I tusinder af år har mennesker set stjernerne og undret sig over, 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 studieretning: kosmologi.
"Jeg tænker på kosmologi som et af de ældste emner af menneskelig interesse, men som et 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 i stedet for separat at analysere stjerner, sorte huller og galakser, der fylder det. Dette felt stiller store spørgsmål: Hvor kom universet fra? Hvorfor har den stjerner, galakser og galakse klynger? Hvad sker der næste? "Kosmologi forsøger at skabe et meget stort billede af universets natur," sagde Glennys Farrar, en partikelfysiker ved New York University.
Fordi denne disciplin kæmper med mange fænomener, fra partikler i vakuumet til stoffets rum og tid, trækker kosmologi stærkt på mange felter, herunder astronomi, astrofysik og i stigende grad partikelfysik.
"Kosmologi har dele af det, der er fuldt ud i fysik, dele, der er fuldt ud i astrofysik, og dele, der går frem og tilbage," sagde Steinhardt. "Det er en del af spændingen."
En historie med universets historie
Feltets tværfaglige karakter hjælper med at forklare dens forholdsvis sene start. Vores moderne billede af universet begyndte at samles først i 1920'erne, kort efter at Albert Einstein udviklede teorien om generel relativitet, en matematisk ramme, der beskriver tyngdekraften som en konsekvens af bøjning af rum og tid.
”Før du forstår tyngdekraften, kan du ikke virkelig lave en teori om, hvorfor ting er som de er,” sagde Steinhardt. Andre kræfter har større virkning på partikler, men tyngdekraften er den største spiller i arenaen for planeter, stjerner og galakser. Isaac Newtons beskrivelse af tyngdekraften fungerer ofte også i denne verden, men den behandler rum (og tid) som et stift og uforanderligt baggrund, som man kan måle begivenheder imod. Einsteins arbejde viste, at rummet i sig selv kunne udvide sig og sammensætte sig, flytte universet fra scene til skuespiller og bringe det ind i krisen som et dynamisk objekt at studere.
I midten af 1920'erne gjorde astronom Edwin Hubble observationer fra det nyligt byggede 100-tommer (254 centimeter) Hooker-teleskop ved Mount Wilson-observatoriet i Californien. Han forsøgte at afvikle en debat om placeringen af bestemte skyer i rummet, som astronomer kunne se. Hubble beviste, at disse "tåge" ikke var små, lokale skyer, men i stedet var store, fjerne stjerneklynger, der ligner vores egen Mælkevej - "ø-universer" 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 hurtigere væk fra os og udløste årtiers yderligere debat. Eventuelle målinger af den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB) - lys, der blev tilbage fra universets tidlige år og siden strækket til mikrobølger - i 1960'erne beviste, at virkeligheden matchede en af mulighederne, der blev antydet af den generelle relativitet: At starte ud lille og varmt, har universet siden blevet større og koldere. Konceptet blev kendt som Big Bang-teorien, 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 tanken om, at langt de fleste ting derude er lavet af noget andet, noget helt usynligt. Det materiale, vi kan se, udgør kun lidt mere end en kosmisk afrundingsfejl - kun ca. 5% af alt i universet.
Den første denizen i de andre 95% af universet, hvad der er blevet kaldt den "mørke sektor", fik hovedet i 1970'erne. Dengang forstod astronom Vera Rubin, at galakser snurrede rundt så hurtigt, at de burde spinde sig fra hinanden. Mere end svært at se materie, sagde Farrar, de ting, der holder galakser sammen, skulle være noget, der er helt ukendt for fysikere, noget, der - bortset fra dets tyngdekrafttrækning - helt ignorerer almindeligt stof og lys. Senere kortlægning afslørede, at de galakser, vi ser, simpelthen er kerner i midten af kolossale "mørke stof" sfærer. Filamenterne af synligt stof, der strækker sig over universet, hænger på en mørk ramme, der opvejer synlige partikler fra fem til én.
Hubble-rumteleskopet afslørede derefter tegn på en uventet variation af energi - som kosmologer nu siger, tegner sig for de resterende 70% af universet efter at have tegnet sig for mørkt stof (25%) og synligt stof (5%) - i 1990'erne, da det uret til at udvide universet som hurtigere som et løbstog. "Mørk energi", muligvis en type energi iboende i selve rummet, skubber universet hurtigere fra hinanden, end tyngdekraften kan trække kosmos sammen. Om hundrede billioner år vil enhver astronom, der er tilbage i Mælkevejen, finde sig i et ægte øunivers, omgivet af mørke.
"Vi er på et overgangspunkt i universets historie, hvorfra det er domineret af stof til hvor det er domineret af en ny form for energi," sagde Steinhardt. "Mørkt stof bestemte vores fortid. Mørk energi vil afgøre vores fremtid."
Moderne og fremtidig kosmologi
Nuværende kosmologi pakker disse milepæl-opdagelser i dens kronepræstationer, Lambda-CDM-modellen. Nogle gange kaldet standardmodellen for kosmologi, beskriver dette bundt ligninger universet fra omkring dets første sekund og fremefter. Modellen antager en vis mængde mørk energi (lambda, for dets repræsentation i generel relativitet) og koldt mørkt stof (CDM) og fremsætter lignende gætter om mængden af synligt stof, universets form og andre egenskaber, alt bestemt af eksperimenter og observationer.
Spil den baby-univers-film frem 13,8 milliarder år, og kosmologer får et øjebliksbillede, der "statistisk har alt, hvad vi kan måle os op til et bestemt punkt," sagde Steinhardt. Denne model repræsenterer målet at slå, når kosmologer skubber deres beskrivelser af universet dybere ind i fortiden og i fremtiden.
Så succesfuld som Lambda-CDM har været, har den stadig masser af kinks, der skal trænes. Kosmologer får modstridende resultater, når de prøver at studere universets nuværende ekspansion, afhængigt af om de måler det direkte i nærliggende galakser eller udlede det fra CMB. Denne model siger heller ikke noget om sammensætningen af mørkt stof eller energi.
Så er der det besværlige første sekund af eksistensen, da universet formodentlig gik fra infinitesimal plet til relativistisk velopført boble. "Inflation" er en populær teori, der prøver at håndtere denne periode og forklarer, hvordan et kort øjeblik med endnu hurtigere udvidelse sprængte minuscule uregelmæssige variationer i den store ujævnhed i dagens galakser, samt hvordan Lambda-CDM-input fik deres værdier .
Ingen ved, hvordan inflationen imidlertid fungerede i detaljer, eller hvorfor den stoppede, hvor den formodentlig gjorde. Steinhardt sagde, at inflationen burde have fortsat i mange regioner i rummet, hvilket antyder, at vores univers kun er en skive af en "multiverse", der indeholder enhver mulig fysisk virkelighed - en usmagelig idé, som mange eksperimentelle synes er urolige.
For at gøre fremskridt med spørgsmål som disse ser kosmologer på præcisionsmålinger fra rumbaserede teleskoper som Hubble-rumteleskopet og det kommende James Webb-rumteleskop, såvel som eksperimenter inden for det nye felt af gravitationsbølge Astronomi, såsom National Science Foundation's Laserinterferometer Gravitations-Wave Observatory. Kosmologer deltager også i partikelfysikere og astrofysikere i en tværfaglig race for at opdage partikler af mørkt stof.
Ligesom kosmologi ikke kunne begynde, før andre fysikgrene var modnet, kan den ikke være færdig med at afsløre universets historie, før andre områder er mere komplette. ”For at få historien lige skal du arbejde i det væsentlige alle sammen fysikens love på alle energivægter og under alle forhold, ”sagde Steinhardt. "Og en ændring i enhver 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 utroligt, at den menneskelige hjerne har udviklet sig til det punkt, at disse spørgsmål tilsyneladende kan besvares,” sagde hun. "Nogle af dem i det mindste."
Ekstra ressourcer:
