Sissejuhatus
Umbes 13,8 miljardit aastat tagasi sai alguse universum, nagu me seda teame. See hetk, mida tuntakse Suure Paugu nime all, on siis, kui kosmos ise hakkas kiiresti laienema. Suure Paugu ajal mahub vaadeldav universum (sealhulgas vähemalt 2 triljoni galaktika materjalid) ruumis, mille läbimõõt on alla sentimeetri. Nüüd on vaadeldav universum 93 miljardit valgusaastat lai ja laieneb endiselt.
Suure Paugu kohta on palju küsimusi, eriti selle kohta, mis enne seda tuli (kui midagi). Kuid teadlased teavad mõnda asja. Loe edasi kõige mõistlikumaid avastusi kõige alguse kohta.
Universum laieneb
Kuni 1929. aastani olid universumi päritolu varjul täielikult müüdis ja teoorias. Ent sel aastal avastas ettevõtlik astronoom nimega Edwin Hubble universumis midagi väga olulist - midagi, mis avaks uusi võimalusi oma mineviku mõistmiseks: kogu asi laieneb.
Hubble tegi oma avastuse, mõõtes punanihkeks nimetatavat positsiooni, mis on nihe pikemate punaste valguse lainepikkuste poole, mida on nähtud väga kaugetes galaktikates. (Mida kaugemale objektist, seda selgemalt punane nihe ilmneb.) Hubble leidis, et punane nihe suurenes kaugusega galaktikates lineaarselt kaugusega, mis näitab, et universum pole paigal. See laieneb kõikjal, korraga.
Hubble suutis arvutada selle laienemise kiiruse - see näitaja on NASA andmetel tuntud kui Hubble'i konstant. Just see avastus võimaldas teadlastel ekstrapoleerida tagasi ja teoreerida, et universum oli kunagi pakitud pisikesse punkti. Nad nimetasid selle laienemise esimest hetke Suureks Pauguks.
Kosmiline mikrolaine taustkiirgus
1964. aasta mais töötasid Bell Telephone Laboratoriesi teadlased Arno Penzias ja Robert Wilson uue raadiovastuvõtja ehitamisel New Jersey osariigis. Nende antenn võttis kogu aeg imelikku suminat, mis tundus tulevat igalt poolt. Nad arvasid, et tegemist võib olla tuvidega varustuses, kuid pesade eemaldamine ei teinud midagi. Ka nende teised katsed häireid vähendada ei olnud. Lõpuks said nad aru, et nad korjavad midagi tõelist.
See, mida nad avastasid, selgus, oli universumi esimene valgus: kosmiline mikrolaine taustkiirgus. See kiirgus pärineb umbes 380 000 aasta möödumisest Suurest Paugust, kui universum lõpuks piisavalt jahtus, et footonid (valgust moodustavad lainekujulised osakesed) saaksid vabalt liikuda. Avastus toetas Suure Paugu teooriat ja arusaama, et universum laienes kiiremini kui valguse kiirus selle esimesel silmapilgul. (Seda seetõttu, et kosmiline taust on üsna ühtlane, mis viitab kõige sujuvale laienemisele korraga väikesest punktist.)
Taevakaart
Kosmilise mikrolaine tausta avastamine avas akna universumi päritolu. 1989. aastal käivitas NASA satelliidi nimega Cosmic Background Explorer (COBE), mis mõõtis taustkiirguse väikseid variatsioone. Tulemuseks oli NASA andmetel universumi "beebipilt", mis näitab mõnda esimest laieneva universumi tiheduse variatsiooni. Need minimaalsed variatsioonid tekitasid tõenäoliselt galaktikate ja tühja ruumi mustri, mida tuntakse galaktikate kosmilise veebina, mida me tänapäeval universumis näeme.
Inflatsiooni otsesed tõendid
Kosmilise mikrolaine taust võimaldas teadlastel leida inflatsiooniks ka "suitsetamispüstoli" - selle massilise, valgusest kiirema laienemise, mis toimus Suure Paugu ajal. (Ehkki Einsteini erirelatiivsusteooria väidab, et miski ei lähe kosmosest läbi valguse kiiremini, ei olnud see rikkumine; ruum ise laienes.) Aastal 2016 teatasid füüsikud, et nad on mõnes piirkonnas avastanud teatud tüüpi polarisatsiooni või suunavuse. kosmilise mikrolaine taust. Seda polarisatsiooni nimetatakse "B-režiimideks". B-režiimi polarisatsioon oli kõigi aegade esimene otsene tõestus gravitatsioonilainete kohta Suurest Paugust. Gravitatsioonilained tekivad siis, kui kosmoses olevad massiivsed objektid kiirenevad või aeglustuvad (esimesed, mis kunagi avastati, tulid kahe musta augu kokkupõrkest). B-režiimid pakuvad uut viisi universumi varajase laienemise otseseks mõõtmiseks - ja võib-olla ka aru saada, mis seda juhtis.
Siiani pole lisamõõtmeid
Gravitatsioonilaine avastuse üks tagajärg oli see, et see võimaldas teadlastel otsida täiendavaid mõõtmeid, väljaspool tavapärast kolme. Teoreetikute sõnul peaksid gravitatsioonilained olema võimelised ületama tundmatutesse mõõtmetesse, kui need mõõtmed on olemas. 2017. aasta oktoobris tuvastasid teadlased gravitatsioonilained kahe neutronitähe kokkupõrkest. Nad mõõtsid aega, mis kulus lainetel tähtedelt Maale liikumiseks, ja ei leidnud mingeid mõõtmeteväliste lekete tõendeid.
Tulemused, mis avaldati 2018. aasta juulis ajakirjas Cosmology and Astroparticle Physics, viitavad sellele, et kui seal on mingeid muid mõõtmeid, on need pisikesed - need mõjutavad universumi alasid, mille suurus on alla 1 miili (1,6 kilomeetrit). See tähendab, et keelte teooria, mis väidab, et universum on valmistatud pisikestest vibreerivatest keelpillidest ja ennustab vähemalt 10 teensy mõõdet, võiks ikkagi olla tõene.
Laienemine kiireneb ...
Üks kummalisemaid avastusi füüsikas on see, et universum ei laiene mitte ainult, vaid laieneb ka kiireneval kiirusel.
Avastus sai alguse 1998. aastal, kui füüsikud teatasid mitme pika projektiga, mille käigus mõõdeti eriti raskeid supernoovasid, mida nimetatakse Ia supernoovadeks, tulemusi. Tulemused (mis võitsid teadlased Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt ja Adam G. Reiss 2011. aastal Nobeli preemia) näitasid oodatust nõrgemat valgust kõige kaugemast neist supernoovadest. See nõrk tuli näitas, et kosmos ise laieneb: kõik universumis on järk-järgult kaugemal kõigest muust.
Teadlased nimetavad selle laienemise juhti "tumedaks energiaks" - salapäraseks mootoriks, mis võiks moodustada umbes 68% universumi energiast. See tume energia näib olevat ülioluline, et muuta universumi alguse teooriad sobivaks praegu läbiviidavate vaatluste jaoks, näiteks need, mille on koostanud NASA Wilkinsoni mikrolaine anisotroopiaproov (WMAP), vahend, mis on koostanud kosmose kõige täpsema kaardi. mikrolaine taust veel.
… Isegi oodatust kiiremini
2019. aasta aprillis välja antud Hubble'i teleskoobi uued tulemused on laieneva universumi mõistatust süvendanud. Kosmoseteleskoobi abil tehtud mõõtmised näitavad, et universumi paisumine on 9% kiirem, kui eelnevate vaatluste põhjal eeldati. Galaktikate jaoks tähendab iga 3,3 miljoni valgusaasta kaugus Maast täiendavat 46 miili sekundis (74 km sekundis) kiiremini, kui NASA andmetel ennustati.
Miks on see oluline universumi päritolu jaoks? Sest füüsikutel peab midagi puudu olema. NASA andmetel võis Suure Paugu ajal ja vahetult pärast seda olla kolm eraldi tumeda energia "purset". Need purunemised panid aluse sellele, mida me täna näeme. Esimesed võisid alustada esialgset laienemist; sekund võib juhtuda palju kiiremini, toimides nagu universumi gaasipedaalile surutud raske jalg, põhjustades universumi laienemist kiiremini, kui seni arvati. Viimane tumeda energia purunemine võib seletada universumi kiirenevat laienemist tänapäeval.
Seda pole veel tõestatud. Kuid teadlased otsivad. Austini McDonaldi observatooriumi Texase ülikooli teadlased kasutavad äsja täiustatud instrumenti Hobby-Eberly teleskoop, et otsida pimedat energiat otse. Projekt, Hobby-Eberly teleskoobi tumeda energia katse (HETDEX), mõõdab 11 miljardi valgusaasta kaugusel asuvate galaktikate nõrka valgust, mis võimaldab teadlastel näha universumi kiirenduse muutusi aja jooksul. Samuti uurivad nad 400 000-aastase universumi häirete kaja, mis on loodud osakeste tihedas supis, mis moodustas kõik kohe pärast Suurt Pauku. Ka see paljastab laienemise saladused ja selgitab seda juhtinud tumedat energiat.
