Mii de ani, oamenii au urmărit stelele și s-au întrebat cum a ajuns universul. Dar abia în anii Primului Război Mondial, cercetătorii au dezvoltat primele instrumente de observație și instrumente teoretice pentru a transforma acele mari întrebări într-un domeniu precis de studiu: cosmologia.
„Mă gândesc la cosmologie ca una dintre cele mai vechi subiecte de interes uman, dar ca una dintre cele mai noi științe”, a spus Paul Steinhardt, un cosmolog la Universitatea Princeton care studiază dacă timpul are un început.
Cosmologia, pe scurt, studiază cosmosul ca o singură entitate, în loc să analizeze separat stelele, găurile negre și galaxiile care îl umplu. Acest câmp pune întrebări mari: de unde a venit universul? De ce are stele, galaxii și ciorchini de galaxii? Ce se va întâmpla în continuare? „Cosmologia încearcă să facă o imagine la scară foarte mare a naturii universului”, a declarat Glennys Farrar, un fizician de particule la Universitatea New York.
Deoarece această disciplină se reproșează cu multe fenomene, de la particule în vid până la țesătura spațiului și a timpului, cosmologia se bazează foarte mult pe multe domenii, inclusiv astronomia, astrofizica și, din ce în ce mai mult, fizica particulelor.
"Cosmologia are părți din ea care sunt pe deplin în fizică, părți care sunt pe deplin în astrofizică și părți care merg înainte și înapoi", a spus Steinhardt. „Asta face parte din entuziasm”.
O istorie a istoriei universului
Natura interdisciplinară a domeniului ajută la explicarea începutului său relativ târziu. Imaginea noastră modernă a universului a început să se reunească abia în anii 1920, la scurt timp după ce Albert Einstein a dezvoltat teoria relativității generale, un cadru matematic care descrie gravitația ca o consecință a încovoierii spațiului și a timpului.
"Înainte de a înțelege natura gravitației, nu puteți face într-adevăr o teorie a motivului pentru care lucrurile sunt așa cum sunt", a spus Steinhardt. Alte forțe au efecte mai mari asupra particulelor, dar gravitația este jucătorul major în arena planetelor, stelelor și galaxiilor. Descrierea lui Isaac Newton despre gravitate funcționează adesea și în acest tărâm, dar tratează spațiul (și timpul) ca pe un fundal rigid și neschimbător pe care să măsoare evenimentele. Opera lui Einstein a arătat că spațiul însuși poate să se extindă și să se contracte, mutând universul de la scenă la actor și aducându-l în fray ca obiect dinamic de studiat.
La mijlocul anilor 1920, astronomul Edwin Hubble a făcut observații de la recent construit telescopul Hooker de 100 inci (254 centimetri) la Observatorul Mount Wilson din California. Încerca să rezolve o dezbatere despre localizarea anumitor nori în spațiu pe care astronomii o puteau vedea. Hubble a dovedit că aceste „nebuloase” nu erau nori mici, locale, ci în schimb erau grupări stelare vaste și îndepărtate, similare cu propria noastră Calea Lactee - „universurile insulare” în limbajul vremii. Astăzi, le numim galaxii și știm că numără în trilioane.
Cele mai mari tulburări din perspectiva cosmică erau încă să vină. Lucrările lui Hubble de la sfârșitul anilor 1920 au sugerat faptul că galaxiile în toate direcțiile se îndepărtează de noi, declanșând decenii de dezbateri suplimentare. Măsurătorile eventuale ale fundalului cu microunde cosmice (CMB) - lumină rămasă din primii ani ai universului și de când s-a întins în microunde - în anii '60 au dovedit că realitatea se potrivește cu una dintre posibilitățile sugerate de relativitatea generală: pornind de la mic și la cald, universul are a devenit din ce în ce mai mare și mai rece. Conceptul a devenit cunoscut sub numele de teoria Big Bang și a zguduit cosmologii pentru că presupunea că chiar universul poate avea un început și un sfârșit.
Dar cel puțin acești astronomi au putut vedea mișcarea galaxiilor în telescoapele lor. Una dintre cele mai seismice schimbări ale cosmologiei, a spus Farrar, este ideea că marea majoritate a lucrurilor de acolo sunt făcute din altceva, ceva complet invizibil. Materialul pe care îl putem vedea se ridică la puțin mai mult decât o eroare cosmică de rotunjire - doar aproximativ 5% din tot ceea ce există în univers.
