Снимок SDSS в инфракрасной области - с APOGEE - галактики Млечный Путь, если смотреть в сторону центра. 100 лет назад это была наша концепция всей Вселенной. Изображение предоставлено: Sloan Digital Sky Survey.

11 научных достижений последних 100 лет подарили нам всю нашу вселенную

От Вселенной, которая прошла не больше нашего Млечного Пути, до триллионов галактик в нашей расширяющейся Вселенной, наши знания увеличивались по одному шагу за раз.

«Гамов был фантастическим в своих идеях. Он был прав, он был неправ. Чаще неправильно, чем правильно. Всегда интересно; ... и когда его идея не была неправильной, она была не только правильной, но и новой ». Эдвард Теллер

Ровно 100 лет назад наша концепция Вселенной сильно отличалась от сегодняшней. Звезды в Млечном Пути были известны, и было известно, что они находились на расстоянии до тысяч световых лет от нас, но не думали, что дальше. Предполагалось, что Вселенная статична, поскольку спирали и эллиптические точки на небе - это объекты, содержащиеся в нашей собственной галактике. Гравитация Ньютона все еще не была свергнута новой теорией Эйнштейна, а научные идеи, такие как Большой взрыв, темная материя и темная энергия, еще даже не были придуманы. Но в течение каждого десятилетия были достигнуты огромные успехи, вплоть до наших дней. Вот основной момент того, как каждый из нас продвинул наше научное понимание Вселенной.

Результаты экспедиции Эддингтона 1919 года показали, что в Общей теории относительности описывается изгиб звездного света вокруг массивных объектов, опрокидывающий ньютоновскую картину. Изображение предоставлено: The Illustrated London News, 1919.

1910-е годы - теория Эйнштейна подтвердилась! Общая теория относительности прославилась тем, что объяснила, что гравитация Ньютона не смогла: прецессию орбиты Меркурия вокруг Солнца. Но для научной теории недостаточно объяснить то, что мы уже наблюдали; нужно сделать прогноз о том, что еще предстоит увидеть. В то время как их было много за прошедшее столетие - гравитационное замедление времени, сильные и слабые линзы, перетаскивание кадров, гравитационное красное смещение и т. Д. - первым был изгиб звездного света во время полного солнечного затмения, наблюдаемый Эддингтоном и его сотрудниками в 1919 году. Наблюдаемое количество изгибов звездного света вокруг Солнца соответствовало Эйнштейну и не соответствовало Ньютону. Точно так же наш взгляд на Вселенную изменится навсегда.

Открытие Хабблом переменной Cepheid в галактике Андромеды, M31, открыло нам Вселенную. Фото предоставлено: Э. Хаббл, НАСА, ЕКА, Р. Гендлер, З. Левай и команда Hubble Heritage. Фото предоставлено: Э. Хаббл, НАСА, ЕКА, Р. Гендлер, З. Левай и команда Hubble Heritage.

1920-е годы - мы до сих пор не знали, что за Млечным путем существует Вселенная, но все изменилось в 1920-х годах с работой Эдвина Хаббла. Наблюдая за некоторыми спиральными туманностями в небе, он смог точно определить отдельные переменные звезды того же типа, которые были известны в Млечном Пути. Только их яркость была настолько низкой, что им нужно было находиться на расстоянии миллионов световых лет, что бы расположить их далеко за пределами нашей галактики. Хаббл не остановился на этом, измеряя скорость и расстояния рецессии для более чем дюжины галактик, открывая обширную, расширяющуюся Вселенную, которую мы знаем сегодня.

Две яркие, большие галактики в центре скопления комы, NGC 4889 (слева) и немного меньший NGC 4874 (справа), имеют размер, превышающий миллион световых лет. Но галактики на окраинах, так быстро летающие вокруг, указывают на существование большого ореола темной материи по всему скоплению. Изображение предоставлено: Блок Адама / Маунт-Леммон SkyCenter / Университет Аризоны.

