Выгляд SDSS у інфрачырвоным - з APOGEE - галактыкі Млечны Шлях, калі глядзець у бок цэнтра. 100 гадоў таму гэта была наша канцэпцыя ўсёй Сусвету. Крэдыт малюнка: Sloan Digital Sky Survey.

11 Навуковыя дасягненні за апошнія 100 гадоў далі нам увесь Сусвет

З Сусвету, які прайшоў не больш, чым наш Млечны Шлях, да трыльёнаў галактык нашай Сусвету, якая пашыраецца, нашы веды павялічыліся на крок за адзін раз.

«Гамаў у сваіх ідэях быў фантастычным. Ён меў рацыю, памыляўся. Часцей памыляюцца, чым правы. Заўсёды цікава; … І калі ягоная ідэя памылялася, была не толькі правільнай, але і новай ». -Edward Тэлер

Роўна 100 гадоў таму наша канцэпцыя Сусвету значна адрознівалася ад сённяшняй. Зоркі ў Млечным Шляху былі вядомыя і знаходзіліся на адлегласці да тысячы светлавых гадоў, але далей нічога не лічылася. Сусвет прынята лічыць статычным, бо спіралі і эліптыкі на небе былі аб'екты, якія змяшчаюцца ў нашай уласнай галактыцы. Гравітацыя Ньютана дагэтуль не была зрынута новай тэорыяй Эйнштэйна, а навуковыя ідэі, такія як Вялікі выбух, цёмная матэрыя і цёмная энергія, яшчэ не былі прыдуманыя. Але на працягу кожнага дзесяцігоддзя былі дасягнуты велізарныя поспехі, аж да сённяшняга дня. Вось галоўнае, як кожны рухаў наша навуковае разуменне Сусвету наперад.

Вынікі экспедыцыі Эддынгтана 1919 г. паказалі канчаткова, што Агульная тэорыя адноснасці апісала выгіб зорнага святла вакол масіўных аб'ектаў, скінуўшы карціну Ньютона. Крэдыт малюнка: Ілюстраваныя Лонданскія навіны, 1919 год.

1910-я - тэорыя Эйнштэйна пацверджана! Агульная адноснасць славілася тлумачэннем таго, што гравітацыя Ньютана не можа: прэцэсія арбіты Меркурыя вакол Сонца. Але для навуковай тэорыі гэтага недастаткова, каб растлумачыць тое, што мы ўжо назіралі; для гэтага трэба зрабіць прагноз аб тым, што яшчэ не відаць. У той час як іх было шмат за мінулае стагоддзе - гравітацыйная дылатацыя часу, моцная і слабая лінзаванне, перацягванне кадра, гравітацыйнае змяненне колеру і г.д. - першае было выгінанне зорнага святла падчас поўнага зацьмення Сонца, якое назіралі Эдынгтан і яго супрацоўнікі ў 1919 годзе. Назіраная колькасць згінання зорнага святла вакол Сонца адпавядала Эйнштэйнам і супярэчыла Ньютану. Проста так, наш погляд на Сусвет змяніўся б назаўсёды.

Адкрыццё Хабла зменнай Цефеіда ў галактыцы Андрамеды, М31, адкрыла нам Сусвет. Крэдыт малюнкаў: Э. Хабл, НАСА, ЕКА, Р. Гендлер, З. Левай і каманда па спадчыне Хабла. Крэдыт малюнкаў: Э. Хабл, НАСА, ЕКА, Р. Гендлер, З. Левай і каманда па спадчыне Хабла.

1920-я - Мы яшчэ не ведалі, што там была Сусвет за Млечным Шляхам, але ўсё змянілася ў 1920-я гады працай Эдвіна Хабла. Назіраючы за нейкімі спіральнымі туманнасцямі на небе, ён змог дакладна вызначыць асобныя зменныя зоркі таго ж тыпу, якія былі вядомыя ў Млечным Шляху. Толькі іх яркасць была настолькі нізкай, што ім трэба было знаходзіцца мільёны светлавых гадоў, размяшчаючы іх далёка за межамі нашай галактыкі. Хаббл не спыняўся на дасягнутым, вымяраючы хуткасць спаду і адлегласці на працягу дзесятка галактык, адкрываючы велізарную, якая пашыраецца Сусвету, пра якую мы ведаем сёння.

Дзве яркія, вялікія галактыкі ў цэнтры класта Кама, NGC 4889 (злева) і крыху меншы NGC 4874 (справа), па памеры перавышаюць мільён светлавых гадоў. Але галактыкі на ўскраінах, якія так хутка імкнуцца, паказваюць на наяўнасць вялікага арэола цёмнай матэрыі на працягу ўсяго кластара. Крэдыт малюнка: Адам Блок / Mount Lemmon SkyCenter / Універсітэт Арызоны.

