Ljudi su tisućama godina gledali zvijezde i pitali se kako nastaje svemir. Ali tek u godinama Prvog svjetskog rata istraživači su razvili prve promatračke instrumente i teorijske alate kako bi pretvorili ta velika pitanja u precizno polje proučavanja: kosmologiju.
"Ja mislim na kozmologiju kao jedan od najstarijih predmeta ljudskog interesa, ali kao na jednu od najnovijih znanosti", rekao je Paul Steinhardt, kozmolog na Sveučilištu Princeton, koji proučava ima li vrijeme početak.
Kozmologija, ukratko, proučava kosmos kao jednu cjelinu, a ne odvojeno analizira zvijezde, crne rupe i galaksije koje ga ispunjavaju. Ovo polje postavlja velika pitanja: Odakle je svemir? Zašto u njemu postoje zvijezde, galaksije i galaksije? Što će se dogoditi sljedeće? "Kozmologija pokušava napraviti vrlo opsežnu sliku prirode svemira", rekao je Glennys Farrar, fizičar čestica sa Sveučilišta u New Yorku.
Budući da se ta disciplina bori sa mnogim fenomenima, od čestica u vakuumu do tkanine prostora i vremena, kozmologija se snažno privlači na mnogim poljima, uključujući astronomiju, astrofiziku i, sve češće, fiziku čestica.
"Kozmologija ima njezine dijelove koji su u potpunosti u fizici, dijelove koji su u potpunosti u astrofizici i dijelove koji idu naprijed i natrag", rekao je Steinhardt. "To je dio uzbuđenja."
Povijest povijesti svemira
Interdisciplinarna priroda polja pomaže objasniti njegov razmjerno kasni početak. Naša moderna slika svemira počela se sakupljati tek 1920-ih, ubrzo nakon što je Albert Einstein razvio teoriju opće relativnosti, matematički okvir koji opisuje gravitaciju kao posljedicu savijanja prostora i vremena.
"Prije nego što shvatite prirodu gravitacije, ne možete zaista napraviti teoriju o tome zašto su stvari takve kakve jesu", rekao je Steinhardt. Druge sile imaju veće učinke na čestice, ali gravitacija je glavni igrač u areni planeta, zvijezda i galaksija. Opis gravitacije Isaaca Newtona često djeluje i u tom području, ali on prostor (i vrijeme) tretira kao krutu i nepromjenjivu pozadinu na kojoj se mjere događaji. Einsteinovo djelo pokazalo je da se sam prostor može proširiti i ugovarati, premještajući svemir s pozornice na glumca i dovodeći ga u sukob kao dinamičan predmet za proučavanje.
Sredinom 1920-ih astronom Edwin Hubble obavio je promatranja na nedavno izgrađenom 100-inčnom (254 centimetara) Hooker teleskopu u opservatoriju Mount Wilson u Kaliforniji. Pokušavao je riješiti raspravu o smještaju određenih oblaka u svemiru koji su astronomi mogli vidjeti. Hubble je dokazao da te "maglice" nisu mali, lokalni oblaci, već su ogromne, daleke zvijezde nakupine slične našem vlastitom Mliječnom putu - "otočnim svemirima" u tadašnjem parlamenti. Danas ih nazivamo galaksijama i znamo da ih oni broje u bilijune.
Najveći nemiri u kozmičkoj perspektivi tek su trebali doći. Hubbleov rad kasnih 1920-ih sugerirao je da se galaksije u svakom smjeru ubrzavaju od nas, što je pokrenulo desetljeće daljnje rasprave. Eventualna mjerenja kozmičke mikrovalne pozadine (CMB) - svjetla preostalog iz ranih godina svemira i od trenutka kada se protezala u mikrotalasne peći - 1960-ih su dokazala da se stvarnost podudara s jednom od mogućnosti koje sugerira opća relativnost: Polazeći od malog i vrućeg, svemir ima od tada postaju sve veći i hladniji. Koncept je postao poznat kao teorija Velikog praska i uzdrmao je kozmologe jer je podrazumijevao da čak i svemir može imati početak i kraj.
Ali barem su oni astronomi mogli vidjeti gibanje galaksija u svojim teleskopima. Farrar, jedan od najvažnijih seizmičkih pomaka kosmologije, je ideja da je velika većina stvari napravljenih od nečeg drugog, nečega potpuno nevidljivog. Materijal koji vidimo iznosi tek nešto više od pogreške kozmičkog zaokruživanja - samo oko 5% svega u svemiru.
Prvi stanovnik ostalih 95% svemira, koji će se zvati "mračni sektor," podigao je glavu 1970-ih. Tada je astronomica Vera Rubin shvatila da se galaksije vrte oko sebe toliko brzo da bi se trebale razdvojiti. Farrar više od teško dostupne materije, stvari koje drže galaksije zajedno moraju biti nešto potpuno nepoznato fizičarima, nešto što - osim svog gravitacijskog povlačenja - potpuno zanemaruje običnu materiju i svjetlost. Kasnije mapiranje otkrilo je da su galaksije koje vidimo jednostavno jezgre u središtu kolosalnih sfera "tamne materije". Vlakna vidljive materije koja se protežu svemirom visi na tamnom okviru koji nadmašuje vidljive čestice pet do jedan.
Hubble svemirski teleskop tada je otkrio znakove neočekivane raznolikosti energije - za koju sada kažu da kosmolozi čine preostalih 70% svemira, nakon što su činili tamnu tvar (25%) i vidljivu tvar (5%) - u devedesetima, kada je usmjerio širenje svemira poput brzine poput bijelog vlaka. "Tamna energija", možda vrsta energije svojstvena samom prostoru, gura svemir daleko brže nego što gravitacija može sakupiti svemir zajedno. Za trilijuna godina, svi astronomi koji ostanu Mliječnim putem naći će se u pravom otočnom svemiru, okruženom mrakom.
"Nalazimo se na prijelaznoj točki u povijesti svemira, odakle dominira materija do mjesta gdje dominira novi oblik energije", rekao je Steinhardt. "Tamna materija odredila je našu prošlost. Tamna energija određivat će našu budućnost."
Moderna i buduća kozmologija
Aktualna kozmološka paketa ova vrhunska otkrića predstavljaju svoje vrhunsko dostignuće, Lambda-CDM model. Ponekad se naziva standardni model kozmologije, ovaj paket jednadžbi opisuje svemir od njegove prve sekunde nadalje. Model pretpostavlja određenu količinu tamne energije (lambda, za njezinu zastupljenost u općoj relativnosti) i hladne tamne materije (CDM) i daje slična nagađanja o količini vidljive materije, obliku svemira i drugim karakteristikama, a sve se određuje eksperimentima i opažanja.
Igrajte taj film za bebe-svemir naprijed 13,8 milijardi godina, a kosmolozi imaju snimak koji "statistički ima sve što možemo izmjeriti do određenog trenutka", rekao je Steinhardt. Ovaj model predstavlja cilj koju treba pobijediti dok kosmolozi guraju svoje opise svemira dublje u prošlost i budućnost.
Koliko god uspješan bio Lambda-CDM, još uvijek ima puno kinki koje treba razraditi. Kozmolozi dobivaju oprečne rezultate kada pokušavaju proučiti aktualnu ekspanziju u svemiru, ovisno o tome izmjere li ih izravno u obližnjim galaksijama ili ih zaključuju iz CMB-a. Ni ovaj model ne govori ništa o sastavu tamne materije ili energije.
Tada je tu uznemirujuća prva sekunda postojanja, kada je svemir pretpostavljeno prešao iz beskonačno malenog pjega u relativistički dobro voden mjehurić. "Inflacija" je popularna teorija koja pokušava podnijeti ovo razdoblje, objašnjavajući kako je kratki trenutak još brže ekspanzije raznio malene iskonske varijacije u nejednakosti velikih današnjih galaksija, kao i kako su Lambda-CDM unosi dobili svoje vrijednosti ,
Nitko ne zna kako je inflacija detaljno radila ili zašto je stala na mjestu na kojoj se pretpostavlja. Steinhardt je rekao da bi se inflacija trebala nastaviti u mnogim krajevima svemira, implicirajući da je naš svemir samo jedan križić "multiverzuma" koji sadrži svaku moguću fizičku stvarnost - neponovljiva ideja koju mnogi eksperimentalci smatraju uznemirenom.
Da bi postigli napredak u pitanjima poput ovih, kosmolozi traže precizna mjerenja iz svemirskih teleskopa poput svemirskog teleskopa Hubble i nadolazećeg svemirskog teleskopa James Webb, kao i eksperimente u novonastalom polju astronomije gravitacijskog vala, kao što je Nacionalna zaklada za znanost Laser Interferometar Gravitacijsko-valna opservatorija. Kozmolozi se također pridružuju fizičarima čestica i astrofizičarima u interdisciplinarnoj utrci za otkrivanje čestica tamne materije.
Kao što kozmologija ne bi mogla započeti sve dok ostale grane fizike nisu sazrele, ona neće moći dovršiti otkrivanje povijesti svemira dok druga područja ne budu potpunija. "Da biste ispravili priču, morate u osnovi proci sve zakoni fizike na svim energetskim razinama i u svim uvjetima ", rekao je Steinhardt. "A promjena u bilo kojem od njih mogla bi radikalno promijeniti kozmološku priču."
Farrar je rekla da ne zna hoće li se to dogoditi, ali čudi se kako su ljudi shvatili složenost svemira onoliko koliko imaju. "Nevjerojatno je da je ljudski mozak evoluirao do te mjere da se na ova pitanja očito može odgovoriti", rekla je. "Barem neki od njih."
dodatni resursi:
