i tusentals år har människor tittat på stjärnorna och undrat hur universum kom att bli. Men det var inte förrän åren av första världskriget att forskare utvecklade de första observationsinstrumenten och teoretiska verktygen för att omvandla de stora frågorna till ett exakt studieområde: kosmologi.,
”Jag tänker på kosmologi som ett av de äldsta ämnena av mänskligt intresse men som en av de nyaste vetenskaperna”, säger Paul Steinhardt, en kosmolog vid Princeton University som studerar om tiden har en början.
kosmologi, i ett nötskal, studerar kosmos som en enhet, snarare än att analysera separat stjärnorna, svarta hål och galaxer som fyller den. Detta fält ställer stora frågor: Var kom universum ifrån? Varför har den stjärnor, galaxer och galaxhopar? Vad kommer att hända härnäst?, ”Kosmologi försöker göra en mycket storskalig bild av universums natur”, säger Glennys Farrar, en partikelfysiker vid New York University.
eftersom denna disciplin brottas med många fenomen, från partiklar i vakuum till tyget av tid och rum, drar kosmologi kraftigt på många områden, inklusive astronomi, astrofysik och, alltmer, partikelfysik.
”kosmologin har delar av den som är helt i fysik, delar som är helt i astrofysik och delar som går fram och tillbaka”, säger Steinhardt. ”Det är en del av spänningen.,”
en historia av universums historia
fältets tvärvetenskapliga natur hjälper till att förklara dess jämförelsevis sena start. Vår moderna bild av universum började komma samman först på 1920-talet, strax efter att Albert Einstein utvecklade teorin om allmän relativitet, en matematisk ram som beskriver gravitationen som en följd av böjning av utrymme och tid.
”innan du förstår gravitationens natur kan du inte riktigt göra en teori om varför saker är som de är”, sa Steinhardt., Andra krafter har större effekter på partiklar, men gravitationen är den största spelaren i arenan av planeter, stjärnor och galaxer. Isaac Newtons beskrivning av gravitation fungerar ofta i det riket också, men det behandlar utrymme (och tid) som en stel och oföränderlig bakgrund mot vilken man mäter händelser. Einsteins arbete visade att rymden själv kunde expandera och kontraktera, flytta universum från scen till skådespelare och föra det in i striden som ett dynamiskt objekt att studera.,
i mitten av 1920-talet gjorde astronomen Edwin Hubble observationer från det nyligen byggda 100-tums (254 centimeter) Hooker-teleskopet vid Mount Wilson-observatoriet i Kalifornien. Han försökte lösa en debatt om platsen för vissa moln i rymden som astronomer kunde se. Hubble visade att dessa ” nebulosor ”inte var små, lokala moln utan i stället var stora, avlägsna stjärnhopar som liknar vår egen Vintergatan — ”öuniverser” i tidens språk. Idag kallar vi dem galaxer och vet att de numrerar i trillionerna.,
de största omvälvningarna i kosmiskt perspektiv hade ännu inte kommit. Hubbles arbete i slutet av 1920-talet föreslog att galaxer i alla riktningar går för fort från oss, vilket utlöser årtionden av ytterligare debatt. Eventuella mätningar av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) — ljus kvar från universums tidiga år och sedan sträckt sig till mikrovågor-på 1960-talet visade att verkligheten matchade en av de möjligheter som den allmänna relativitetsteorin föreslog: från och med liten och varm har universum blivit större och kallare sedan dess., Konceptet blev känt som Big Bang-teorin, och det rattlade kosmologer eftersom det innebar att även universum kunde ha en början och ett slut.
men åtminstone de astronomer kunde se galaxernas rörelse i sina teleskop., En av kosmologins mest seismiska Skift, sa Farrar, är tanken att den stora majoriteten av sakerna där ute är gjord av något annat, något helt osynligt. Materialet vi kan se uppgår till lite mer än ett kosmiskt avrundningsfel — bara cirka 5% av allt i universum.