1930-я - Доўгі час лічылася, што калі вы зможаце вымераць усю масу, якая змяшчаецца ў зорках, і, магчыма, унесці ў яе газ і пыл, вы адкажаце за ўсю справу ў Сусвеце. Аднак, назіраючы за галактыкамі ўнутры шчыльнага навалы (напрыклад, навалы Комы вышэй), Фрыц Цвікі паказаў, што зоркі і тое, што мы ведаем як "нармальная матэрыя" (г.зн. атамы), былі недастатковымі для тлумачэння ўнутраных рухаў гэтых кластараў. Ён ахрысціў гэтую новую матэрыю цёмнай матэрыяй, альбо цёмнай матэрыяй, назіраннем, якое ў значнай ступені ігнаравалася да 1970-х, калі нармальную матэрыю лепш зразумелі, а цёмная матэрыя была паказана ў вялікай колькасці ў асобных верціцца галактыках. Цяпер мы ведаем, што гэта пераўзыходзіць нармальную матэрыю ў суадносінах 5: 1.

Графік гісторыі нашага назіральнага Сусвету, калі назіральная частка пашыраецца да большага і большага памераў, калі мы рухаемся наперад ад часу ад Вялікага выбуху. Малюнак: НАСА / WMAP навуковая каманда.

1940-я - У той час як пераважная большасць эксперыментальных і назіральных рэсурсаў ішла ў шпіёнскія спадарожнікі, ракеты і развіццё ядзерных тэхналогій, тэарэтычныя фізікі па-ранейшаму ўпарта працавалі. У 1945 годзе Джордж Гамаў дамогся канчатковай экстрапаляцыі Сусветнай місіі, якая пашыраецца: калі Сусвет пашыраецца і астуджаецца сёння, то ў мінулым яна павінна быць гарачай і шчыльней. Ідучы назад, напэўна, быў такі час, калі было так горача і шчыльна, што нейтральныя атамы не маглі ўтварыцца, і да гэтага, калі атамныя ядра не маглі ўтварыцца. Калі б гэта было праўдай, то, перш чым якія-небудзь зоркі ўтвараліся, гэты матэрыял, з якога пачалася Сусвет, павінен мець пэўнае суадносіны самых лёгкіх элементаў, і сёння павінна быць святло, якое пранізвае ўсе напрамкі Сусвету на некалькі градусаў вышэй абсалютнага нуля сёння . Гэтая аснова сёння вядома як Вялікі выбух і была найвялікшай ідэяй, якая выйшла ў 1940-я гады.

У гэтым разрэзе прадстаўлены розныя ўчасткі паверхні і ўнутранай часткі Сонца, у тым ліку ядра, дзе адбываецца ядзерны сінтэз. Працэс зліцця ў сонечных зорак, а таксама ў іх больш масіўных стрыечных братоў - гэта тое, што дазваляе нам стварыць цяжкія элементы, якія прысутнічаюць сёння ва ўсёй Сусвеце. Малюнак: Wikimedia Commons карыстальнік Kelvinsong.

1950-я - Але канкуруючым ідэяй Вялікага выбуху стала мадэль "Стацыянарны стан", якую ў той жа час высунулі Фрэд Хойл і іншыя. Эфектна абодва бакі сцвярджалі, што ўсе цяжкія элементы, прысутныя сёння на Зямлі, сфармаваліся на больш ранняй стадыі Сусвету. Тое, што Хойл і яго супрацоўнікі сцвярджаюць, было тое, што яны былі зроблены не ў раннім, гарачым і шчыльным стане, а, хутчэй, у зорках папярэдніх пакаленняў. Хойл, разам з супрацоўнікамі Вілі Фаўлерам, Джэфры і Маргарэт Бербідж, падрабязна распавядаў, як менавіта элементы будуюцца ў перыядычнай табліцы з ядзернага сінтэзу, які адбываецца ў зорках. Найбольш эфектна, яны прагназавалі зліццё гелія ў вуглярод праз працэс, які ніколі раней не назіраў: патройны альфа-працэс, які патрабуе новага стану вугляроду. Гэты стан быў выяўлены Фаўлерам праз некалькі гадоў пасля таго, як ён быў прапанаваны Хойлам, і на сённяшні дзень вядомы як вугляродны стан Хойл. З гэтага мы даведаліся, што ўсе цяжкія элементы, якія існуюць сёння на Зямлі, абавязаны сваім паходжаннем усім зоркам папярэдніх пакаленняў.

Калі б мы маглі бачыць мікрахвалевае святло, начное неба выглядала б як зялёны авал пры тэмпературы 2,7 К, а

1960-я - Пасля 20-ці гадоў спрэчак, асноўнае назіранне, якое вырашыла б гісторыю Сусвету, не было раскрыта: адкрыццё прагназаванага водбліску Вялікага выбуху альбо касмічны мікрахвалевы фон. Гэтую раўнамерную радыяцыю 2,725 K выявілі ў 1965 годзе Арно Пензіас і Боб Уілсан, якія не зразумелі, што яны выявілі спачатку. Але з цягам часу быў вымераны поўны спектр выпраменьвання чорнага цела і нават яго ваганні, што паказвае нам, што Сусвет пачаўся з "трэска".

Самыя раннія этапы Сусвету, да Вялікага выбуху, - гэта тое, што стварылі першапачатковыя ўмовы, з якіх развівалася ўсё, што мы бачым сёння. Гэта была вялікая ідэя Алана Гута: касмічная інфляцыя. Малюнак: Э. Зігель, з выявамі, атрыманымі з ESA / Planck і міжведамаснай аператыўнай групы DoE / NASA / NSF пры даследаванні CMB.

1970-я - У самым канцы 1979 года ў маладога навукоўца была ідэя жыцця. Алан Гут, шукаючы спосаб вырашыць некаторыя невытлумачальныя праблемы Вялікага выбуху - чаму Сусвет была настолькі прасторава плоскай, чаму была аднолькавая тэмпература ва ўсіх напрамках і чаму не было рэліквіяў звышвысокай энергіі - прыйшоў па ідэі, вядомай як касмічная інфляцыя. У ім гаворыцца, што да таго, як Сусвет існаваў у гарачым, шчыльным стане, ён знаходзіўся ў стане экспанентнай экспансіі, дзе ўся энергія была звязана ў самой тканіне космасу. Спатрэбіліся шэраг удасканаленняў першапачатковых ідэй Гута, каб стварыць сучасную тэорыю інфляцыі, але наступныя назіранні - у тым ліку аб ваганнях КМБ, маштабнай структуры Сусвету і аб тым, як галактыкі сцякаюцца, кластараюцца і фармуюцца - усе апраўдалі прагнозы інфляцыі. Наш Сусвет пачаўся не толькі з трэскам, але існаваў стан, які існаваў да таго, як адбываўся гарачы Вялікі выбух.

Рэшткі наднавы 1987a, размешчанай у Вялікім Магеланавым воблаку, каля 165 000 светлавых гадоў. Гэта была самая блізкая назіраная звышновая Зямля на працягу больш за тры стагоддзі. Малюнак: Ноэль Карбоні і ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

1980-я - гэта можа здацца не так ужо шмат, але ў 1987 годзе бліжэйшая звышновая Зямля адбылася за 100 гадоў. Гэта таксама была першая звышновая, калі ў нас у Інтэрнэце з'явіліся дэтэктары, здольныя знайсці нейтрына з гэтых падзей! У той час як мы бачылі вельмі шмат звышновых у іншых галактыках, мы ніколі раней не сустракаліся так блізка, што з яе можна было назіраць нейтрына. Гэтыя 20-ці каля нейтрына азначалі пачатак нейтральнай астраноміі, і наступныя распрацоўкі з таго часу прывялі да адкрыцця ваганняў нейтрына, масы нейтрына і нейтрына з звышновых, якія адбыліся больш за мільён светлавых гадоў. Калі дзеючыя дэтэктары па-ранейшаму працуюць, у наступнай звышновай у нашай галактыцы будзе выяўлена больш за сто тысяч нейтрына.

Чатыры магчымыя лёсы Сусвету: найлепшы прыклад, які адпавядае дадзеным: Сусвет з цёмнай энергіяй. Упершыню гэта было выяўлена з далёкімі назіраннямі звышновых. Малюнак: Э. Зігель / Па-за Галактыкай.

1990-я - калі вы думалі, што цёмная справа і адкрыццё Сусвету стала вялікай справай, то вы можаце толькі ўявіць, які шок быў у 1998 годзе, калі высветлілі, як скончыцца Сусвет! Мы гістарычна ўяўлялі тры магчымыя лёсы:

  • Што пашырэння Сусвету будзе недастатковым, каб пераадолець усё гравітацыйнае цяга, і Сусвет зноў узнікне ў вялікім крызісе.
  • Што пашырэнне Сусвету было б занадта вялікім, каб усе сумяшчальнае прыцягненне, і ўсё ў Сусвеце ўцякла б адна ад адной, што прывяло б да вялікай замаразкі.
  • Ці, што мы знаходзімся на мяжы паміж гэтымі двума выпадкамі, і хуткасць пашырэння будзе асімптатам да нуля, але ніколі не дасягне гэтага: Крытычная Сусвет.

Замест гэтага, далёкія звышнатуральныя сігналы паказвалі, што пашырэнне Сусвету паскараецца і што з цягам часу аддаленыя галактыкі павялічваюць сваю хуткасць адзін ад аднаго. Замерзне не толькі Сусвет, але і ўсе галактыкі, якія ўжо не звязаны адна з адной, з часам знікнуць за межамі нашага касмічнага гарызонту. Акрамя галактык нашай мясцовай групы, ніякія іншыя галактыкі ніколі не сустрэнуць наш Млечны Шлях, і наш лёс сапраўды будзе халодным, самотным. У наступныя 100 мільярдаў гадоў мы не зможам убачыць ніякіх галактык за межамі нашай уласнай.

Флуктуацыі ў касмічным мікрахвалевым фоне былі спачатку дакладна вымераны COBE ў 1990-х, потым больш дакладна WMAP у 2000-х і Планка (вышэй) у 2010-х. Гэты малюнак кадуе велізарную колькасць інфармацыі пра раннім Сусвеце. Малюнак: ESA і Планк Супрацоўніцтва.

2000-я - адкрыццё касмічнага мікрахвалевага фону не скончылася ў 1965 годзе, але нашы вымярэнні ваганняў (альбо недасканаласцей) свяціла Вялікага выбуху навучылі нас чамусьці фенаменальнаму: менавіта з таго, што была створана Сусвет. Дадзеныя з COBE былі заменены WMAP, які, у сваю чаргу, быў палепшаны Планкам. Акрамя таго, маштабныя структурныя дадзеныя з вялікіх галактычных абследаванняў (напрыклад, 2dF і SDSS) і аддаленых дадзеных звышновых злучаюць усё сучаснае ўяўленне пра Сусвет:

  • 0,01% выпраменьвання ў выглядзе фатонаў,
  • 0,1% нейтрына, якія вельмі мала спрыяюць гравітацыйным арэолам навакольных галактык і кластараў,
  • 4,9% нармальнай матэрыі, якая ўключае ў сябе ўсё, зробленае з атамных часціц,
  • 27% цёмнай матэрыі альбо загадкавых, не ўзаемадзейнічаючых (акрамя гравітацыйна) часціц, якія надаюць Сусвету структуру, якую мы назіраем,
  • і 68% цёмнай энергіі, якая ўласцівая самому космасу.
Сістэмы Kepler-186, Kepler-452 і наша Сонечная сістэма. У той час як планета вакол чырвонай зоркі-карліка, падобная на Kepler-186, цікавая сваімі правамі, Kepler-452b можа быць значна больш падобным на Зямлю па шэрагу метрык. Малюнак: NASA / JPL-CalTech / R. Балюча.

2010-я - дзесяцігоддзе яшчэ не скончана, але дагэтуль мы ўжо адкрылі для сябе першыя патэнцыйна жылыя планеты, сярод тысяч і тысяч новых экзапланет, выяўленых місіяй Kepler NASA. Але, напэўна, гэта нават не самае вялікае адкрыццё дзесяцігоддзя, бо непасрэднае выяўленне гравітацыйных хваль ад LIGO не толькі пацвярджае карціну, якую Эйнштэйн упершыню намаляваў пры гравітацыі ў 1915 годзе. Больш за стагоддзе пасля таго, як тэорыя Эйнштэйна ўпершыню канкурыравала з Ньютанам, каб зразумець, якія правілы гравітацыі Сусвету, агульная адноснасць прайшла кожны тэст, кінуты на яе, дасягнуўшы самых дробных тонкасцей, калі-небудзь вымераных і назіраных.

Ілюстрацыя дзвюх чорных дзірак, якія зліваюцца, параўнальнай масы з тым, што бачыў LIGO. Мяркуецца, што электрамагнітнага сігналу, які выпраменьваецца пры такім зліцці, павінна быць вельмі мала, але наяўнасць моцна нагрэтай матэрыі, якая атачае гэтыя аб'екты, можа гэта змяніць. Малюнак: SXS, праект Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

Навуковая гісторыя яшчэ не зроблена, бо Сусвету яшчэ шмат яшчэ трэба будзе адкрыць. Тым не менш, гэтыя 11 крокаў адвялі нас ад Сусвету невядомай эпохі, не большай, чым наша ўласная галактыка, складзеная галоўным чынам з зорак, да пашыральнай, астуджальнай Сусвету, якая працуе ад цёмнай матэрыі, цёмнай энергіі і нашай уласнай нармальнай матэрыі, якая нагадвае магчымае жыццё. планеты, і гэта 13,8 мільярда гадоў, якія адбыліся ў Вялікім выбуху, які быў створаны касмічнай інфляцыяй. Мы ведаем паходжанне нашай Сусветы, гэта лёс, як ён выглядае сёння і як ён стаў такім. Няхай наступныя 100 гадоў правядуць столькі ж навуковых дасягненняў, рэвалюцый і сюрпрызаў для ўсіх нас.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".