Chế độ xem SDSS trong vùng hồng ngoại - với APOGEE - của thiên hà Milky Way khi nhìn về phía trung tâm. 100 năm trước, đây là quan niệm của chúng ta về toàn bộ Vũ trụ. Tín dụng hình ảnh: Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan.

11 tiến bộ khoa học trong 100 năm qua đã cho chúng ta toàn bộ Vũ trụ của chúng ta

Từ một vũ trụ không lớn hơn Dải Ngân hà của chúng ta đến hàng nghìn tỷ thiên hà trong Vũ trụ đang mở rộng của chúng ta, kiến ​​thức của chúng ta tăng lên từng bước một.

Cấm Gamow thật tuyệt vời trong ý tưởng của mình. Anh nói đúng, anh sai. Thường xuyên sai hơn đúng. Luôn luôn thú vị; Sau đó, khi ý tưởng của anh ấy không sai, nó không chỉ đúng mà còn mới. Giao dịch chuyển đổi

Chính xác 100 năm trước, quan niệm của chúng ta về Vũ trụ khác xa so với ngày nay. Các ngôi sao trong Dải Ngân hà đã được biết đến và được biết là ở khoảng cách lên tới hàng ngàn năm ánh sáng, nhưng không có gì được cho là xa hơn. Vũ trụ được coi là tĩnh, vì các hình xoắn ốc và hình elip trên bầu trời được coi là các vật thể chứa trong thiên hà của chúng ta. Lực hấp dẫn của Newton vẫn chưa bị lật đổ bởi lý thuyết mới của Einstein và các ý tưởng khoa học như Vụ nổ lớn, vật chất tối và năng lượng tối thậm chí chưa được nghĩ đến. Nhưng trong mỗi thập kỷ, những tiến bộ to lớn đã được thực hiện, cho đến tận ngày nay. Đây là một điểm nổi bật về cách mỗi người di chuyển sự hiểu biết khoa học của chúng ta về Vũ trụ về phía trước.

Kết quả của cuộc thám hiểm Eddington năm 1919 đã cho thấy, một cách thuyết phục, rằng Lý thuyết tương đối tổng quát đã mô tả sự bẻ cong của ánh sao xung quanh các vật thể lớn, lật đổ bức tranh Newton. Tín dụng hình ảnh: Tin tức London minh họa, 1919.

Những năm 1910 - lý thuyết của Einstein đã khẳng định! Thuyết tương đối rộng đã nổi tiếng vì đưa ra lời giải thích rằng lực hấp dẫn của Newton không thể: sự đi trước của quỹ đạo của Sao Thủy quanh Mặt trời. Nhưng nó không đủ cho một lý thuyết khoa học để giải thích một cái gì đó chúng ta đã quan sát; nó cần đưa ra một dự đoán về một cái gì đó chưa được nhìn thấy. Trong khi đã có nhiều thế kỷ qua - sự giãn nở thời gian hấp dẫn, thấu kính mạnh và yếu, kéo khung, dịch chuyển hấp dẫn, v.v. - đầu tiên là sự bẻ cong của ánh sao trong suốt nhật thực toàn phần, được Eddington và cộng sự quan sát vào năm 1919. Lượng uốn cong của ánh sao xung quanh Mặt trời quan sát được phù hợp với Einstein và không phù hợp với Newton. Cứ như thế, quan điểm của chúng ta về Vũ trụ sẽ thay đổi mãi mãi.

Phát hiện của Hubble về một biến Cepheid trong thiên hà Andromeda, M31, đã mở ra Vũ trụ cho chúng ta. Tín dụng hình ảnh: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay và Nhóm di sản Hubble. Tín dụng hình ảnh: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay và Nhóm di sản Hubble.

Những năm 1920 - Chúng ta vẫn chưa biết có một Vũ trụ ngoài kia Dải Ngân hà, nhưng tất cả đã thay đổi vào những năm 1920 với tác phẩm của Edwin Hubble. Trong khi quan sát một số tinh vân xoắn ốc trên bầu trời, anh ta có thể xác định được từng ngôi sao biến đổi cùng loại được biết đến trong Dải Ngân hà. Chỉ có điều, độ sáng của chúng thấp đến mức chúng cần cách xa hàng triệu năm ánh sáng, đặt chúng ở xa phạm vi thiên hà của chúng ta. Hubble đã không dừng lại ở đó, đo tốc độ suy thoái và khoảng cách trong hơn một chục thiên hà, khám phá ra Vũ trụ rộng lớn, đang mở rộng mà chúng ta biết ngày nay.

Hai thiên hà lớn, sáng ở trung tâm của cụm Coma, NGC 4889 (trái) và NGC 4874 nhỏ hơn (phải), mỗi kích thước vượt quá một triệu năm ánh sáng. Nhưng các thiên hà ở vùng ngoại ô, xung quanh rất nhanh, chỉ ra sự tồn tại của một quầng sáng lớn của vật chất tối trong toàn bộ cụm sao. Tín dụng hình ảnh: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Đại học Arizona.

Những năm 1930 - Từ lâu, người ta đã nghĩ rằng nếu bạn có thể đo được tất cả khối lượng chứa trong các ngôi sao, và có lẽ thêm vào khí và bụi, bạn sẽ tính đến mọi vấn đề trong Vũ trụ. Tuy nhiên, bằng cách quan sát các thiên hà trong một cụm dày đặc (như cụm Coma, ở trên), Fritz Zwicky đã chỉ ra rằng các ngôi sao và những gì chúng ta biết là vật chất bình thường, tức là (các nguyên tử) không đủ để giải thích các chuyển động bên trong của các cụm này. Ông đặt tên cho vật chất mới này là vật chất tối, hay vật chất tối, một quan sát mà phần lớn bị bỏ qua cho đến những năm 1970, khi vật chất bình thường được hiểu rõ hơn và vật chất tối được chứng minh là tồn tại rất nhiều trong các thiên hà xoay tròn. Bây giờ chúng ta biết nó vượt xa vật chất bình thường theo tỷ lệ 5: 1.

Dòng thời gian trong lịch sử Vũ trụ có thể quan sát của chúng ta, nơi phần có thể quan sát được mở rộng đến kích thước lớn hơn và lớn hơn khi chúng ta tiến về phía trước từ Big Bang. Tín dụng hình ảnh: nhóm khoa học NASA / WMAP.

Những năm 1940 - Trong khi phần lớn các nguồn lực thực nghiệm và quan sát đã đi vào các vệ tinh gián điệp, tên lửa và sự phát triển của công nghệ hạt nhân, các nhà vật lý lý thuyết vẫn đang làm việc chăm chỉ. Vào năm 1945, George Gamow đã thực hiện phép ngoại suy cuối cùng của Vũ trụ đang mở rộng: nếu Vũ trụ đang mở rộng và làm mát ngày nay, thì nó hẳn đã nóng hơn và dày đặc hơn trong quá khứ. Đi ngược lại, chắc hẳn đã có lúc trời nóng và dày đặc đến mức các nguyên tử trung tính không thể hình thành, và trước đó, nơi hạt nhân nguyên tử không thể hình thành. Nếu điều này là đúng, thì trước khi bất kỳ ngôi sao nào hình thành, vật chất mà Vũ trụ bắt đầu phải có tỷ lệ cụ thể của các nguyên tố nhẹ nhất và phải có một ánh sáng còn sót lại thấm vào mọi hướng trong Vũ trụ chỉ vài độ trên độ không tuyệt đối ngày nay . Khung này ngày nay được gọi là Vụ nổ lớn, và là ý tưởng lớn nhất được đưa ra từ những năm 1940.

Cutaway này giới thiệu các khu vực khác nhau của bề mặt và bên trong Mặt trời, bao gồm cả lõi, là nơi xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân. Quá trình hợp nhất, trong các ngôi sao giống như Mặt trời cũng như anh em họ đồ sộ hơn của nó, là điều cho phép chúng ta xây dựng các nguyên tố nặng có mặt trên khắp Vũ trụ ngày nay. Tín dụng hình ảnh: Wikimedia Commons người dùng Kelvinsong.

