For tusenvis av år, mennesker har sett stjernene og undret på hvor universet kom til å bli. Men det var ikke før år av første Verdenskrig at forskere har utviklet den første observasjonelle instrumenter og teoretiske verktøy for å forvandle de store spørsmålene i en presis fagområde: kosmologi.,
«jeg tror på kosmologi som en av de eldste fagene menneskelig interesse, men som en av de nyeste sciences,» sa Paulus Steinhardt, en cosmologist ved Princeton University studier som om tiden har en begynnelse.
Kosmologi, i et nøtteskall, studier kosmos som én enhet, snarere enn å analysere separat stjerner, sorte hull og galakser som fyller det. Dette feltet stiller store spørsmål: Hvor ble det av universet kommer fra? Hvorfor ikke det har stjerner, galakser og galaxy klynger? Hva kommer til å skje videre?, «Kosmologi er forsøk på å gjøre en veldig stor-skala bilde av innholdet i universet,» sa Glennys Farrar, en partikkel fysiker ved New York University.
Fordi denne disiplinen grapples med mange fenomener, fra partikler i vakuum til stoffet av tid og rom, kosmologi trekker tungt på mange områder, blant annet astronomi, astrofysikk og, i økende grad, partikkelfysikk.
«Kosmologi har deler av det som er fullt ut i fysikk, deler som er fullt ut i astrofysikk, og deler som går frem og tilbake,» Steinhardt sa. «Det er en del av spenningen.,»
En historie med historien til universet
Det tverrfaglige natur feltet bidrar til å forklare sin relativt sen start. Vår moderne bilde av universet begynte å komme sammen bare på 1920-tallet, kort tid etter at Albert Einstein utviklet teorien om generell relativitetsteori, som er et matematisk rammeverk som beskriver gravitasjon som en konsekvens av bøying av tid og rom.
«Før du forstå arten av tyngdekraften, du kan ikke virkelig gjøre en teori om hvorfor ting er som de er,» Steinhardt sa., Det andre krefter som har større effekt på partikler, men tyngdekraften er den store spilleren i arenaen av planeter, stjerner og galakser. Isaac Newton ‘ s beskrivelse av tyngdekraften jobber ofte i at riket for, men det behandler plass (og tid) som en stiv og uforanderlige bakgrunnen som å måle hendelser. Einsteins arbeid viste at plassen i seg selv kan utvide og kontrakt, skiftende universet fra scenen for å skuespiller og bringe det inn i maktkampen som en dynamisk objekt for å studere.,
I midten av 1920-tallet, astronomen Edwin Hubble gjorde observasjoner fra de nylig bygget for 100-tommers (254 cm) Hooker teleskop ved Mount Wilson Observatoriet i California. Han forsøkte å bosette seg en debatt om plasseringen av visse skyer i verdensrommet som astronomer kunne se. Hubble beviste at disse «tåker» var ikke små, lokale skyer, men i stedet var enorme, distant star klynger som ligner på vår egen melkeveien — «øy-universer» i språkbruk av tiden. I dag, kaller vi dem galakser og vet at de nummer i billioner.,
Den største omveltningene i kosmisk perspektiv var ennå ikke kommet. Hubble ‘ s arbeid i slutten av 1920-tallet foreslo at galakser i hver retning er fart bort fra oss, og utløste flere tiår for videre debatt. Eventuelle målinger av kosmisk mikrobølgeovn bakgrunn (CMB) — lys igjen fra universets tidlige år og siden strakk seg til mikrobølger — i 1960-årene viste at virkeligheten matchet en av mulighetene som er foreslått av generell relativitetsteori: Starter ut små og varmt, universet har blitt stadig større og kaldere siden den gang., Konseptet ble kjent som the Big Bang theory, og det skranglet cosmologists fordi det innebar at selv universet kunne ha en begynnelse og en slutt.
Men i det minste de astronomer kunne se galakser’ bevegelse i sine teleskoper., En av kosmologi er mest seismisk skift, sa Farrar, er ideen om at det store flertallet av ting der ute som er laget av noe annet, noe helt usynlig. Materialet vi kan se utgjør litt mer enn en kosmisk avrunding feil — bare ca 5% av alt i universet.
Den første denizen av de andre 95% av universet, hva som er kommet for å bli kalt «mørke sektor,» oppdratt hodet på 1970-tallet. Tilbake da, astronom Vera Rubin innså at galakser ble pinwheeling rundt så fort de burde for å spinne seg fra hverandre., Mer enn vanskelig å se saken, Farrar sa, er det ting å holde galakser sammen måtte være noe helt ukjent for fysikere, noe som — bortsett fra dens gravitasjonskraft — helt ignorerer vanlig materie og lys. Senere kartlegging avdekket at galaksene vi ser er rett og slett kjerner i midten av kolossale «mørk materie» sfærer. Den filamenter av synlig rolle som strekker seg over universet henger på en mørk ramme som oppveier synlige partikler fem til en.,
Hubble-Teleskopet så avdekket tegn på en uventet utvalg av energi — som cosmologists nå si står for de resterende 70% av universet etter at regnskap for mørk materie (25%) og synlig rolle (5%) — i 1990-årene, da det ble utvidelsen av universet som påskynde som et løpsk tog. «Mørk energi,» muligens en type energi som er iboende til plass i seg selv, er å trykke på universet bortsett raskere enn tyngdekraften kan trekke kosmos sammen., I en billioner år, noen astronomer venstre i melkeveien vil finne seg selv i en ekte island-universet, omsluttet av mørket.
«Vi er i en overgang punkt i historien av universet, fra der hvor det er dominert av saken der det er dominert av en ny form for energi,» Steinhardt sa. «Mørk materie bestemt vår fortid. Mørk energi vil avgjøre vår fremtid.»
Moderne og fremtidige kosmologi
Gjeldende kosmologi pakker disse landemerke funn i sin krone på verket, Lambda-CDM-modellen., Noen ganger kalles standard modell av kosmologi, denne pakken av ligninger beskriver universet fra om sin første sekund videre. Modellen forutsetter en viss mengde av mørk energi (lambda, for sin representasjon i generell relativitetsteori) og kald mørk materie (CDM) og gjør lignende gjetninger om mengden synlig materie, formen på universet og andre egenskaper, er alle bestemt av eksperimenter og observasjoner.
Spill som baby-universet film forover 13.,8 milliarder år, og cosmologists få et øyeblikksbilde som «statistisk sett har alt vi kan måle opp til et visst punkt,» Steinhardt sa. Denne modellen representerer målet å slå så cosmologists presse sine beskrivelser av universet dypere inn i fortiden og i fremtiden.
så vellykket Som Lambda-CDM har vært, det har fortsatt masse knekk som må jobbe ut. Cosmologists få motstridende resultater når de prøver å studere universets nåværende ekspansjon, avhengig av om de måler det direkte i nærliggende galakser eller utlede den fra (CMB)., Denne modellen sier ikke noe om sammensetningen av mørk materie eller energi, heller.
Så er det at plagsom første sekund av eksistens, da universet antagelig gikk fra uendelig liten størrelse flekk å relativistically veloppdragen boble. «Inflasjon» er en populær teori som forsøker å håndtere denne perioden, forklarer hvordan et kort øyeblikk av enda raskere ekspansjon blåste opp minuscule opprinnelig variasjoner i stor skala ujevnheter i dagens galakser, samt hvordan Lambda-CDM-innganger fikk sine verdier.,
Ingen vet hvordan inflasjonen arbeidet i detalj, men, eller hvorfor det stoppet der hvor det antagelig gjorde. Steinhardt sa at inflasjonen skulle ha fortsatt i mange regioner på plass, noe som tyder på at vårt univers er bare en bit av en «multiverse» med alle mulige fysiske virkeligheten — en untestable ideen om at mange experimentalists finne foruroligende.,
for Å gjøre fremskritt på spørsmål som dette, cosmologists se til presisjon målingene fra rombaserte teleskoper som Hubble-Teleskopet og den kommende James Webb Space Telescope, samt eksperimenter i nye feltet av gravitasjonsfelt bølge astronomi, slik som National Science Foundation Laser Interferometer Gravitasjons-Wave Observatory. Cosmologists også bli med partikkel fysikere og astrophysicists i et tverrfaglig løp for å oppdage partikler av mørk materie.,
Akkurat som kosmologi kunne ikke begynne før andre grener av fysikken hadde modnet, det vil ikke være i stand til å fullføre avslørende historie om universet til andre områder er mer komplett.»For å få historien rett, du har å jobbe ut i hovedsak alle lovene i fysikk ved all energi skalaer og på alle forhold,» Steinhardt sa. «Og en endring i noen av disse kan radikalt endre den kosmologiske historie.»
Farrar sa at hun ikke vet om det vil skje, men undrer at folk har forstått kompleksiteten av universet så mye som de har., «Det er utrolig at den menneskelige hjerne har utviklet seg til det punktet at disse spørsmålene kan tilsynelatende være svarte,» sa hun. «Noen av dem i det minste.»