Seit Tausenden von Jahren haben die Menschen die Sterne beobachtet und sich gefragt, wie das Universum entstanden ist. Erst in den Jahren des Ersten Weltkriegs entwickelten die Forscher die ersten Beobachtungsinstrumente und theoretischen Werkzeuge, um diese großen Fragen in ein genaues Studiengebiet zu verwandeln: die Kosmologie.,
„Ich betrachte die Kosmologie als eines der ältesten Themen von menschlichem Interesse, aber als eine der neuesten Wissenschaften“, sagte Paul Steinhardt, Kosmologe an der Princeton University, der untersucht, ob die Zeit einen Anfang hat.
Die Kosmologie untersucht den Kosmos auf den Punkt gebracht als eine Einheit, anstatt die Sterne, Schwarzen Löcher und Galaxien, die ihn füllen, getrennt zu analysieren. Dieses Feld stellt große Fragen: Woher kommt das Universum? Warum hat es Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen? Was wird als nächstes passieren?, „Die Kosmologie versucht, ein sehr großes Bild von der Natur des Universums zu machen“, sagte Glennys Farrar, Teilchenphysiker an der New York University.
Da sich diese Disziplin mit vielen Phänomenen auseinandersetzt, von Teilchen im Vakuum bis hin zum Gewebe von Raum und Zeit, stützt sich die Kosmologie stark auf viele Bereiche, einschließlich Astronomie, Astrophysik und zunehmend Teilchenphysik.
„Die Kosmologie hat Teile davon, die vollständig in der Physik sind, Teile, die vollständig in der Astrophysik sind, und Teile, die hin und her gehen“, sagte Steinhardt. „Das ist Teil der Aufregung.,“
Eine Geschichte der Geschichte des Universums
Der interdisziplinäre Charakter des Feldes erklärt seinen vergleichsweise späten Start. Unser modernes Bild des Universums begann erst in den 1920er Jahren zusammenzukommen, kurz nachdem Albert Einstein die allgemeine Relativitätstheorie entwickelt hatte, einen mathematischen Rahmen, der die Schwerkraft als Folge der Biegung von Raum und Zeit beschreibt.
„Bevor Sie die Natur der Schwerkraft verstehen, können Sie nicht wirklich eine Theorie machen, warum die Dinge so sind, wie sie sind“, sagte Steinhardt., Andere Kräfte haben größere Auswirkungen auf Partikel, aber die Schwerkraft ist der Hauptakteur in der Arena der Planeten, Sterne und Galaxien. Isaac Newtons Beschreibung der Schwerkraft funktioniert oft auch in diesem Bereich, behandelt aber Raum (und Zeit) als starren und unveränderlichen Hintergrund, vor dem Ereignisse gemessen werden können. Einsteins Arbeit zeigte, dass sich der Raum selbst ausdehnen und zusammenziehen kann, indem er das Universum von Bühne zu Bühne verlagert und als dynamisches Untersuchungsobjekt in den Kampf bringt.,
Mitte der 1920er Jahre machte der Astronom Edwin Hubble Beobachtungen mit dem kürzlich gebauten 100-Zoll-Hooker-Teleskop am Mount Wilson Observatory in Kalifornien. Er versuchte, eine Debatte über die Lage bestimmter Wolken im Weltraum beizulegen, die Astronomen sehen konnten. Hubble bewies, dass diese “ Nebel „keine kleinen lokalen Wolken waren, sondern riesige, entfernte Sternhaufen, die unserer eigenen Milchstraße ähnlich waren — „Inseluniversen“ im Sprachgebrauch der Zeit. Heute nennen wir sie Galaxien und wissen, dass sie in den Billionen zählen.,
Die größten Umwälzungen in der kosmischen Perspektive standen noch bevor. Hubbles Arbeit in den späten 1920er Jahren deutete darauf hin, dass sich Galaxien in alle Richtungen von uns entfernen und Jahrzehnte weiterer Debatten auslösen. Eventuelle Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) — Licht, das aus den frühen Jahren des Universums übrig blieb und sich seitdem in Mikrowellen ausdehnte-in den 1960er Jahren bewiesen, dass die Realität einer der Möglichkeiten entsprach, die die allgemeine Relativitätstheorie nahelegte: Das Universum begann klein und heiß und wurde seitdem größer und kälter., Das Konzept wurde als Urknalltheorie bekannt, und es rasselte Kosmologen, weil es implizierte, dass sogar das Universum einen Anfang und ein Ende haben könnte.
Aber zumindest konnten diese Astronomen die Bewegung der Galaxien in ihren Teleskopen sehen., Eine der seismischsten Verschiebungen der Kosmologie, sagte Farrar, ist die Idee, dass die überwiegende Mehrheit der Dinge da draußen aus etwas anderem besteht, etwas völlig Unsichtbares. Das Material, das wir sehen können, beträgt wenig mehr als einen kosmischen Rundungsfehler — nur etwa 5% von allem im Universum.
Der erste Bewohner der anderen 95% des Universums, der sogenannte „dunkle Sektor“, zog in den 1970er Jahren seinen Kopf auf. Damals erkannte die Astronomin Vera Rubin, dass Galaxien sich so schnell drehten, dass sie sich auseinander drehen sollten., Mehr als schwer zu sehende Materie, sagte Farrar, das Zeug, das Galaxien zusammenhält, musste etwas völlig Unbekanntes für Physiker sein, etwas, das — abgesehen von seinem Gravitationszug — gewöhnliche Materie und Licht völlig ignoriert. Spätere Kartierungen zeigten, dass die Galaxien, die wir sehen, einfach Kerne im Zentrum kolossaler „Dunkler Materie“ – Kugeln sind. Die Filamente der sichtbaren Materie, die sich über das Universum erstrecken, hängen an einem dunklen Rahmen, der sichtbare Teilchen fünf zu eins überwiegt.,
Das Hubble-Weltraumteleskop entdeckte dann Anzeichen einer unerwarteten Vielfalt von Energie — was Kosmologen jetzt sagen, macht die restlichen 70% des Universums aus, nachdem Dunkle Materie (25%) und Sichtbare Materie (5%) berücksichtigt wurden) — in den 1990er Jahren, als es die Expansion des Universums wie einen außer Kontrolle geratenen Zug beschleunigte. „Dunkle Energie“, möglicherweise eine Art Energie, die dem Weltraum selbst innewohnt, treibt das Universum schneller auseinander, als die Schwerkraft den Kosmos zusammenziehen kann., In einer Billion Jahren werden sich alle Astronomen, die in der Milchstraße zurückgeblieben sind, in einem wahren Inseluniversum wiederfinden, das von Dunkelheit umhüllt ist.
„Wir befinden uns an einem Übergangspunkt in der Geschichte des Universums, von wo es von Materie dominiert wird, wo es von einer neuen Form von Energie dominiert wird“, sagte Steinhardt. „Dunkle Materie bestimmte unsere Vergangenheit. Dunkle Energie wird unsere Zukunft bestimmen.“
Moderne und zukünftige Kosmologie
Die aktuelle Kosmologie verpackt diese bahnbrechenden Entdeckungen in ihre Krönung, das Lambda-CDM-Modell., Dieses Bündel von Gleichungen, das manchmal als Standardmodell der Kosmologie bezeichnet wird, beschreibt das Universum von etwa seiner ersten Sekunde an. Das Modell nimmt eine bestimmte Menge an dunkler Energie (Lambda, für seine Darstellung in der allgemeinen Relativität) und kalter dunkler Materie (CDM) an und macht ähnliche Vermutungen über die Menge an sichtbarer Materie, die Form des Universums und andere Eigenschaften, die alle durch Experimente und Beobachtungen bestimmt werden.
Spielen, dass baby-Universum film vorwärts 13.,8 Milliarden Jahre, und Kosmologen erhalten eine Momentaufnahme, die „statistisch alles hat, was wir bis zu einem bestimmten Punkt messen können“, sagte Steinhardt. Dieses Modell stellt das Ziel dar, das zu schlagen ist, wenn Kosmologen ihre Beschreibungen des Universums tiefer in die Vergangenheit und in die Zukunft schieben.
So erfolgreich Lambda-CDM auch war, es gibt immer noch viele Knicke, die ausgearbeitet werden müssen. Kosmologen erhalten widersprüchliche Ergebnisse, wenn sie versuchen, die aktuelle Expansion des Universums zu untersuchen, je nachdem, ob sie es direkt in nahe gelegenen Galaxien messen oder aus dem CMB ableiten., Dieses Modell sagt auch nichts über das Make-up von dunkler Materie oder Energie aus.
Dann gibt es diese lästige erste Sekunde der Existenz, als das Universum vermutlich von einem infinitesimalen Fleck zu einer relativistisch gut erzogenen Blase überging. „Inflation“ ist eine populäre Theorie, die versucht, mit dieser Periode umzugehen und zu erklären, wie ein kurzer Moment noch schnellerer Expansion winzige Urvariationen in die großen Unebenheiten der heutigen Galaxien sprengte und wie die Lambda-CDM-Eingänge ihre Werte erhielten.,
Niemand weiß jedoch, wie die Inflation im Detail funktioniert hat oder warum sie dort aufgehört hat, wo sie vermutlich funktioniert hat. Steinhardt sagte, dass die Inflation in vielen Regionen des Weltraums fortgesetzt werden sollte, was bedeutet, dass unser Universum nur ein Stück eines „Multiversums“ ist, das jede mögliche physische Realität enthält — eine unhaltbare Idee, die viele Experimentalisten beunruhigt.,
Um Fortschritte bei Fragen wie diesen zu erzielen, untersuchen Kosmologen Präzisionsmessungen von Weltraumteleskopen wie dem Hubble-Weltraumteleskop und dem kommenden James Webb-Weltraumteleskop sowie Experimente auf dem aufstrebenden Gebiet der Gravitationswellen-Astronomie, wie das Laser-Interferometer Gravitationswellen-Observatorium der National Science Foundation. Kosmologen verbinden auch Teilchenphysiker und Astrophysiker in einem interdisziplinären Rennen Teilchen der dunklen Materie zu detektieren.,
So wie die Kosmologie erst beginnen konnte, wenn andere Zweige der Physik gereift waren, wird sie nicht in der Lage sein, die Geschichte des Universums zu enthüllen, bis andere Bereiche vollständiger sind.“Um die Geschichte klarzustellen, müssen Sie im Wesentlichen alle Gesetze der Physik auf allen Energieskalen und unter allen Bedingungen erarbeiten“, sagte Steinhardt. „Und eine Veränderung in einem von denen könnte die kosmologische Geschichte radikal verändern.“
Farrar sagte, sie weiß nicht, ob das passieren wird, aber wundert sich, dass die Menschen die Komplexität des Universums so sehr verstanden haben wie sie., „Es ist erstaunlich, dass sich das menschliche Gehirn so weit entwickelt hat, dass diese Fragen anscheinend beantwortet werden können“, sagte sie. „Einige von ihnen zumindest.“