i tusinder af år har mennesker set stjernerne og spekuleret på, hvordan universet blev til. Men det var først i årene af Første Verdenskrig, at forskere udviklede de første observationsinstrumenter og teoretiske værktøjer til at omdanne disse store spørgsmål til et præcist studiefelt: kosmologi.,
“Jeg tænker på kosmologi som et af de ældste emner af menneskelig interesse, men som en af de nyeste videnskaber,” sagde Paul Steinhardt, en kosmolog ved Princeton University, der studerer, om tiden har en begyndelse.
kosmologi studerer i en nøddeskal kosmos som en enhed, snarere end at analysere separat stjernerne, sorte huller og galakser, der fylder det. Dette felt stiller store spørgsmål: Hvor kom universet fra? Hvorfor har den stjerner, galakser og galaksehobe? Hvad sker der nu?, “Kosmologi forsøger at lave et meget stort billede af universets natur,” sagde Glennys Farrar, en partikelfysiker ved ne.York University.
Fordi denne disciplin gribere med mange fænomener, fra partikler i vakuum til strukturen af tid og rum, kosmologi trækker stærkt på mange områder, herunder astronomi, astrofysik og i stigende grad partikel fysik.
“Kosmologi har dele af det, der er fuldt i fysik, dele, der er fuldt ud i astrofysik, og dele, der går frem og tilbage,” Steinhardt sagde. “Det er en del af spændingen.,”
en historie om universets historie
feltets tværfaglige karakter hjælper med at forklare dets relativt sene start. Vores moderne billede af universet begyndte at komme sammen kun i 1920’erne, kort efter Albert Einstein udviklede den generelle relativitetsteori, en matematisk ramme, der beskriver tyngdekraften som en konsekvens af bøjning af tid og rum.
” før du forstår tyngdekraften, kan du ikke rigtig lave en teori om, hvorfor tingene er som de er,” sagde Steinhardt., Andre kræfter har større virkninger på partikler, men tyngdekraften er den største spiller i arenaen af planeter, stjerner og galakser. Isaac ne .tons beskrivelse af tyngdekraften fungerer ofte også i det rige, men det behandler rum (og tid) som et stift og uforanderligt baggrund til at måle begivenheder. Einsteins arbejde viste, at rummet selv kunne udvide og trække sig sammen, skifte universet fra scene til skuespiller og bringe det ind i krisen som et dynamisk objekt at studere.,
I midten af 1920’erne, astronom Edwin Hubble gjort observationer fra den nybyggede 100-tommer (254 cm) Hooker teleskopet på Mount Wilson Observatoriet i Californien. Han forsøgte at afvikle en debat om placeringen af visse skyer i rummet, som astronomer kunne se. Hubble beviste, at disse ” tåger “ikke var små, lokale skyer, men i stedet var store, fjerne stjernehobe, der ligner vores egen Mælkevej — “øuniverser” i tidens parlance. I dag kalder vi dem galakser og ved, at de tæller i billionerne.,
de største omvæltninger i kosmisk perspektiv var endnu ikke kommet. Hubbles arbejde i slutningen af 1920 ‘ erne antydede, at galakser i alle retninger kører væk fra os og udløser årtiers yderligere debat. Eventuelle målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) — lys tilbage fra Universets tidlige år og siden strakt ud i mikrobølger-viste i 1960 ‘ erne, at virkeligheden matchede en af de muligheder, der blev foreslået af generel relativitet: at starte små og varme, universet er blevet større og koldere lige siden., Konceptet blev kendt som The Big Bang theory, og det raslede kosmologer, fordi det antydede, at selv universet kunne have en begyndelse og en ende.
men i det mindste kunne disse astronomer se galaksernes bevægelse i deres teleskoper., Et af kosmologiens mest seismiske skift, sagde Farrar, er ideen om, at langt de fleste ting derude er lavet af noget andet, noget helt usynligt. Det materiale, vi kan se, udgør lidt mere end en kosmisk afrundingsfejl — kun omkring 5% af alt i universet.
Den første beboer af de andre 95% af universet, hvad der er kommet til at hedde “dark sector,” sit hoved frem i 1970’erne. Dengang, astronom Vera Rubin indså, at galakser blev pinwheeling rundt så hurtigt, de burde dreje sig fra hinanden., Mere end svært at se stof, sagde Farrar, at de ting, der holder galakser sammen, måtte være noget helt ukendt for fysikere, noget der-bortset fra dens tyngdekraft-fuldstændig ignorerer almindeligt stof og lys. Senere kortlægning afslørede, at de galakser, vi ser, simpelthen er kerner i centrum af kolossale “mørke materie” – sfærer. Filamenterne af synligt stof, der strækker sig over universet, hænger på en mørk ramme, der opvejer synlige partikler fem til en.,
Hubble Space Telescope, så er afdækket tegn på en uventet vifte af energi — som kosmologer nu sige, tegner sig for de resterende 70% af universet efter tegner sig for mørkt stof (25%) og synligt stof (5%) — i 1990’erne, hvor det clocket udvidelse af universet, som fremskyndelse af som en løbsk tog. “Mørk energi”, muligvis en type energi, der er iboende for selve rummet, skubber universet hurtigere fra hinanden, end tyngdekraften kan trække kosmos sammen., Om en billion år vil enhver astronomer, der er tilbage i Mælkevejen, finde sig i et ægte øunivers, indhyllet af mørke.
“Vi er på et overgangspunkt i universets historie, hvorfra det domineres af stof, til hvor det domineres af en ny form for energi,” sagde Steinhardt. “Mørkt stof bestemte vores fortid. Mørk energi vil bestemme vores fremtid.”
moderne og fremtidige kosmologi
aktuelle kosmologi pakker disse skelsættende opdagelser i sin kroning præstation, Lambda-CDM-modellen., Nogle gange kaldes standardmodellen for kosmologi, dette bundt af ligninger beskriver universet fra omkring dets første sekund og fremefter. Modellen forudsætter en vis mængde af mørk energi (lambda, for sin repræsentation i den generelle relativitetsteori) og koldt mørkt stof (CDM) og gør lignende gæt om mængden af synligt stof, form af univers og andre kendetegn, er alle bestemt af eksperimenter og observationer.
spil den baby-universfilm fremad 13.,8 milliarder år, og kosmologer får et øjebliksbillede, der “statistisk har alt, hvad vi kan måle op til et bestemt punkt,” sagde Steinhardt. Denne model repræsenterer målet at slå, da kosmologer skubber deres beskrivelser af universet dybere ind i fortiden og ind i fremtiden.
så vellykket som Lambda-CDM har været, har den stadig masser af kinks, der skal træne. Kosmologer får modstridende resultater, når de forsøger at studere universets nuværende ekspansion, afhængigt af om de måler det direkte i nærliggende galakser eller udleder det fra CMB., Denne model siger heller ikke noget om sminke af mørkt stof eller energi.
så er der det besværlige første sekund af eksistensen, da Universet formodentlig gik fra uendelig speck til relativistisk velopdragen boble. “Inflation”, er en populær teori, der forsøger at håndtere denne periode, forklarer, hvordan et kort øjeblik af endnu hurtigere ekspansion blæste op minuscule oprindelige variationer i de store ujævnheder af nutidens galakser, samt hvordan Lambda-CDM-indgange fik deres værdier.,
ingen ved, hvordan inflationen fungerede detaljeret, eller hvorfor den stoppede, hvor den formodentlig gjorde det. Steinhardt sagde, at inflationen skulle have fortsat i mange regioner i rummet, hvilket antyder, at vores univers kun er et udsnit af en “multiverse”, der indeholder enhver mulig fysisk virkelighed — en umulig id., som mange eksperimentalister finder foruroligende.,
for At gøre fremskridt på spørgsmål som disse, kosmologer se til præcise målinger fra rumbaserede teleskoper som Hubble Space Telescope og den kommende James Webb Space Telescope, samt eksperimenter i det nye område af gravitationel bølge astronomi, såsom National Science Foundation ‘ s Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Kosmologer deltager også i partikelfysikere og astrofysikere i et tværfagligt løb for at opdage partikler af mørkt stof.,
ligesom kosmologi ikke kunne begynde, før andre grene af fysik var modnet, vil den ikke være i stand til at afslutte at afsløre universets historie, før andre områder er mere komplette.”For at få historien lige, skal du i det væsentlige udarbejde alle fysikens love på alle energiskalaer og under alle forhold,” sagde Steinhardt. “Og en ændring i en af dem kunne radikalt ændre den kosmologiske historie.”
Farrar sagde, at hun ikke ved, om det vil ske, men undrer sig over, at folk har forstået universets kompleksiteter så meget som de har., “Det er forbløffende, at den menneskelige hjerne har udviklet sig til det punkt, at disse spørgsmål tilsyneladende kan besvares,” sagde hun. “Nogle af dem i det mindste .”