1930-е годы. Долгое время считалось, что если бы вы могли измерить всю массу, содержащуюся в звездах, и, возможно, добавить в нее газ и пыль, вы бы объяснили всю материю во Вселенной. Тем не менее, наблюдая за галактиками в плотном скоплении (как кластер Комы, выше), Фриц Цвикки показал, что звезд и того, что мы знаем как «нормальное вещество» (то есть атомы), было недостаточно для объяснения внутренних движений этих скоплений. Он назвал это новое вещество материей, или темной материей, наблюдение, которое в значительной степени игнорировалось до 1970-х годов, когда нормальная материя была лучше понята, и было показано, что темная материя существует в большом количестве в отдельных вращающихся галактиках. Теперь мы знаем, что он превосходит нормальное вещество в соотношении 5: 1.

Временная шкала истории нашей наблюдаемой Вселенной, где наблюдаемая часть расширяется до все больших и больших размеров по мере того, как мы движемся вперед во времени от Большого взрыва. Изображение предоставлено научной группой NASA / WMAP.

1940-е годы. Хотя подавляющее большинство экспериментальных и наблюдательных ресурсов было направлено на спутники-шпионы, ракетостроение и разработку ядерных технологий, физики-теоретики все еще усердно трудились. В 1945 году Джордж Гамов произвел окончательную экстраполяцию расширяющейся Вселенной: если Вселенная сегодня расширяется и охлаждается, значит, в прошлом она была более горячей и плотной. Возвращаясь назад, должно было быть время, когда было так жарко и плотно, что нейтральные атомы не могли образоваться, и до того, когда атомные ядра не могли образовываться. Если бы это было правдой, то прежде чем какие-либо звезды когда-либо сформировались, этот материал, с которого начиналась Вселенная, должен иметь определенное соотношение самых легких элементов, и сегодня должно быть оставшееся свечение, пронизывающее все направления во Вселенной, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля сегодня. , Эта структура сегодня известна как «Большой взрыв», и это была величайшая идея 1940-х годов.

Этот разрез демонстрирует различные области поверхности и внутренней части Солнца, включая ядро, где происходит ядерный синтез. Процесс слияния солнечных звездоподобных звезд, а также его более массивных кузенов - это то, что позволяет нам накапливать тяжелые элементы, присутствующие сегодня во Вселенной. Изображение предоставлено пользователем Wikimedia Commons Kelvinsong.

1950-е годы - но конкурирующей идеей Большого взрыва была модель устойчивого состояния, выдвинутая Фредом Хойлом и другими в то же время. Впечатляюще обе стороны утверждали, что все более тяжелые элементы, присутствующие на Земле сегодня, были сформированы на более ранней стадии Вселенной. Хойл и его сотрудники утверждали, что они были сделаны не в раннем, жарком и плотном состоянии, а в предыдущих поколениях звезд. Хойл вместе с сотрудниками Уилли Фаулером, Джеффри и Маргарет Бербидж подробно описали, как будут создаваться элементы в периодической таблице из ядерного синтеза, происходящего в звездах. Наиболее впечатляюще, они предсказали слияние гелия с углеродом в процессе, ранее не наблюдавшемся: процесс тройной альфа, требующий существования нового состояния углерода. Это состояние было открыто Фаулером через несколько лет после того, как оно было предложено Хойлом, и сегодня известно как состояние углерода Хойла. Из этого мы узнали, что все тяжелые элементы, существующие на Земле сегодня, обязаны своим происхождением всем предыдущим поколениям звезд.

Если бы мы могли видеть микроволновый свет, то при температуре 2,7 К ночное небо было бы похоже на зеленый овал, а «шум» в центре был вызван более горячим вкладом нашей галактической плоскости. Это равномерное излучение со спектром черного тела является свидетельством остаточного свечения Большого взрыва: космического микроволнового фона. Изображение предоставлено научной группой NASA / WMAP.

