Vor genau 100 Jahren war unser Konzept des Universums ganz anders als heute. Die Leute wussten über die Sterne in der Milchstraße Bescheid und wussten über die Entfernungen zu ihnen Bescheid, aber niemand wusste, was sich hinter ihnen befand. Das Universum galt als statisch, Spiralen und Ellipsen am Himmel als Objekte unserer eigenen Galaxie. Die Newtonsche Schwerkraft wurde von Einsteins neuer Theorie noch nicht übertroffen, und wissenschaftliche Ideen wie der Urknall, die Dunkle Materie und die Dunkle Materie wurden nicht gehört. Aber dann, buchstäblich mit jedem Jahrzehnt, begannen Durchbrüche nach Durchbrüchen und so weiter bis heute. Dies ist Ethan Siegels Medium.com-Chronik darüber, wie sich unser Verständnis des Universums in den letzten hundert Jahren verändert hat.
Die Ergebnisse der Eddington-Expedition im Jahr 1919 zeigten, dass die allgemeine Relativitätstheorie die Krümmung des Sternenlichts in der Nähe massereicher Objekte beschreibt.
1910er Jahre: Einsteins Theorie wird bestätigt. Die allgemeine Relativitätstheorie wurde berühmt für Vorhersagen, die Newtons Theorie nicht geben konnte: die Präzession der Merkur-Umlaufbahn um die Sonne. Für eine wissenschaftliche Theorie reichte es jedoch nicht aus, einfach etwas zu erklären, was wir bereits beobachtet hatten. Sie musste Vorhersagen darüber machen, was wir noch nicht gesehen hatten. Obwohl es in den letzten hundert Jahren viele gab - Gravitationszeitdilatation, starke und schwache Linsenbildung, Gravitationsrotverschiebung usw. - war die erste die Krümmung des Sternenlichts während einer totalen Sonnenfinsternis, die Eddington und seine Kollegen 1919 beobachteten. Die Krümmungsrate des Lichts um die Sonne stimmte mit Einsteins Vorhersagen überein und nicht mit Newtons Theorie. Seitdem hat sich unser Verständnis des Universums für immer verändert.
Hubbles Entdeckung der Variablen Cepheid in der Andromeda-Galaxie M31 öffnete uns das Universum
1920er Jahre. Wir wussten noch nicht, dass es ein Universum jenseits der Milchstraße gibt, aber das änderte sich in den 1920er Jahren mit der Arbeit von Edwin Hubble. Durch Beobachtung einiger Spiralnebel am Himmel konnte er einzelne variable Sterne des gleichen Typs lokalisieren, der in der Milchstraße bekannt war. Nur ihre Helligkeit war so gering, dass sie direkt die Millionen von Lichtjahren zwischen uns anzeigte und sie weit über die Grenzen unserer Galaxie hinaus brachte. Hubble hörte hier nicht auf. Er maß die Rezessionsrate und die Entfernung von Dutzenden von Galaxien und erweiterte damit die Grenzen des bekannten Universums erheblich.
Zwei helle große Galaxien im Zentrum des Koma-Clusters, NGC 4889 (links) und etwas kleineres NGC 4874 (rechts), sind jeweils über eine Million Lichtjahre groß. Es wird angenommen, dass ein riesiger Halo aus dunkler Materie den gesamten Cluster durchläuft.
1930er Jahre. Man hat lange gedacht, wenn man die gesamte in Sternen enthaltene Masse messen und vielleicht Gas und Staub hinzufügen könnte, könnte man die gesamte Materie im Universum zählen. Bei der Beobachtung von Galaxien in einem dichten Cluster (wie dem Coma-Cluster) zeigte Fritz Zwicky jedoch, dass Sterne und sogenannte "gewöhnliche Materie" (dh Atome) nicht ausreichen, um die innere Bewegung dieser Cluster zu erklären. Er nannte die neue Materie dunkle Materie (dunkle Materie), und seine Beobachtungen wurden bis in die 1970er Jahre weitgehend ignoriert. Dann studierten sie gewöhnliche Materie besser und es stellte sich heraus, dass es in einzelnen rotierenden Galaxien ziemlich viel dunkle Materie gibt. Jetzt wissen wir, dass dunkle Materie fünfmal so massereich ist wie gewöhnliche Materie.
1940er Jahre. Obwohl die meisten experimentellen und Beobachtungsressourcen für Aufklärungssatelliten, Raketentechnik und Entwicklung der Nukleartechnologie verwendet wurden, arbeiteten die theoretischen Physiker unermüdlich weiter. 1945 schuf Georgy Gamow eine vollständige Extrapolation des expandierenden Universums: Wenn sich das Universum heute ausdehnt und abkühlt, sollte es irgendwann in der Vergangenheit dichter und heißer gewesen sein. Daher gab es einmal in der Vergangenheit eine Zeit, in der das Universum zu heiß war und sich keine neutralen Atome bilden konnten, und davor konnten sich keine Atomkerne bilden. Wenn dem so ist, dann begann die Materie des Universums vor der Bildung von Sternen mit den leichtesten Elementen, und in unserer Zeit kann man das Nachleuchten dieser Temperatur in alle Richtungen beobachten - nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. Heute ist diese Theorie als Urknalltheorie bekannt.und in den 1940er Jahren wusste niemand, wie wunderschön sie war.
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1950er Jahre. Eine konkurrierende Idee mit der Urknallhypothese war das stationäre Modell des Universums, das von Fred Hoyle und anderen aufgestellt wurde. Bezeichnenderweise argumentierten beide Seiten, dass alle schweren Elemente, die heute auf der Erde vorhanden sind, im frühen Universum gebildet wurden. Hoyle und seine Kollegen argumentierten, dass sie nicht in einem frühen, heißen und dichten Zustand hergestellt wurden, sondern in früheren Generationen von Sternen. Hoyle erklärte zusammen mit den Kollegen Willie Fowler und Margaret Burbidge ausführlich, wie die Elemente das Periodensystem während der Kernfusion in Sternen anordnen. Interessanterweise sagten sie die Synthese von Kohlenstoff aus Helium in einem Prozess voraus, den wir noch nie zuvor gesehen hatten: einem dreifachen Alpha-Prozess, für den ein neuer Kohlenstoffzustand erforderlich ist. Dieser Zustand wurde von Fowler einige Jahre nach Hoyles ursprünglicher Vorhersage entdeckt und ist heute als Hoyle-Kohlenstoffzustand bekannt. Wir fanden heraus, dass alle schweren Elemente, die auf der Erde existieren, ihren Ursprung allen früheren Generationen von Sternen verdanken.
Wenn wir Mikrowellenlicht sehen könnten, würde der Nachthimmel wie ein grünes Oval mit einer Temperatur von 2,7 Kelvin aussehen, mit „Rauschen“in der Mitte durch heiße Beiträge unserer galaktischen Ebene. Diese gleichmäßige Strahlung mit einem Schwarzkörperspektrum weist auf das Nachleuchten des Urknalls hin: Es ist der kosmische Mikrowellenhintergrund.
1960er Jahre. Nach 20 Jahren Diskussion wurde eine wichtige Beobachtung gemacht, die die Geschichte des Universums bestimmen würde: die Entdeckung des vorhergesagten Nachglühens vom Urknall oder des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Diese gleichmäßige Strahlung mit einer Temperatur von 2,725 Kelvin wurde 1965 von Arno Penzias und Bob Wilson entdeckt, von denen keiner sofort wusste, worauf sie gestoßen waren. Erst mit der Zeit wurden das Schwarzkörperspektrum dieser Strahlung und ihre Schwankungen gemessen und zeigten, dass unser Universum mit einer „Explosion“begann.
Die früheste Phase des Universums, noch vor dem Urknall, legte alle ursprünglichen Bedingungen für alles fest, was wir heute sehen. Es war Alan Guths große Idee: kosmische Inflation
1970er JahreEnde 1979 entwickelte der junge Wissenschaftler seine Idee. Alan Guth suchte nach einer Möglichkeit, einige der ungeklärten Probleme des Urknalls zu lösen - warum das Universum im Raum so flach ist, warum es in alle Richtungen die gleiche Temperatur hat und warum es keine Relikte der höchsten Energien enthält - und kam auf die Idee der kosmischen Inflation. Nach dieser Idee gab es, bevor das Universum in einen heißen, dichten Zustand eintrat, einen Zustand exponentieller Expansion, in dem die gesamte Energie dem eigentlichen Raumgefüge innewohnt. Es bedurfte mehrerer Verfeinerungen von Guths ursprünglichen Ideen, um die moderne Inflationstheorie zu bilden, aber nachfolgende Beobachtungen - einschließlich Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund - haben ihre Vorhersagen bestätigt. Das Universum begann nicht nur mit einer Explosion, sondern hatte auch einen anderen besonderen Zustand, noch bevor dieser Urknall passierte.
Die Überreste der Supernova 1987a befinden sich in der 165.000 Lichtjahre entfernten Großen Magellanschen Wolke. Über dreihundert Jahrhunderte lang war es die der Erde am nächsten beobachtete Supernova
1980er Jahre. Es mag den Anschein haben, dass nichts Ernstes passiert ist, aber 1987 wurde die nächste Supernova von der Erde aus beobachtet. Dies geschieht einmal alle hundert Jahre. Es war auch die erste Supernova, die auftrat, als wir Detektoren hatten, die Neutrinos aus solchen Ereignissen nachweisen konnten. Obwohl wir viele Supernovae in anderen Galaxien gesehen haben, haben wir sie nie nahe genug beobachtet, um Neutrinos von ihnen zu beobachten. Diese etwa 20 Neutrinos markierten den Beginn der Neutrinoastronomie und nachfolgender Entwicklungen, die zu Neutrinooszillationen, dem Nachweis von Neutrinomassen und Neutrino-Neutrinos aus Supernovae führten, die in Galaxien in Millionen von Lichtjahren Entfernung vorkommen. Wenn unsere modernen Detektoren zur richtigen Zeit funktionieren würden, würde die nächste Supernova-Explosion die Erfassung von Hunderttausenden von Neutrinos ermöglichen.
Vier mögliche Schicksale des Universums, von denen das letzte am besten zu den Daten passt: Ein Universum mit dunkler Energie. Es wurde erstmals dank Beobachtungen entfernter Supernovae entdeckt
1990er Jahre. Wenn Sie dachten, dass dunkle Materie und die Entdeckung des Beginns des Universums wichtige Entdeckungen waren, stellen Sie sich den Schock von 1998 vor, als sie entdeckten, dass das Universum bald enden würde. Historisch haben wir uns drei mögliche Schicksale vorgestellt:
- Die Expansion des Universums wird nicht ausreichen, um die Anziehungskraft von allem und jedem zu überwinden, und das Universum wird sich in der Großen Kompression wieder zusammenziehen
- Die Expansion des Universums wird zu groß sein, und alles, was durch die Schwerkraft vereint wird, wird sich zerstreuen und das Universum wird gefrieren
- Entweder befinden wir uns an der Grenze dieser beiden Ergebnisse, und die Expansionsrate tendiert asymptotisch gegen Null, erreicht sie jedoch nie: Kritisches Universum
Stattdessen haben entfernte Supernovae gezeigt, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt und dass sich entfernte Galaxien im Laufe der Zeit immer schneller voneinander entfernen. Das Universum wird nicht nur gefrieren, sondern alle Galaxien, die nicht miteinander verbunden sind, werden irgendwann jenseits unseres kosmischen Horizonts verschwinden. Abgesehen von den Galaxien in unserer lokalen Gruppe werden keine Galaxien auf die Milchstraße treffen, und unser Schicksal wird kalt und einsam sein. In 100 Milliarden Jahren werden wir keine anderen Galaxien als unsere sehen.
2000er Jahre. Unsere Messungen von Schwankungen (oder Unvollkommenheiten) im Nachglühen des Urknalls haben uns unglaubliche Dinge gelehrt: Wir haben genau gelernt, woraus das Universum besteht. Die COBE-Daten ersetzten die WMAP-Daten, die wiederum von Planck verbessert wurden. Zusammengenommen haben uns Daten von großräumigen Strukturen aus großen Galaxienuntersuchungen (wie 2dF und SDSS) und Daten von entfernten Supernovae ein modernes Bild des Universums geliefert:
- 0,01% Strahlung in Form von Photonen, - 0,1% Neutrinos, die leicht zu den Gravitationshalos beitragen, die Galaxien und Cluster umgeben, - 4,9% der gewöhnlichen Materie, die alles enthält, was aus Atompartikeln besteht, - 27% dunkle Materie oder mysteriöse, nicht wechselwirkende (außer gravitative) Teilchen, die dem Universum die Struktur verleihen, die wir beobachten.
- 68% dunkle Energie, die dem Raum selbst innewohnt.
2010.. Dieses Jahrzehnt ist noch nicht vorbei, aber wir haben bereits unsere ersten potenziell bewohnbaren erdähnlichen Planeten (wenn auch sehr weit entfernt) unter den Tausenden und Abertausenden neuer Exoplaneten gefunden, die von der Kepler-Mission der NASA entdeckt wurden. Dies ist möglicherweise nicht die größte Entdeckung des Jahrzehnts, da die direkte Erfassung von Gravitationswellen durch LIGO das Bild bestätigte, das Einstein 1915 zurückzog. Mehr als ein Jahrhundert, nachdem Einsteins Theorie Newton zum ersten Mal in Frage gestellt hatte, hat die allgemeine Relativitätstheorie alle angebotenen Versuche und Tests durchlaufen.
Wissenschaftsgeschichte wird noch geschrieben, und im Universum gibt es noch viel zu entdecken. Aber diese 11 Schritte führten uns aus einem Universum unbekannten Alters, das nicht größer als unsere Galaxie ist und hauptsächlich aus Sternen besteht, in ein expandierendes, kühlendes Universum, das von dunkler Materie, dunkler Energie und unserer gewöhnlichen Materie beherrscht wird. Es hat viele potenziell bewohnbare Planeten, es ist 13,8 Milliarden Jahre alt und es begann mit dem Urknall, der selbst aus der kosmischen Inflation hervorging. Wir haben über den Ursprung des Universums, über sein Schicksal, über das Aussehen, die Struktur und die Größe erfahren - und das alles über 100 Jahre. Vielleicht werden die nächsten 100 Jahre voller Überraschungen sein, die wir uns nicht einmal vorstellen können.
Ilya Khel