Những năm 1950 - Nhưng một ý tưởng cạnh tranh với Big Bang là mô hình Steady-State, được đưa ra bởi Fred Hoyle và những người khác trong cùng thời gian. Một cách ngoạn mục, cả hai bên lập luận rằng tất cả các nguyên tố nặng hơn hiện diện trên Trái đất ngày nay đã được hình thành trong giai đoạn đầu của Vũ trụ. Những gì Hoyle và các cộng tác viên của ông tranh luận là chúng được tạo ra không phải trong trạng thái sớm, nóng và dày đặc, mà là ở các thế hệ ngôi sao trước đó. Hoyle, cùng với các cộng tác viên Willie Fowler và Geoffrey và Margaret Burbidge, đã nêu chi tiết chính xác cách các yếu tố sẽ được xây dựng trong bảng tuần hoàn từ phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra trong các ngôi sao. Một cách ngoạn mục nhất, họ dự đoán phản ứng tổng hợp helium thành carbon thông qua một quá trình chưa từng được quan sát trước đây: quá trình triple-alpha, đòi hỏi một trạng thái carbon mới tồn tại. Trạng thái đó đã được Fowler phát hiện ra một vài năm sau khi nó được đề xuất bởi Hoyle và ngày nay được gọi là Trạng thái carbon của Hoyle. Từ điều này, chúng ta đã học được rằng tất cả các nguyên tố nặng tồn tại trên Trái đất ngày nay đều có nguồn gốc từ tất cả các thế hệ sao trước đó.

Nếu chúng ta có thể nhìn thấy ánh sáng vi sóng, bầu trời đêm sẽ trông giống như hình bầu dục màu xanh lá cây ở nhiệt độ 2,7 K, với tiếng ồn Tiếng ồn ở trung tâm đóng góp bởi sự đóng góp nóng hơn từ máy bay thiên hà của chúng ta. Bức xạ đồng nhất này, với phổ đen, là bằng chứng của ánh sáng còn sót lại từ Vụ nổ lớn: nền vi sóng vũ trụ. Tín dụng hình ảnh: nhóm khoa học NASA / WMAP.

Những năm 1960 - Sau khoảng 20 năm tranh luận, quan sát chính quyết định lịch sử của Vũ trụ đã được khám phá: phát hiện ra ánh sáng còn sót lại được dự đoán từ Vụ nổ lớn, hay Bối cảnh lò vi sóng vũ trụ. Đồng phục này, bức xạ 2.725 K được phát hiện vào năm 1965 bởi Arno Penzias và Bob Wilson, không ai trong số họ nhận ra những gì họ đã phát hiện ra lúc đầu. Tuy nhiên, theo thời gian, toàn bộ dải đen của bức xạ này và thậm chí cả sự dao động của nó đã được đo, cho chúng ta thấy rằng Vũ trụ bắt đầu với một bang bang bang.

Các giai đoạn đầu tiên của Vũ trụ, trước Vụ nổ lớn, là những gì thiết lập các điều kiện ban đầu mà mọi thứ chúng ta thấy ngày nay đã phát triển từ đó. Đây là ý tưởng lớn của Alan Guth: lạm phát vũ trụ. Tín dụng hình ảnh: E. Siegel, với các hình ảnh có nguồn gốc từ ESA / Planck và lực lượng đặc nhiệm liên ngành DoE / NASA / NSF trong nghiên cứu CMB.

Những năm 1970 - Vào cuối năm 1979, một nhà khoa học trẻ đã có ý tưởng về một cuộc đời. Alan Guth, đang tìm cách giải quyết một số vấn đề không giải thích được của Vụ nổ lớn - tại sao Vũ trụ lại phẳng như vậy, tại sao nó có cùng nhiệt độ ở mọi hướng và tại sao không có di tích năng lượng cực cao - đã đến theo một ý tưởng được gọi là lạm phát vũ trụ. Nó nói rằng trước khi Vũ trụ tồn tại ở trạng thái nóng, dày đặc, nó đã ở trong trạng thái giãn nở theo cấp số nhân, nơi tất cả năng lượng bị ràng buộc trong chính không gian. Phải mất một số cải tiến về ý tưởng ban đầu của Guth để tạo ra lý thuyết lạm phát hiện đại, nhưng những quan sát tiếp theo - bao gồm cả những biến động trong CMB, về cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ và về cách thức các cụm thiên hà, cụm và hình thái - tất cả đều có dự đoán lạm phát. Không chỉ vũ trụ của chúng ta bắt đầu bằng tiếng nổ, mà còn có một trạng thái tồn tại trước khi Big Bang nóng bỏng từng xảy ra.

Phần còn lại của siêu tân tinh 1987a, nằm trong Đám mây Magellan Lớn cách đó khoảng 165.000 năm ánh sáng. Đó là siêu tân tinh được quan sát gần nhất với Trái đất trong hơn ba thế kỷ. Tín dụng hình ảnh: Noel Carboni & ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

Những năm 1980 - Có vẻ như không nhiều, nhưng vào năm 1987, siêu tân tinh gần nhất với Trái đất đã xảy ra trong hơn 100 năm. Nó cũng là siêu tân tinh đầu tiên xảy ra khi chúng ta có máy dò trực tuyến có khả năng tìm thấy neutrino từ những sự kiện này! Mặc dù chúng ta đã thấy rất nhiều siêu tân tinh tuyệt vời trong các thiên hà khác, nhưng chúng ta chưa bao giờ có một sự kiện nào xảy ra gần đến mức có thể quan sát được neutrino từ nó. Những neutrino 20 hay hơn này đánh dấu sự khởi đầu của thiên văn học neutrino và những phát triển tiếp theo kể từ đó đã dẫn đến việc phát hiện ra dao động neutrino, khối lượng neutrino và neutrino từ siêu tân tinh xảy ra cách đây hơn một triệu năm ánh sáng. Nếu các máy dò hiện tại đang hoạt động vẫn còn hoạt động, siêu tân tinh tiếp theo trong thiên hà của chúng ta sẽ có hơn một trăm nghìn neutrino được phát hiện từ nó.

Bốn số phận có thể có của Vũ trụ, với ví dụ dưới cùng phù hợp với dữ liệu nhất: Vũ trụ có năng lượng tối. Đây là lần đầu tiên được phát hiện với các quan sát siêu tân tinh xa xôi. Tín dụng hình ảnh: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

Những năm 1990 - Nếu bạn nghĩ vật chất tối và khám phá ra Vũ trụ bắt đầu như thế nào là một vấn đề lớn, thì bạn chỉ có thể tưởng tượng ra một cú sốc vào năm 1998 để khám phá ra Vũ trụ sẽ kết thúc như thế nào! Chúng tôi trong lịch sử tưởng tượng ba số phận có thể:

  • Rằng sự mở rộng của Vũ trụ sẽ không đủ để vượt qua lực hấp dẫn của mọi thứ và Vũ trụ sẽ tái diễn trong một cuộc khủng hoảng lớn.
  • Rằng sự mở rộng của Vũ trụ sẽ quá lớn đối với lực hấp dẫn kết hợp của mọi thứ và mọi thứ trong Vũ trụ sẽ chạy trốn khỏi nhau, dẫn đến một sự đóng băng lớn.
  • Hoặc là chúng ta sẽ ở ngay biên giới giữa hai trường hợp này và tốc độ mở rộng sẽ không có giá trị bằng 0 nhưng không bao giờ đạt đến nó: Vũ trụ quan trọng.

Tuy nhiên, thay vào đó, các siêu tân tinh ở xa chỉ ra rằng sự giãn nở của Vũ trụ đang tăng tốc và khi thời gian trôi qua, các thiên hà xa xôi đang tăng tốc độ của chúng ra xa nhau. Không chỉ vũ trụ sẽ đóng băng, mà tất cả các thiên hà chưa bị ràng buộc với nhau cuối cùng cũng sẽ biến mất ngoài đường chân trời vũ trụ của chúng ta. Khác với các thiên hà trong nhóm địa phương của chúng ta, sẽ không có thiên hà nào khác gặp phải Dải Ngân hà của chúng ta và số phận của chúng ta sẽ là một người lạnh lùng, cô đơn thực sự. Trong 100 tỷ năm nữa, chúng ta sẽ không thể thấy bất kỳ thiên hà nào ngoài thiên hà của chúng ta.

Các dao động trong Nền vi sóng vũ trụ lần đầu tiên được đo chính xác bằng COBE vào những năm 1990, sau đó chính xác hơn là WMAP vào những năm 2000 và Planck (ở trên) vào những năm 2010. Hình ảnh này mã hóa một lượng thông tin khổng lồ về Vũ trụ sơ khai. Tín dụng hình ảnh: ESA và Cộng tác Planck.