den första denizen av de andra 95% av universum, vad som kommer att kallas den ”mörka sektorn”, födde sitt huvud på 1970-talet. då insåg astronomen Vera Rubin att galaxer var pinwheeling runt så snabbt att de borde snurra sig isär., Mer än svårt att se Materia, sa Farrar, att de saker som håller galaxer ihop måste vara något helt okänt för fysiker, något som — förutom dess gravitationskraft-helt ignorerar vanlig materia och ljus. Senare kartläggning visade att galaxerna vi ser är helt enkelt kärnor i mitten av kolossala” mörka materia ” sfärer. Filamenten av synlig materia som sträcker sig över universum hänger på en mörk ram som överväger synliga partiklar fem till en.,
Rymdteleskopet Hubble avslöjade sedan tecken på en oväntad mängd energi – som kosmologer nu säger står för de återstående 70% av universum efter att ha redovisat mörk materia (25%) och synlig materia (5%) — på 1990-talet, när det klockade universums expansion som att påskynda som ett skenande tåg. ”Mörk energi”, möjligen en typ av energi som är inneboende för rymden själv, driver universum ifrån varandra snabbare än gravitationen kan rita kosmos tillsammans., Om en biljon år, kommer alla astronomer kvar i Vintergatan befinner sig i en sann ö universum, insvept av mörker.
”vi befinner oss vid en övergångspunkt i universums historia, varifrån det domineras av materia till var det domineras av en ny form av energi”, säger Steinhardt. ”Mörk materia bestämde vårt förflutna. Mörk energi kommer att avgöra vår framtid.”
Modern och framtida kosmologi
nuvarande kosmologi paketerar dessa landmärke upptäckter i sin krönande prestation, Lambda-CDM-modellen., Ibland kallas standardmodellen för kosmologi, beskriver denna bunt ekvationer universum från ungefär sin första andra framåt. Modellen förutsätter en viss mängd mörk energi (lambda, för dess representation i allmän relativitet) och kall mörk materia (CDM) och gör liknande gissningar om mängden synlig materia, universums form och andra egenskaper, alla bestämda av experiment och observationer.
Spela upp den baby-universe-filmen framåt 13.,8 miljarder år, och kosmologer får en ögonblicksbild som ”statistiskt har allt vi kan mäta upp till en viss punkt”, sa Steinhardt. Denna modell representerar målet att slå som kosmologer driva sina beskrivningar av universum djupare in i det förflutna och in i framtiden.
så framgångsrik som Lambda-CDM har varit, har det fortfarande gott om kinks som behöver träna. Kosmologer får motstridiga resultat när de försöker studera universums nuvarande expansion, beroende på om de mäter det direkt i närliggande galaxer eller drar det från CMB., Denna modell säger ingenting om smink av mörk materia eller energi, heller.
då finns det den besvärliga första sekunden av existens, när universum förmodligen gick från infinitesimal speck till relativistiskt väluppfostrad bubbla. ”Inflation” är en populär teori som försöker hantera denna period och förklarar hur ett kort ögonblick av ännu snabbare expansion blåste upp minimala primordiala variationer i de stora ojämnheterna i dagens galaxer, liksom hur Lambda-CDM-ingångarna fick sina värden.,
ingen vet hur inflationen fungerade i detalj, Dock, eller varför det slutade där det förmodligen gjorde. Steinhardt sa att inflationen borde ha fortsatt i många regioner i rymden, vilket innebär att vårt universum bara är en skiva av en ”multiverse” som innehåller alla möjliga fysiska realiteter — en otrolig idé som många experimentalister finner oroande.,
för att göra framsteg på frågor som dessa, kosmologer ser till precisionsmätningar från rymdbaserade teleskop som Hubble Space Telescope och den kommande James Webb Space Telescope, samt experiment i det framväxande området gravitationsvåg astronomi, såsom National Science Foundations Laser Interferometer gravitationsvåg observatorium. Kosmologer går också med partikelfysiker och astrofysiker i en tvärvetenskaplig ras för att upptäcka partiklar av mörk materia.,
precis som kosmologin inte kunde börja förrän andra grenar av fysiken hade mognat, kommer den inte att kunna avsluta avslöjandet av universums historia tills andra områden är mer kompletta.”För att få historien rakt måste du träna i huvudsak alla fysikens lagar på alla energiskalor och under alla förhållanden”, sa Steinhardt. ”Och en förändring i någon av dem kan radikalt förändra den kosmologiska historien.”
Farrar sa att hon inte vet om det kommer att hända men underverk att människor har förstått universums komplexitet så mycket som de har., ”Det är fantastiskt att den mänskliga hjärnan har utvecklats till den grad att dessa frågor tydligen kan besvaras”, sa hon. ”Några av dem åtminstone.”