1960-е годы - после 20 лет дебатов было раскрыто ключевое наблюдение, которое определило бы историю Вселенной: открытие предсказанного остатка от Большого взрыва или космического микроволнового фона. Это равномерное излучение с энергией 2,725 К было открыто в 1965 году Арно Пензиасом и Бобом Уилсоном. И все же со временем был измерен полный спектр черного излучения этого излучения и даже его флуктуации, что показало нам, что Вселенная началась с «взрыва» в конце концов.

Самые ранние стадии Вселенной, до Большого взрыва, - это то, что устанавливало начальные условия, из которых развивалось все, что мы видим сегодня. Это была главная идея Алана Гута: космическая инфляция. Изображение предоставлено: E. Siegel, с изображениями, полученными из ESA / Planck и межведомственной целевой группы DoE / NASA / NSF по исследованию CMB.

1970-е годы - в самом конце 1979 года у молодого ученого возникла идея на всю жизнь. Алан Гут, ищущий способ решить некоторые необъяснимые проблемы Большого взрыва - почему Вселенная была настолько пространственно плоской, почему она была одинаковой во всех направлениях и почему не было реликтов сверхвысоких энергий - пришла на идею, известную как космическая инфляция. Это говорит о том, что до того, как Вселенная существовала в горячем плотном состоянии, она находилась в состоянии экспоненциального расширения, где вся энергия была связана в ткани самого пространства. Потребовался ряд улучшений первоначальных идей Гута для создания современной теории инфляции, но последующие наблюдения - включая флуктуации в CMB, крупномасштабную структуру Вселенной и то, как галактики сгущаются, группируются и формируются - все подтвердили прогнозы инфляции. Мало того, что наша Вселенная началась с взрыва, но существовало состояние, существовавшее до того, как произошел горячий Большой Взрыв.

Остаток сверхновой 1987a, расположенный в Большом Магеллановом Облаке, на расстоянии около 165 000 световых лет. Это была самая близкая наблюдаемая сверхновая к Земле более чем за три столетия. Фото предоставлено: Ноэль Карбони и Освободитель FITS Photoshop ESA / ESO / NASA.

1980-е годы - это может показаться немного, но в 1987 году самая близкая сверхновая к Земле произошла за более чем 100 лет. Это была также первая сверхновая, которая появилась, когда у нас были онлайн детекторы, способные обнаружить нейтрино от этих событий! В то время как мы видели очень много сверхновых в других галактиках, мы никогда прежде не встречали такую ​​сверхновую, чтобы можно было наблюдать нейтрино от нее. Эти 20 или около того нейтрино ознаменовали начало нейтринной астрономии, и последующие разработки привели к открытию осцилляций нейтрино, масс нейтрино и нейтрино от сверхновых, происходящих на расстоянии более миллиона световых лет. Если нынешние детекторы на месте все еще работают, следующая сверхновая в нашей галактике будет иметь более ста тысяч нейтрино, обнаруженных из нее.

Четыре возможных судьбы Вселенной, причем нижний пример лучше всего соответствует данным: Вселенная с темной энергией. Впервые это было обнаружено с помощью отдаленных наблюдений сверхновых. Изображение предоставлено: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

1990-е годы - если вы думали, что темная материя, и открытие того, как началась Вселенная, было большим делом, то вы можете только представить, какой шок это было в 1998 году, когда я обнаружил, как Вселенная кончится! Мы исторически вообразили три возможных судьбы:

  • Что расширения Вселенной было бы недостаточно, чтобы преодолеть гравитационное притяжение всего, и Вселенная перевернулась бы в Большом Хрусте.
  • То, что расширение Вселенной было бы слишком велико для всей гравитации всего, и все во Вселенной разбежалось бы друг от друга, что привело бы к Большому Замораживанию.
  • Или то, что мы окажемся прямо на границе между этими двумя случаями, и скорость расширения будет асимптотически равна нулю, но никогда не достигнет ее: Критическая Вселенная.

Вместо этого, однако, далекие сверхновые звезды указывали на то, что расширение Вселенной ускорялось, и что со временем далекие галактики увеличивали свою скорость друг от друга. Мало того, что Вселенная замерзнет, ​​но все галактики, которые еще не связаны друг с другом, в конечном итоге исчезнут за пределами нашего космического горизонта. Кроме галактик в нашей локальной группе, никакие другие галактики никогда не встретят наш Млечный Путь, и наша судьба будет действительно холодной, одинокой. Еще через 100 миллиардов лет мы не сможем увидеть никаких галактик, кроме нашей собственной.

Колебания космического микроволнового фона были сначала точно измерены COBE в 1990-х годах, а затем более точно WMAP в 2000-х годах и Planck (выше) в 2010-х годах. Это изображение кодирует огромное количество информации о ранней Вселенной. Изображение предоставлено: ESA и Planck Collaboration.

2000-е годы - открытие космического микроволнового фона не закончилось в 1965 году, но наши измерения флуктуаций (или несовершенств) в остатке Большого взрыва научили нас чему-то феноменальному: именно то, из чего была создана Вселенная. Данные из COBE были заменены WMAP, который, в свою очередь, был улучшен Планком. Кроме того, крупномасштабные данные о структуре, полученные в результате исследований больших галактик (например, 2dF и SDSS) и данные об удаленных сверхновых, в совокупности дают нам современную картину Вселенной:

  • 0,01% излучения в виде фотонов,
  • 0,1% нейтрино, которые вносят незначительный вклад в гравитационные гало, окружающие галактики и скопления,
  • 4,9% нормального вещества, которое включает в себя все, что состоит из атомных частиц,
  • 27% темной материи, или таинственные, не взаимодействующие (кроме гравитационных) частицы, которые придают Вселенной структуру, которую мы наблюдаем,
  • и 68% темной энергии, которая присуща самому пространству.
Системы Кеплер-186, Кеплер-452 и наша Солнечная система. В то время как планеты вокруг звезды красного карлика, такие как Kepler-186, интересны сами по себе, Kepler-452b может быть гораздо более похожим на Землю по ряду показателей. Изображение предоставлено NASA / JPL-CalTech / R. Причинить боль.

2010-е - Десятилетие еще не закончилось, но пока мы уже обнаружили наши первые потенциально похожие на Землю обитаемые планеты, среди тысяч и тысяч новых экзопланет, обнаруженных миссией НАСА Кеплера, среди прочих. Тем не менее, возможно, это даже не самое большое открытие десятилетия, так как прямое обнаружение гравитационных волн от LIGO не только подтверждает картину гравитации, которую Эйнштейн впервые нарисовал еще в 1915 году. Более чем через столетие после того, как теория Эйнштейна впервые конкурировала вместе с Ньютоном, чтобы увидеть, какими были гравитационные правила Вселенной, общая теория относительности прошла все испытания, которые были брошены в нее, и достигла самых маленьких сложностей, когда-либо измеренных или наблюдаемых.

Иллюстрация слияния двух черных дыр, сравнимой массы с тем, что видел LIGO. Предполагается, что на пути такого слияния должно быть очень мало электромагнитного сигнала, но присутствие сильно нагретого вещества, окружающего эти объекты, может изменить это. Изображение предоставлено: SXS, проект Simulation eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

Научная история еще не закончена, так как Вселенной еще предстоит многое открыть. Тем не менее, эти 11 шагов вывели нас из Вселенной неизвестного возраста, не больше, чем наша собственная галактика, состоящая в основном из звезд, в расширяющуюся, охлаждающуюся Вселенную, питаемую темной материей, темной энергией и нашей собственной нормальной материей, кишащей потенциально обитаемой. планетам, возраст которых составляет 13,8 миллиардов лет, и возникшим в результате Большого взрыва, который сам был создан космической инфляцией Мы знаем происхождение нашей Вселенной, ее судьбу, как она выглядит сегодня и как это произошло. Пусть следующие 100 лет принесут столько же научных достижений, революций и сюрпризов для всех нас.

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За галактикой» и «Трекнология: Наука звездного пути от трикодеров до Варп Драйв».