Những năm 2000 - Việc phát hiện ra nền vi sóng vũ trụ không kết thúc vào năm 1965, nhưng các phép đo của chúng ta về sự dao động (hoặc không hoàn hảo) trong ánh sáng còn sót lại của Big Bang đã dạy cho chúng ta một điều phi thường: chính xác là Vũ trụ được tạo ra. Dữ liệu từ COBE đã được thay thế bởi WMAP, do đó đã được Planck cải thiện. Ngoài ra, dữ liệu cấu trúc quy mô lớn từ các khảo sát thiên hà lớn (như 2dF và SDSS) và dữ liệu siêu tân tinh xa xôi đã kết hợp với nhau để cho chúng ta bức tranh hiện đại về Vũ trụ:

  • 0,01% bức xạ ở dạng photon,
  • Các neutrino 0,1%, đóng góp rất ít vào các halos hấp dẫn xung quanh các thiên hà và cụm,
  • 4,9% vật chất thông thường, bao gồm mọi thứ làm từ các hạt nguyên tử,
  • 27% vật chất tối, hoặc các hạt bí ẩn, không tương tác (trừ trọng lực) tạo cho Vũ trụ cấu trúc mà chúng ta quan sát được,
  • và 68% năng lượng tối, vốn dĩ thuộc về không gian.
Các hệ thống của Kepler-186, Kepler-452 và Hệ mặt trời của chúng ta. Trong khi hành tinh xung quanh một ngôi sao lùn đỏ như Kepler-186 rất thú vị trong quyền riêng của họ, Kepler-452b có thể giống Trái đất hơn rất nhiều bởi một số số liệu. Tín dụng hình ảnh: NASA / JPL-CalTech / R. Đau.

Những năm 2010 - Thập kỷ chưa kết thúc, nhưng cho đến nay chúng ta đã phát hiện ra những hành tinh có thể ở được giống Trái đất đầu tiên của chúng ta, trong số hàng ngàn và hàng ngàn hành tinh ngoại mới được phát hiện bởi sứ mệnh Kepler của NASA, trong số những người khác. Tuy nhiên, có thể nói, đó thậm chí không phải là phát hiện lớn nhất trong thập kỷ, vì việc phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn từ LIGO không chỉ xác nhận bức tranh mà Einstein vẽ đầu tiên, về lực hấp dẫn, vào năm 1915. Hơn một thế kỷ sau khi lý thuyết của Einstein lần đầu tiên cạnh tranh với Newton để xem các quy tắc hấp dẫn của Vũ trụ là gì, thuyết tương đối rộng đã vượt qua mọi thử nghiệm ném vào nó, thành công đến những rắc rối nhỏ nhất từng được đo lường hoặc quan sát.

Minh họa hai lỗ đen hợp nhất, có khối lượng tương đương với những gì LIGO đã thấy. Kỳ vọng là sẽ có rất ít cách thức tín hiệu điện từ phát ra từ một sự hợp nhất như vậy, nhưng sự hiện diện của vật chất nóng mạnh xung quanh những vật thể này có thể thay đổi điều đó. Tín dụng hình ảnh: SXS, dự án Mô phỏng eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

Câu chuyện khoa học vẫn chưa được thực hiện, vì còn rất nhiều Vũ trụ vẫn còn để khám phá. Tuy nhiên, 11 bước này đã đưa chúng ta từ một vũ trụ không tuổi, không lớn hơn thiên hà của chúng ta, được tạo thành chủ yếu từ các ngôi sao, đến một vũ trụ giãn nở, làm mát được cung cấp bởi vật chất tối, năng lượng tối và vật chất bình thường của chúng ta, có khả năng có thể ở được Các hành tinh và 13,8 tỷ năm tuổi, bắt nguồn từ Vụ nổ lớn do chính lạm phát vũ trụ thiết lập. Chúng ta biết nguồn gốc của Vũ trụ của chúng ta, đó là định mệnh, ngày nay trông như thế nào và nó diễn ra như thế nào. Có thể 100 năm tới sẽ nắm giữ nhiều tiến bộ khoa học, các cuộc cách mạng và những điều ngạc nhiên cho tất cả chúng ta.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.