Primul denizen al celorlalte 95% din univers, ceea ce se numește „sectorul întunecat”, și-a pus capul în anii ’70. Pe atunci, astronomul Vera Rubin și-a dat seama că galaxiile se învârteau atât de repede încât ar trebui să se rotească. Mai mult decât materia greu de văzut, a spus Farrar, lucrurile care păstrează galaxiile la un loc trebuiau să fie ceva complet necunoscut fizicienilor, ceva care - cu excepția atragerii sale gravitaționale - ignoră complet materia obișnuită și lumina. Cartarea ulterioară a relevat faptul că galaxiile pe care le vedem sunt pur și simplu nuclee în centrul sferelor colosale de „materie întunecată”. Filamentele de materie vizibilă care se întind prin univers atârnă de un cadru întunecat care depășește particulele vizibile cinci la unu.
Telescopul spațial Hubble a descoperit apoi semne ale unei varietăți neașteptate de energie - despre care cosmologii spun acum că reprezintă 70% din universul rămas după ce a contabilizat materia întunecată (25%) și materia vizibilă (5%) - în anii 90, când a urmărit extinderea universului la viteză ca un tren fugit. „Energia întunecată”, posibil un tip de energie inerentă spațiului însuși, împinge universul mai repede decât gravitația poate atrage cosmosul împreună. Peste un trilion de ani, orice astronom care rămâne pe Calea Lactee se va găsi într-un adevărat univers insular, învăluit de întuneric.
„Ne aflăm într-un punct de tranziție din istoria universului, de unde este dominat de materie până unde este dominat de o nouă formă de energie”, a spus Steinhardt. "Materia întunecată ne-a determinat trecutul. Energia întunecată ne va determina viitorul."
Cosmologia modernă și viitoare
Cosmologia actuală ambalează aceste descoperiri de reper în realizarea încununării sale, modelul Lambda-CDM. Uneori numit modelul standard al cosmologiei, acest pachet de ecuații descrie universul de la prima sa secundă înainte. Modelul presupune o anumită cantitate de energie întunecată (lambda, pentru reprezentarea sa în relativitatea generală) și de materia întunecată rece (CDM) și face ghiciri similare despre cantitatea de materie vizibilă, forma universului și alte caracteristici, toate determinate de experimente și observații.
Joacă acel film de univers pentru bebeluși înaintează 13,8 miliarde de ani, iar cosmologii obțin o imagine care „statistic are tot ce putem măsura până la un anumit punct”, a spus Steinhardt. Acest model reprezintă ținta de bătut pe măsură ce cosmologii își împing descrierile universului mai adânc în trecut și în viitor.
La fel de reușit cum a fost și Lambda-CDM, mai are încă o mulțime de kink-uri care trebuie să funcționeze. Cosmologii obțin rezultate conflictuale atunci când încearcă să studieze expansiunea actuală a universului, în funcție de măsurarea directă a acesteia în galaxiile din apropiere sau de a o deduce din CMB. Acest model nu spune nimic despre machiajul materiei întunecate sau al energiei.
Atunci există acea primă secundă tulburătoare a existenței, când se presupune că universul a trecut de la o specie infinitesimală la o bule relativ comportată relativist. „Inflația” este o teorie populară care încearcă să se ocupe de această perioadă, explicând modul în care un scurt moment de expansiune și mai rapidă a explodat minuscule variații primordiale în denivelarea pe scară largă a galaxiilor de astăzi, precum și modul în care intrările Lambda-CDM și-au obținut valorile. .
Nimeni nu știe cum a funcționat în detaliu inflația sau de ce s-a oprit acolo unde se presupunea. Steinhardt a spus că inflația ar fi trebuit să continue în multe regiuni ale spațiului, implicând că universul nostru este doar o felie de „multivers” care conține fiecare realitate fizică posibilă - o idee de necontestat pe care mulți experimentali le consideră neliniștitoare.
Pentru a face progrese în întrebări ca acestea, cosmologii se uită la măsurători de precizie de la telescoape spațiale precum Telescopul spațial Hubble și telescopul spațial James Webb, precum și la experimente în domeniul emergent al astronomiei valurilor gravitaționale, cum ar fi Fundația Națională a Științei Observator gravitational-unde cu interferometru laser. Cosmologii se alătură și fizicienilor de particule și astrofizicienilor într-o cursă interdisciplinară pentru a detecta particule de materie întunecată.
Așa cum cosmologia nu a putut începe până când alte ramuri ale fizicii nu s-au maturizat, ea nu va putea termina dezvăluirea istoriei universului până când alte domenii nu vor fi mai complete. legile fizicii la toate scările de energie și în toate condițiile ", a spus Steinhardt. „Și o schimbare în oricare dintre acestea ar putea schimba radical povestea cosmologică”.
Farrar a spus că nu știe dacă se va întâmpla asta, dar se minună că oamenii au înțeles complexitățile universului la fel de mult ca și ele. „Este uimitor faptul că creierul uman a evoluat până la punctul în care aceste întrebări pot fi aparent răspuns”, a spus ea. „Unii dintre ei cel puțin”.
Adiţional resurse:
