Die SDSS-Ansicht der Milchstraße im Infrarot - mit APOGEE - in Richtung Zentrum. Vor 100 Jahren war dies unsere Vorstellung vom gesamten Universum. Bildnachweis: Sloan Digital Sky Survey.

11 Die wissenschaftlichen Fortschritte der letzten 100 Jahre haben uns unser gesamtes Universum beschert

Von einem Universum, das nicht größer als unsere Milchstraße war, bis zu den Billionen von Galaxien in unserem expandierenden Universum nahm unser Wissen Schritt für Schritt zu.

„Gamow war fantastisch in seinen Ideen. Er hatte recht, er hatte falsch. Meistens falsch als richtig. Immer interessant; … Und als seine Idee nicht falsch war, war sie nicht nur richtig, sondern auch neu. “ -Edward Teller

Vor genau 100 Jahren war unsere Vorstellung vom Universum ganz anders als heute. Die Sterne in der Milchstraße waren bekannt und befanden sich in Entfernungen von bis zu Tausenden von Lichtjahren, aber nichts wurde für weiter gehalten. Es wurde angenommen, dass das Universum statisch ist, da angenommen wurde, dass die Spiralen und Ellipsen am Himmel Objekte sind, die in unserer eigenen Galaxie enthalten sind. Newtons Schwerkraft war noch immer nicht durch Einsteins neue Theorie gestürzt worden, und wissenschaftliche Ideen wie der Urknall, die Dunkle Materie und die Dunkle Energie waren noch nicht einmal erfunden worden. Aber in jedem Jahrzehnt wurden bis heute enorme Fortschritte erzielt. Hier ist ein Höhepunkt, wie jeder einzelne unser wissenschaftliches Verständnis des Universums vorangebracht hat.

Die Ergebnisse der Eddington-Expedition von 1919 zeigten schlüssig, dass die Allgemeine Relativitätstheorie die Biegung des Sternenlichts um massive Objekte beschreibt und das Newtonsche Bild stürzt. Bildnachweis: The Illustrated London News, 1919.

1910er Jahre - Einsteins Theorie bestätigt! Die Allgemeine Relativitätstheorie war berühmt dafür, die Erklärung zu geben, die Newtons Schwerkraft nicht konnte: die Präzession von Merkurs Umlaufbahn um die Sonne. Für eine wissenschaftliche Theorie reicht es jedoch nicht aus, etwas zu erklären, was wir bereits beobachtet haben. es muss eine Vorhersage über etwas machen, das noch gesehen werden muss. Während es im letzten Jahrhundert viele gab - Gravitationszeitdilatation, starke und schwache Linsenbildung, Frame-Dragging, Gravitationsrotverschiebung usw. - war das erste die Biegung des Sternenlichts während einer totalen Sonnenfinsternis, die Eddington und seine Mitarbeiter 1919 beobachteten. Das beobachtete Ausmaß der Biegung des Sternenlichts um die Sonne stimmte mit Einstein überein und stimmte nicht mit Newton überein. Einfach so würde sich unsere Sicht auf das Universum für immer ändern.

Hubbles Entdeckung einer Cepheid-Variablen in der Andromeda-Galaxie, M31, öffnete uns das Universum. Bildnachweis: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay und das Hubble Heritage Team. Bildnachweis: E. Hubble, NASA, ESA, R. Gendler, Z. Levay und das Hubble Heritage Team.

1920er Jahre - Wir wussten immer noch nicht, dass es ein Universum jenseits der Milchstraße gibt, aber das änderte sich in den 1920er Jahren mit der Arbeit von Edwin Hubble. Während er einige der Spiralnebel am Himmel beobachtete, konnte er einzelne, variable Sterne des gleichen Typs lokalisieren, die in der Milchstraße bekannt waren. Nur war ihre Helligkeit so gering, dass sie Millionen von Lichtjahren entfernt sein mussten, um sie weit außerhalb der Ausdehnung unserer Galaxie zu platzieren. Hubble hörte hier nicht auf, maß die Rezessionsgeschwindigkeit und die Entfernungen für über ein Dutzend Galaxien und entdeckte das riesige, expandierende Universum, das wir heute kennen.

Die beiden hellen, großen Galaxien im Zentrum des Koma-Clusters, NGC 4889 (links) und das etwas kleinere NGC 4874 (rechts), sind jeweils größer als eine Million Lichtjahre. Aber die Galaxien am Stadtrand, die so schnell herumflitzen, deuten auf die Existenz eines großen Halos dunkler Materie im gesamten Cluster hin. Bildnachweis: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Universität von Arizona.

1930er Jahre - Es wurde lange Zeit gedacht, dass man, wenn man die gesamte in Sternen enthaltene Masse messen und vielleicht Gas und Staub hinzufügen könnte, die gesamte Materie im Universum erklären würde. Durch Beobachtung der Galaxien in einem dichten Cluster (wie dem Coma-Cluster oben) zeigte Fritz Zwicky, dass Sterne und das, was wir als „normale Materie“ (dh Atome) kennen, nicht ausreichen, um die inneren Bewegungen dieser Cluster zu erklären. Er nannte diese neue Materie dunkle Materie oder dunkle Materie, eine Beobachtung, die bis in die 1970er Jahre weitgehend ignoriert wurde, als normale Materie besser verstanden wurde und dunkle Materie in einzelnen rotierenden Galaxien in großer Menge vorhanden war. Wir wissen jetzt, dass es normal ist, normale Materie im Verhältnis 5: 1 zu übertreffen.

Die Zeitachse der Geschichte unseres beobachtbaren Universums, in der sich der beobachtbare Teil zu immer größeren Größen ausdehnt, wenn wir uns in der Zeit vom Urknall entfernen. Bildnachweis: NASA / WMAP-Wissenschaftsteam.

1940er Jahre - Während die überwiegende Mehrheit der experimentellen und Beobachtungsressourcen in Spionagesatelliten, Raketentechnik und die Entwicklung der Kerntechnik floss, arbeiteten theoretische Physiker immer noch hart. 1945 machte George Gamow die ultimative Extrapolation des expandierenden Universums: Wenn sich das Universum heute ausdehnt und abkühlt, muss es in der Vergangenheit heißer und dichter gewesen sein. Rückwärts muss es eine Zeit gegeben haben, in der es so heiß und dicht war, dass sich keine neutralen Atome bilden konnten, und davor eine Zeit, in der sich keine Atomkerne bilden konnten. Wenn dies wahr wäre, dann sollte dieses Material, mit dem das Universum begann, bevor sich jemals Sterne gebildet haben, ein bestimmtes Verhältnis der leichtesten Elemente haben, und es sollte ein übrig gebliebenes Leuchten vorhanden sein, das alle Richtungen im Universum nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt durchdringt . Dieser Rahmen ist heute als Urknall bekannt und war die größte Idee aus den 1940er Jahren.

Dieser Ausschnitt zeigt die verschiedenen Regionen der Oberfläche und des Inneren der Sonne, einschließlich des Kerns, in dem die Kernfusion stattfindet. Der Prozess der Verschmelzung sowohl in sonnenähnlichen Sternen als auch in ihren massereicheren Verwandten ermöglicht es uns, die schweren Elemente aufzubauen, die heute im gesamten Universum vorhanden sind. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Kelvinsong.

1950er Jahre - Eine konkurrierende Idee für den Urknall war jedoch das Steady-State-Modell, das Fred Hoyle und andere zur gleichen Zeit vorstellten. Spektakulär argumentierten beide Seiten, dass alle schwereren Elemente, die heute auf der Erde vorhanden sind, in einem früheren Stadium des Universums gebildet wurden. Was Hoyle und seine Mitarbeiter argumentierten, war, dass sie nicht in einem frühen, heißen und dichten Zustand hergestellt wurden, sondern in früheren Generationen von Sternen. Hoyle erläuterte zusammen mit den Mitarbeitern Willie Fowler, Geoffrey und Margaret Burbidge genau, wie Elemente des Periodensystems aus der Kernfusion in Sternen aufgebaut werden würden. Am spektakulärsten war die Vorhersage der Heliumfusion zu Kohlenstoff durch einen nie zuvor beobachteten Prozess: den Triple-Alpha-Prozess, für den ein neuer Kohlenstoffzustand erforderlich ist. Dieser Zustand wurde von Fowler einige Jahre nach seinem Vorschlag von Hoyle entdeckt und ist heute als Hoyle-Zustand von Kohlenstoff bekannt. Daraus haben wir gelernt, dass alle schweren Elemente, die heute auf der Erde existieren, ihren Ursprung allen früheren Generationen von Sternen verdanken.

Wenn wir Mikrowellenlicht sehen könnten, würde der Nachthimmel bei einer Temperatur von 2,7 K wie das grüne Oval aussehen, wobei das „Rauschen“ in der Mitte durch heißere Beiträge unserer galaktischen Ebene verursacht wird. Diese gleichmäßige Strahlung mit einem Schwarzkörperspektrum ist ein Beweis für das übrig gebliebene Leuchten des Urknalls: den kosmischen Mikrowellenhintergrund. Bildnachweis: NASA / WMAP-Wissenschaftsteam.

1960er Jahre - Nach etwa 20 Jahren Debatte wurde die wichtigste Beobachtung, die die Geschichte des Universums bestimmen sollte, aufgedeckt: die Entdeckung des vorhergesagten Restglühens des Urknalls oder des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Diese einheitliche Strahlung von 2,725 K wurde 1965 von Arno Penzias und Bob Wilson entdeckt, von denen keiner realisierte, was sie zuerst entdeckt hatten. Im Laufe der Zeit wurde jedoch das gesamte Schwarzkörperspektrum dieser Strahlung und sogar ihre Schwankungen gemessen, was uns zeigte, dass das Universum schließlich mit einem „Knall“ begann.

Die frühesten Stadien des Universums vor dem Urknall haben die Ausgangsbedingungen geschaffen, aus denen sich alles, was wir heute sehen, entwickelt hat. Dies war Alan Guths große Idee: kosmische Inflation. Bildnachweis: E. Siegel, mit Bildern von ESA / Planck und der DoE / NASA / NSF Interagency Task Force für CMB-Forschung.

1970er Jahre - Ende 1979 hatte ein junger Wissenschaftler die Idee eines Lebens. Alan Guth, der nach einer Möglichkeit suchte, einige der ungeklärten Probleme des Urknalls zu lösen - warum das Universum räumlich so flach war, warum es in alle Richtungen dieselbe Temperatur hatte und warum es keine Relikte mit ultrahoher Energie gab - kam auf eine Idee, die als kosmische Inflation bekannt ist. Es heißt, bevor das Universum in einem heißen, dichten Zustand existierte, befand es sich in einem Zustand exponentieller Expansion, in dem die gesamte Energie im Gefüge des Raums selbst gebunden war. Es bedurfte einer Reihe von Verbesserungen an Guths ursprünglichen Ideen, um die moderne Inflationstheorie zu entwickeln, aber nachfolgende Beobachtungen - einschließlich der Schwankungen des CMB, der großräumigen Struktur des Universums und der Art und Weise, wie Galaxien sich verklumpen, zusammenballen und formen - Alle haben die Prognosen der Inflation bestätigt. Unser Universum begann nicht nur mit einem Knall, sondern es gab auch einen Zustand, der existierte, bevor der heiße Urknall jemals auftrat.

Der Rest der Supernova 1987a befindet sich in der großen Magellanschen Wolke, etwa 165.000 Lichtjahre entfernt. Es war die der Erde am nächsten beobachtete Supernova seit mehr als drei Jahrhunderten. Bildnachweis: Noel Carboni und der ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

1980er Jahre - Es scheint nicht viel zu sein, aber 1987 trat die der Erde am nächsten liegende Supernova in über 100 Jahren auf. Es war auch die erste Supernova, die auftrat, als wir Detektoren online hatten, die in der Lage waren, Neutrinos aus diesen Ereignissen zu finden! Während wir in anderen Galaxien sehr viele Supernovae gesehen haben, hatten wir noch nie zuvor eine so nahe aufgetreten, dass Neutrinos davon beobachtet werden konnten. Diese etwa 20 Neutrinos markierten den Beginn der Neutrinoastronomie, und spätere Entwicklungen haben seitdem zur Entdeckung von Neutrinooszillationen, Neutrinomassen und Neutrinos aus Supernovae geführt, die mehr als eine Million Lichtjahre entfernt auftreten. Wenn die derzeit vorhandenen Detektoren noch in Betrieb sind, werden in der nächsten Supernova in unserer Galaxie über hunderttausend Neutrinos nachgewiesen.

Die vier möglichen Schicksale des Universums, wobei das untere Beispiel am besten zu den Daten passt: ein Universum mit dunkler Energie. Dies wurde zuerst mit entfernten Supernova-Beobachtungen aufgedeckt. Bildnachweis: E. Siegel / Beyond The Galaxy.

1990er Jahre - Wenn Sie dachten, dunkle Materie und die Entdeckung, wie das Universum begann, eine große Sache waren, dann können Sie sich nur vorstellen, was für ein Schock es 1998 war, herauszufinden, wie das Universum enden würde! Wir haben uns historisch drei mögliche Schicksale vorgestellt:

  • Dass die Expansion des Universums nicht ausreichen würde, um die Anziehungskraft von allem zu überwinden, und das Universum in einer großen Krise wieder zusammenbrechen würde.
  • Dass die Expansion des Universums zu groß für die kombinierte Gravitation von allem wäre und alles im Universum voneinander weglaufen würde, was zu einem großen Einfrieren führen würde.
  • Oder dass wir direkt an der Grenze zwischen diesen beiden Fällen wären und die Expansionsrate auf Null asymptotisch wäre, sie aber nie ganz erreichen würde: ein kritisches Universum.

Stattdessen deuteten entfernte Supernovae darauf hin, dass sich die Expansion des Universums beschleunigte und dass entfernte Galaxien im Laufe der Zeit ihre Geschwindigkeit voneinander entfernten. Das Universum wird nicht nur einfrieren, sondern alle Galaxien, die noch nicht aneinander gebunden sind, werden irgendwann jenseits unseres kosmischen Horizonts verschwinden. Außer den Galaxien in unserer lokalen Gruppe werden keine anderen Galaxien jemals auf unsere Milchstraße treffen, und unser Schicksal wird in der Tat kalt und einsam sein. In weiteren 100 Milliarden Jahren werden wir keine Galaxien mehr als unsere eigenen sehen können.

Die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund wurden zuerst in den 1990er Jahren von COBE, dann in den 2000er Jahren von WMAP und in den 2010er Jahren von Planck (oben) genauer gemessen. Dieses Bild enthält eine große Menge an Informationen über das frühe Universum. Bildnachweis: ESA und die Planck-Zusammenarbeit.

2000er Jahre - Die Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds endete nicht 1965, aber unsere Messungen der Schwankungen (oder Unvollkommenheiten) im übrig gebliebenen Glühen des Urknalls lehrten uns etwas Phänomenales: genau das, woraus das Universum bestand. Daten von COBE wurden von WMAP abgelöst, was wiederum von Planck verbessert wurde. Darüber hinaus haben sich groß angelegte Strukturdaten aus großen Galaxienuntersuchungen (wie 2dF und SDSS) und entfernte Supernova-Daten zu unserem modernen Bild des Universums zusammengeschlossen:

  • 0,01% Strahlung in Form von Photonen,
  • 0,1% Neutrinos, die nur geringfügig zu den Gravitationshalos beitragen, die Galaxien und Cluster umgeben,
  • 4,9% normale Materie, die alles beinhaltet, was aus Atompartikeln besteht,
  • 27% dunkle Materie oder die mysteriösen, nicht wechselwirkenden (außer gravitativen) Teilchen, die dem Universum die Struktur geben, die wir beobachten,
  • und 68% dunkle Energie, die dem Raum selbst innewohnt.
Die Systeme von Kepler-186, Kepler-452 und unserem Sonnensystem. Während der Planet um einen roten Zwergstern wie Kepler-186 für sich genommen interessant ist, kann Kepler-452b nach einer Reihe von Metriken weitaus erdähnlicher sein. Bildnachweis: NASA / JPL-CalTech / R. Verletzt.

2010er Jahre - Das Jahrzehnt ist noch nicht vorbei, aber bisher haben wir bereits unsere ersten potenziell erdähnlichen bewohnbaren Planeten entdeckt, unter den Tausenden und Abertausenden neuer Exoplaneten, die unter anderem von der Kepler-Mission der NASA entdeckt wurden. Dies ist jedoch wohl nicht einmal die größte Entdeckung des Jahrzehnts, da die direkte Erfassung von Gravitationswellen von LIGO nicht nur das Bild bestätigt, das Einstein 1915 zum ersten Mal von der Schwerkraft gemalt hat. Mehr als ein Jahrhundert, nachdem Einsteins Theorie zum ersten Mal konkurrierte Mit Newtons Ansicht, wie die Gravitationsregeln des Universums lauten, hat die allgemeine Relativitätstheorie jeden Test bestanden, der auf sie geworfen wurde, und ist bis auf die kleinsten jemals gemessenen oder beobachteten Feinheiten gelungen.

Illustration von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern von vergleichbarer Masse wie LIGO. Die Erwartung ist, dass ein elektromagnetisches Signal, das von einer solchen Fusion ausgesendet wird, nur sehr wenig im Wege stehen sollte, aber das Vorhandensein stark erhitzter Materie, die diese Objekte umgibt, könnte dies ändern. Bildnachweis: SXS, das Projekt Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org).

Die wissenschaftliche Geschichte ist noch nicht fertig, da noch so viel mehr vom Universum zu entdecken ist. Diese elf Schritte haben uns jedoch von einem Universum unbekannten Alters, das nicht größer ist als unsere eigene Galaxie, die hauptsächlich aus Sternen besteht, zu einem expandierenden, kühlenden Universum geführt, das von dunkler Materie, dunkler Energie und unserer eigenen normalen Materie angetrieben wird und vor potenziell bewohnbaren Menschen strotzt Planeten und das sind 13,8 Milliarden Jahre alt, die ihren Ursprung in einem Urknall haben, der selbst durch die kosmische Inflation verursacht wurde. Wir kennen den Ursprung unseres Universums, sein Schicksal, wie es heute aussieht und wie es dazu kam. Mögen die nächsten 100 Jahre ebenso viele wissenschaftliche Fortschritte, Revolutionen und Überraschungen für uns alle bringen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.