M31, відкрило нам Всесвіт. Кредит зображення: Е. Хаббл, NASA, ESA, Р. Гендлер, З. Левай та команда спадщини Хаббла. Кредит зображення: Е. Хаббл, NASA, ESA, Р. Гендлер, З. Левай та команда спадщини Хаббла.

1920-ті - Ми ще не знали, що там знаходиться Всесвіт поза Чумацьким Шляхом, але все змінилося в 1920-х роках з творчістю Едвіна Хаббла. Спостерігаючи за деякими спіральними туманностями на небі, він зміг визначити окремі, змінні зірки одного типу, які були відомі в Чумацькому Шляху. Тільки їх яскравість була настільки низькою, що їм потрібно було знаходитись за мільйони світлових років, віддаляючи їх далеко за межі нашої галактики. Хаббл не зупинився на цьому, вимірявши швидкість спаду і відстані протягом більше десятка галактик, відкривши для себе величезний розширюється Всесвіт, про який ми знаємо сьогодні.

Дві яскраві великі галактики в центрі скупчення Коми, NGC 4889 (зліва) та трохи менший NGC 4874 (праворуч), кожен перевищує розмір мільйона світлових років. Але галактики на околицях, які так швидко стягуються навколо, вказують на існування великого ореолу темної речовини у всьому кластері. Кредит зображення: Адам Блок / Mount Lemmon SkyCenter / Університет Арізони.

1930-ті - Тривалий час вважалося, що якщо ви зможете виміряти всю масу, що міститься у зірках, і, можливо, додати газ і пил, ви б відповідали за всю справу у Всесвіті. Проте спостерігаючи за галактиками всередині густого скупчення (як кластер Кома, вище), Фріц Цвікі показав, що зірки і те, що ми знаємо як "нормальна матерія" (тобто атоми), були недостатніми для пояснення внутрішніх рухів цих скупчень. Він одержав назву цієї нової матерії матової тканини, або темної матерії, спостереження, яке значною мірою ігнорувалося до 1970-х, коли нормальна матерія була краще зрозуміла, і темна матерія була показана у великій кількості в окремих обертових галактиках. Зараз ми знаємо, що це перевершує нормальну речовину співвідношенням 5: 1.

Хронологія історії нашої спостережуваної Всесвіту, де спостерігається частина розширюється до більших і більших розмірів, коли ми рухаємось вперед від Великого Вибуху. Кредитний імідж: наукова команда NASA / WMAP

1940-ті - Хоча переважна більшість експериментальних та спостережних ресурсів переходила в шпигунські супутники, ракетобудування та розвиток ядерних технологій, фізики-теоретики ще важко працювали. У 1945 році Джордж Ґамов здійснив остаточну екстраполяцію Всесвіт, що розширюється: якщо Всесвіт сьогодні розширюється та охолоджується, то, мабуть, у минулому вона була гарячішою та щільнішою. Ідучи назад, мабуть, був час, коли було настільки жарко і щільно, що нейтральні атоми не могли сформуватися, а до того, коли атомні ядра не могли сформуватися. Якби це було правдою, то, перш ніж будь-які зірки колись утворилися, цей матеріал, з якого розпочався Всесвіт, повинен мати певне співвідношення найлегших елементів, і сьогодні повинно бути залишене світіння, яке пронизує всі напрямки у Всесвіті лише на кілька градусів вище абсолютного нуля . Ця рамка сьогодні відома як Великий вибух, і це була найбільша ідея, яка вийшла з 40-х років.

Цей виріз демонструє різні ділянки поверхні та внутрішніх приміщень Сонця, включаючи серцевину, де відбувається ядерний синтез. Процес злиття у зірок, схожих на Сонце, а також у його більш масивних кузенів - це те, що дозволяє нам створити важкі елементи, присутні сьогодні у Всесвіті. Кредит зображення: користувач Wikimedia Commons Kelvinsong.

1950-ті - Але конкуруючою ідеєю до Великого вибуху була модель Steady-State, висунута Фредом Хойлом та іншими за той же час. Виразно обидві сторони доводили, що всі важчі елементи, присутні на Землі сьогодні, були сформовані на більш ранній стадії Всесвіту. Що стверджували Хойл та його співробітники, це те, що вони були зроблені не під час раннього, спекотного та щільного стану, а, скоріше, у попередніх поколіннях зірок. Хойл разом із співробітниками Віллі Фоулером та Джеффрі та Маргарет Бербідж детально розказали, як саме елементи будуватимуть періодичну таблицю з ядерного синтезу, що відбувається у зірках. Найбільш вражаюче вони прогнозували злиття гелію у вуглець через процес, який ніколи не спостерігали: потрійний альфа-процес, що вимагає існування нового стану вуглецю. Цей стан було відкрито Фаулером через кілька років після того, як його запропонував Хойл, і сьогодні він відомий як стан вуглецю Хойла. З цього ми дізналися, що всі важкі елементи, існуючі на Землі сьогодні, завдячують своїм походженням всім попереднім поколінням зірок.

Якби ми могли бачити мікрохвильове світло, нічне небо виглядало б як зелений овал при температурі 2,7 К, «шум» у центрі сприяв більш гарячим внескам нашої галактичної площини. Це рівномірне випромінювання зі спектром чорних тіл є свідченням залишкового світіння від Великого вибуху: космічного мікрохвильового фону. Кредитний імідж: наукова команда NASA / WMAP

1960-ті - Після дев'ятирічних дебатів було розкрито ключове спостереження, яке вирішило б історію Всесвіту: виявлення передбачуваного світіння, що залишилося від Великого вибуху, або космічне мікрохвильове тло. Це рівномірне випромінювання 2,725 К було відкрито в 1965 році Арно Пензіасом та Боб Вілсоном, жоден з яких не зрозумів, що вони виявили спочатку. Проте з часом вимірювались повний спектр чорного тіла цього випромінювання і навіть його коливання, що показує нам, що Всесвіт почався з «ударом».

Найбільш ранні етапи Всесвіту до Великого вибуху - це те, що створило початкові умови, з яких розвинулося все, що ми бачимо сьогодні. Це була велика ідея Алана Гута: космічна інфляція. Кредит зображення: Е. Зігель, із зображеннями, отриманими з ESA / Planck та міжвідомчої робочої групи DoE / NASA / NSF для досліджень CMB.

1970-ті - В самому кінці 1979 року молодий вчений мав уявлення про життя. Алан Гут, шукаючи спосіб вирішити деякі незрозумілі проблеми Великого вибуху - чому Всесвіт був настільки просторово рівним, чому була однакова температура в усіх напрямках і чому не було реліквіїв надвисокої енергії - прийшов за ідеєю, відомою як космічна інфляція. Це говорить про те, що до того, як Всесвіт існував у гарячому, щільному стані, він був у стані експоненціальної експансії, де вся енергія була пов'язана у самій тканині простору. Потрібно було вдосконалити початкові ідеї Гута для створення сучасної теорії інфляції, але наступні спостереження - включаючи коливання КМБ, масштабної структури Всесвіту та того, як галактики стискаються, скупчуються та формуються - усі вони мстили прогнози інфляції. Не тільки наш Всесвіт почався з удару, але була держава, яка існувала до того, як колись стався гарячий Великий вибух.

Залишок наднової 1987а, розташованої у Великій Магеллановій Хмарі, приблизно за 165 000 світлових років. Це була найближча спостережувана наднова до Землі протягом понад трьох століть. Кредит зображення: Ноель Карбоні та ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

1980-ті роки - це може здатися не так вже й багато, але в 1987 році найближча до Землі супернова була за 100 років. Це також була перша наднова, коли в Інтернеті були детектори, здатні знаходити нейтрино з цих подій! Поки ми бачили велику кількість наднових в інших галактиках, у нас ніколи раніше не було жодного такого наближення, що нейтрино з нього можна було спостерігати. Ці 20-ти або більше нейтрино ознаменували початок нейтроноастрономії, і наступні розробки з тих пір призвели до виявлення коливань нейтрино, маси нейтрино та нейтрино з наднових, що відбулися більше ніж мільйон світлових років. Якщо діючі поточні детектори все ще працюють, наступна наднова в нашій галактиці матиме понад сто тисяч нейтрино, виявлених з неї.

Чотири можливі долі Всесвіту, причому нижній приклад найкраще відповідає даним: Всесвіт з темною енергією. Вперше це було виявлено за допомогою далеких спостережень наднової. Кредит зображення: Е. Зігель / Поза Галактикою.

1990-ті - Якщо ви думали, що темна матерія і відкриття того, як почався Всесвіт, були великою справою, тоді ви можете лише уявити, який шок був у 1998 році, коли з'ясували, як всесвіт закінчиться! Ми історично уявляли три можливі долі:

  • Що розширення Всесвіту буде недостатнім, щоб подолати все гравітаційне тягнення, і Всесвіт знову припаде до великого кризу.
  • Що розширення Всесвіту було б надто великим для всього поєднаного тяжіння, і все у Всесвіті бігло б одне від одного, внаслідок чого велике замерзання.
  • Або що ми будемо прямо на кордоні між цими двома випадками, і швидкість розширення буде асимптотом до нуля, але ніколи не досягне цього: Критична Всесвіт.

Натомість, однак, далекі наднови вказували на те, що розширення Всесвіту пришвидшується і що з плином часу віддалені галактики збільшували свою швидкість одна від одної. Не тільки Всесвіт замерзне, але й усі галактики, які вже не пов'язані одна з одною, з часом зникнуть за нашим космічним горизонтом. Крім галактик нашої локальної групи, жоден інший галактик ніколи не зустріне наш Чумацький Шлях, і наша доля справді буде холодною, самотньою. Ще через 100 мільярдів років ми не зможемо побачити жодних галактик поза нашими.

Коливання космічного мікрохвильового фону були спочатку точно виміряні COBE у 1990-х, потім більш точно WMAP у 2000-х та Планк (вище) у 2010-х. Це зображення кодує величезну кількість інформації про ранньому Всесвіті. Кредитний імідж: ESA та співпраця Планка.

2000-ті - відкриття космічного мікрохвильового фону не закінчилося в 1965 році, але наші вимірювання коливань (або недосконалостей) у світіння останнього Великого вибуху навчили нас чомусь феноменальному: саме того, з чого була створена Всесвіт. Дані від COBE були замінені WMAP, що, в свою чергу, було покращено Планком. Окрім того, масштабні структурні дані, отримані у великих обстеженнях галактик (наприклад, 2dF та SDSS) та віддалених даних наднових, об'єднали нас, щоб дати нам сучасну картину Всесвіту:

  • 0,01% випромінювання у вигляді фотонів,
  • 0,1% нейтрино, які так незначно сприяють гравітаційним ореолам, що оточують галактики та скупчення,
  • 4,9% нормальної речовини, що включає все, що складається з атомних частинок,
  • 27% темної речовини або загадкових, не взаємодіючих (крім гравітаційно) частинок, які надають Всесвіту структуру, яку ми спостерігаємо,
  • і 68% темної енергії, яка властива самому космосу.
Системи Kepler-186, Kepler-452 і наша Сонячна система. У той час як планета навколо червоної карликової зірки на кшталт Кеплера-186 є цікавою у власних правах, Кеплер-452b може бути набагато більше подібний до Землі за низкою показників. Кредит зображення: NASA / JPL-CalTech / R. Шкода.

2010-ті - десятиліття ще не закінчилося, але поки що ми вже виявили наші перші потенційно схожі на Землю планети, серед тисяч і тисяч нових екзопланет, виявлених Місією Кеплера NASA, серед інших. Але, мабуть, це навіть не найбільше відкриття десятиліття, оскільки безпосереднє виявлення гравітаційних хвиль від LIGO не лише підтверджує картину, яку Ейнштейн вперше намалював, як гравітація, ще в 1915 році. Більше століття після того, як теорія Ейнштейна вперше змагалася з Ньютоном, щоб побачити, якими є гравітаційні правила Всесвіту, загальна відносність пройшла кожен випробуваний, що кидається на нього, досягнувши найменших тонкощів, що коли-небудь вимірювались або спостерігалися.

Ілюстрація злиття двох чорних дір, порівнянної маси з тією, що бачила LIGO. Очікується, що електромагнітного сигналу, що випромінюється в результаті такого злиття, мало бути дуже мало, але наявність сильно нагрітої речовини, що оточує ці об'єкти, може це змінити. Кредитна графіка: SXS, проект Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

Наукова історія ще не зроблена, оскільки Всесвіту ще багато нового. Однак ці 11 кроків перенесли нас із Всесвіту невідомої епохи, не більшого, ніж наша власна галактика, складена здебільшого зірками, до розширюється, охолоджуючого Всесвіту, що живиться від темної матерії, темної енергії та нашої нормальної матерії, наповненої потенційно мешканцями. планети, і це 13,8 мільярдів років, що походить від Великого вибуху, який був створений космічною інфляцією. Ми знаємо походження нашого Всесвіту, це доля, як воно виглядає сьогодні та як воно стало таким чином. Нехай наступні 100 років проводять стільки ж наукових досягнень, революцій та сюрпризів для всіх нас.

"Стартує з вибухом" зараз на Forbes, і перевидано на "Середній" завдяки нашим прихильникам Patreon. Етан є автором двох книг: «За межами Галактики» та «Трекнологія: Наука про Зоряний шлях від трикутників до варп-драйву».