Inimesed on tuhandeid aastaid tähti jälginud ja imestanud, kuidas universum loodi. Kuid alles Esimese maailmasõja aastatel töötasid teadlased välja esimesed vaatlusinstrumendid ja teoreetilised tööriistad, et muuta need suured küsimused täpseks uurimisvaldkonnaks: kosmoloogia.
"Arvan, et kosmoloogia on üks vanimaid inimhuvi pakkuvaid teemasid, kuid üks uusimaid teadusi," ütles Princetoni ülikooli kosmoloog Paul Steinhardt, kes uurib, kas kellaajal on algus.
Lühidalt - kosmoloogia uurib kosmot ühe tervikuna, selle asemel, et eraldi analüüsida tähti, mustaid auke ja galaktikaid, mis seda täidavad. See väli küsib suuri küsimusi: kust universum tuli? Miks sellel on tähed, galaktikad ja galaktikaparved? Mis saab edasi? "Kosmoloogia üritab teha universumi olemusest väga laiaulatuslikku pilti," ütles New Yorgi ülikooli osakestefüüsik Glennys Farrar.
Kuna see distsipliin võitleb paljude nähtustega, alates vaakumis olevatest osakestest kuni ruumi ja aja kangani, tõmbab kosmoloogia tugevalt paljusid valdkondi, sealhulgas astronoomiat, astrofüüsikat ja üha enam osakeste füüsikat.
"Kosmoloogias on selle osi, mis on täielikult füüsikas, osi, mis on täielikult astrofüüsikas, ja osi, mis lähevad edasi ja tagasi," ütles Steinhardt. "See on osa põnevusest."
Ajalugu universumi ajaloost
Valdkonna interdistsiplinaarne olemus aitab selgitada selle suhteliselt hilist algust. Meie kaasaegne pilt universumist hakkas kokku saama alles 1920. aastatel, varsti pärast seda, kui Albert Einstein töötas välja üldrelatiivsusteooria, matemaatilise raamistiku, mis kirjeldab gravitatsiooni ruumi ja aja painutamise tagajärjel.
"Enne raskusjõu olemuse mõistmist ei saa te tegelikult luua teooriat selle kohta, miks asjad on nii, nagu nad on," sõnas Steinhardt. Teised jõud mõjutavad osakesi suuremal määral, kuid planeetide, tähtede ja galaktikate areenil on gravitatsioon peamine tegur. Isaac Newtoni kirjeldus gravitatsiooni kohta töötab sageli ka selles valdkonnas, kuid kohtleb ruumi (ja aega) jäiga ja muutumatu taustana, mille taustal sündmusi mõõta. Einsteini töö näitas, et kosmos ise võib laieneda ja kokku tõmbuda, nihutades universumi lavalt näitlejale ja viies selle kaadrisse kui dünaamilist objekti uurimiseks.
1920. aastate keskel tegi astronoom Edwin Hubble vaatlusi hiljuti ehitatud 100-tollise (254 sentimeetri) Hookeri teleskoobiga Californias Mount Wilsoni observatooriumis. Ta üritas lahendada arutelu teatud pilvede asukoha kohta kosmoses, mida astronoomid võisid näha. Hubble tõestas, et need "udud" ei olnud väikesed kohalikud pilved, vaid olid hoopis suured, kaugete täheparvede moodi sarnased meie oma Linnuteega - "saareuniversumitega" tol ajal. Täna kutsume neid galaktikateks ja teame, et neid on triljonites.
Suurimad murrangud kosmilises plaanis olid veel ees. Hubble'i 1920. aastate lõpul tehtud töö näitas, et igas suunas olevad galaktikad on meist eemaldumas, käivitades aastakümneid kestnud edasise arutelu. Kosmilise mikrolaine fooni (CMB) - universumi algusaastatest järele jäänud ja mikrolaineteks venitatud valguse - lõplikud mõõtmised tõestasid 1960. aastatel, et reaalsus vastas ühele üldrelatiivsusteooria pakutavatest võimalustest: Alustades väikesest ja kuumast, on universumil sellest ajast alates järjest suurem ja külmem. Mõiste sai tuntuks Suure Paugu teooriana ja see raputas kosmolooge, sest see tähendas, et isegi universumil võib olla algus ja lõpp.
Kuid vähemalt said need astronoomid galaktikate liikumist oma teleskoopides näha. Farrari sõnul on üks kosmoloogia kõige seismilisemaid nihkeid idee, et valdav enamus seal pakutavatest asjadest on tehtud millestki muust, millestki täiesti nähtamatust. Materjal, mida me näeme, on pisut rohkem kui kosmiline ümardamine - ainult umbes 5% kõiksuse kõiksusest.
Ülejäänud 95% universumi esimene elanikkond, mida hakatakse nimetama "tumedaks sektoriks", tõstis oma pea 1970. aastatel. Toona taipas astronoom Vera Rubin, et galaktikad tiirlevad nii kiiresti, et peaksid end teineteisest lahutama. Farrar ütles, et rohkem kui raskesti nähtavad asjad, peavad galaktikaid koos hoidvad asjad olema füüsikute jaoks täiesti tundmatud asjad, mis ignoreerivad täielikult tavalist ainet ja valgust - välja arvatud selle gravitatsiooniline tõmme. Hilisem kaardistamine näitas, et galaktikad, mida meie näeme, on lihtsalt tuumad kolossaalsete "tumeaine" sfääride keskel. Üle universumi ulatuvad nähtava materjali filamendid ripuvad pimedal raamil, mis kaalub nähtava osakesed viis kuni üks üle.
Seejärel avastas Hubble'i kosmoseteleskoop märke ootamatust energia mitmekesisusest - mis kosmoloogide sõnul moodustab ülejäänud 70% universumist pärast tumeda aine (25%) ja nähtava aine (5%) moodustamist - 1990ndatel, kui see klõpsas universumi laienemist kiirenemisega nagu põgenenud rong. "Tume energia", mis võib-olla on kosmosele omane energia tüüp, tõukab universumi üksteisest kiiremini lahti, kui gravitatsioon suudab kosmose kokku tõmmata. Triljoni aasta jooksul satuvad kõik Linnuteele jäänud astronoomid tõelisse saare universumisse, mida ümbritseb pimedus.
"Oleme universumi ajaloos üleminekupunktis, kus seda domineerib mateeria, kuni selleni, kus seda valitseb uus energiavorm," ütles Steinhardt. "Tume mateeria määras meie mineviku. Tume energia määrab meie tuleviku."
Kaasaegne ja tuleviku kosmoloogia
Praegune kosmoloogia pakendab need olulised avastused selle krooniliseks saavutuseks - Lambda-CDM mudeliks. Mõnikord nimetatakse seda kosmoloogia standardmudeliks, see võrrandikimp kirjeldab universumit alates selle esimesest sekundist. Mudel eeldab teatud hulgal tumedat energiat (lambda, selle esindatuseks üldrelatiivsuses) ja külma tumedat ainet (CDM) ning teeb sarnaseid oletusi nähtava aine hulga, universumi kuju ja muude omaduste kohta, mis kõik on määratud katsetega ja tähelepanekud.
Esitage seda beebi-universumi filmi 13,8 miljardi aasta võrra edasi ja kosmoloogid saavad hetkepildi, mis "statistiliselt sisaldab kõike, mida saame teatud punktini mõõta", ütles Steinhardt. See mudel esindab eesmärki võita, kuna kosmoloogid suruvad oma universumi kirjeldused sügavamale minevikku ja tulevikku.
Nii edukas, kui Lambda-CDM on olnud, on sellel veel hulgaliselt nippe, mis vajavad välja töötamist. Kosmoloogid saavad vastuolulisi tulemusi, kui nad proovivad uurida universumi praegust laienemist sõltuvalt sellest, kas nad mõõdavad seda otse lähedalasuvates galaktikates või järeldavad seda CMB-st. See mudel ei ütle ka tumeda aine meigi ega energia kohta midagi.
Siis on olemas see häiriv eksistentsi esimene sekund, kui universum läks arvatavasti lõpmatuseni spektrist relativistlikult hästi käituva mulli juurde. "Inflatsioon" on populaarne teooria, mis püüab seda perioodi käsitleda, selgitades, kuidas lühikese veelgi kiirema laienemise hetk puhus tänaste galaktikate suure ulatusega ebatasasustesse minimaalseid ürgvariante ja kuidas Lambda-CDM sisendid said oma väärtused .
Keegi ei tea, kuidas inflatsioon detailselt toimis või miks see peatus seal, kus see eeldatavalt toimis. Steinhardt ütles, et inflatsioon oleks pidanud jätkuma paljudes kosmosepiirkondades, viidates sellele, et meie universum on vaid üks viil "multiversumist", mis sisaldab kõiki võimalikke füüsilisi reaalsusi - see on vaieldamatu idee, mida paljud eksperimenteerijad leiavad, et see on häiriv.
Sellistes küsimustes edusammude leidmiseks uurivad kosmoloogid täpsusmõõtmisi kosmosepõhistest teleskoopidest, nagu Hubble'i kosmoseteleskoop ja eelseisv James Webbi kosmoseteleskoop, samuti katseid tekkiva gravitatsioonilainete astronoomia valdkonnas, näiteks Rahvusliku Teadusfondi Laserinterferomeetri gravitatsioonilainete vaatluskeskus. Kosmoloogid ühinevad osakestefüüsikute ja astrofüüsikutega ka interdistsiplinaarses rassis, et avastada tumeda aine osakesi.
Nii nagu kosmoloogia ei saanud alata enne, kui teised füüsikaharud olid küpsed, ei suuda see universumi ajaloo paljastamist lõpetada enne, kui teised valdkonnad on täielikumad. "Et jutt sirgeks saada, peate tegema sisuliselt kõik füüsikaseadused kõigis energiaskaalades ja tingimustes, "sõnas Steinhardt. "Ja mis tahes muudatused võivad kosmoloogilist lugu radikaalselt muuta."
Farrar ütles, et ta ei tea, kas see juhtub, kuid imestab, et inimesed on universumi keerukusest aru saanud nii palju, kui neil on. "On hämmastav, et inimese aju on arenenud nii kaugele, et neile küsimustele saab ilmselt vastata," sõnas naine. "Mõned neist vähemalt."
Lisaks ressursse:
