Wprowadzenie
Około 13,8 miliarda lat temu wszechświat, jaki znamy, zaczął się. Ten moment, znany jako Wielki Wybuch, to moment, w którym sama przestrzeń zaczęła gwałtownie się rozszerzać. W czasie Wielkiego Wybuchu obserwowalny wszechświat (w tym materiały dla co najmniej 2 bilionów galaktyk) mieści się w przestrzeni o średnicy mniejszej niż centymetr. Obecnie obserwowalny wszechświat ma 93 miliardy lat świetlnych i wciąż się rozszerza.
Istnieje wiele pytań na temat Wielkiego Wybuchu, a zwłaszcza tego, co było przed nim (jeśli w ogóle). Ale naukowcy wiedzą pewne rzeczy. Zapoznaj się z najbardziej fascynującymi odkryciami na temat początku wszystkiego.
Wszechświat się rozszerza
Do 1929 r. Początki wszechświata były całkowicie spowite mitem i teorią. Ale w tym roku przedsiębiorczy astronom o nazwisku Edwin Hubble odkrył coś bardzo ważnego o wszechświecie, coś, co otworzyłoby nowe sposoby rozumienia jego przeszłości: cała sprawa się rozwija.
Hubble dokonał swojego odkrycia, mierząc coś, co nazywa się przesunięciem ku czerwieni, czyli przesunięciem w kierunku dłuższych, czerwonych długości fal światła widzianych w bardzo odległych galaktykach. (Im dalej od obiektu, tym wyraźniejsze jest przesunięcie ku czerwieni.) Hubble stwierdził, że przesunięcie ku czerwieni wzrastało liniowo wraz z odległością w odległych galaktykach, co wskazuje, że wszechświat nie jest nieruchomy. Rozrasta się, wszędzie, naraz.
Według NASA Hubble był w stanie obliczyć tempo tego rozszerzenia, liczbę znaną jako Stała Hubble'a. To odkrycie pozwoliło naukowcom na ekstrapolację z powrotem i teorię, że wszechświat był kiedyś upakowany w maleńkim punkcie. Pierwszą chwilę ekspansji nazwali Wielkim Wybuchem.
Kosmiczne promieniowanie mikrofalowe tła
W maju 1964 r. Arno Penzias i Robert Wilson, badacze z Bell Telephone Laboratories, pracowali nad budową nowego odbiornika radiowego w New Jersey. Ich antena ciągle odbierała dziwne brzęczenie, które wydawało się, że dochodzi zewsząd. Myśleli, że w ekwipunku mogą być gołębie, ale usunięcie gniazd nic nie dało. Nie podjęły też innych prób ograniczenia zakłóceń. W końcu zdali sobie sprawę, że zbierają coś prawdziwego.
Okazało się, że to, co wykryli, było pierwszym światłem wszechświata: kosmicznym mikrofalowym promieniowaniem tła. Promieniowanie to datuje się na około 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, kiedy wszechświat ostatecznie ochłodził się wystarczająco, aby fotony (cząstki przypominające fale, które tworzą światło) mogły swobodnie podróżować. Odkrycie to potwierdziło teorię Wielkiego Wybuchu i pogląd, że wszechświat rozszerzył się szybciej niż prędkość światła w pierwszej chwili. (Jest tak, ponieważ kosmiczne tło jest dość jednolite, co sugeruje płynne rozwinięcie wszystkiego naraz od małego punktu).
Mapa nieba
Odkrycie kosmicznego mikrofalowego tła otworzyło okno na pochodzenie wszechświata. W 1989 r. NASA uruchomiła satelitę o nazwie Cosmic Background Explorer (COBE), która mierzyła niewielkie różnice w promieniowaniu tła. Rezultatem był „obraz dziecka” wszechświata, według NASA, który pokazuje niektóre z pierwszych zmian gęstości we rozszerzającym się wszechświecie. Te maleńkie odmiany prawdopodobnie doprowadziły do wzorca galaktyk i pustej przestrzeni, znanego jako kosmiczna sieć galaktyk, którą widzimy dzisiaj we wszechświecie.
Bezpośredni dowód inflacji
Kosmiczne tło mikrofalowe pozwoliło również badaczom znaleźć „palącą broń” do inflacji - to ogromne, szybsze niż światło rozszerzenie, które miało miejsce podczas Wielkiego Wybuchu. (Chociaż teoria szczególnej teorii względności Einsteina głosi, że nic nie idzie szybciej niż światło w przestrzeni, to nie było naruszenie; sama przestrzeń się rozszerzyła). W 2016 r. Fizycy ogłosili, że wykryli szczególny rodzaj polaryzacji lub kierunkowości w niektórych kosmiczne tło mikrofalowe. Ta polaryzacja jest znana jako „tryby B.” Polaryzacja w trybie B była pierwszym w historii bezpośrednim dowodem fal grawitacyjnych z Wielkiego Wybuchu. Fale grawitacyjne powstają, gdy masywne obiekty w przestrzeni kosmicznej przyspieszają lub zwalniają (pierwsze, które kiedykolwiek odkryto, powstały w wyniku zderzenia dwóch czarnych dziur). Tryby B zapewniają nowy sposób bezpośredniego zbadania ekspansji wczesnego wszechświata - i być może, aby dowiedzieć się, co nim kierowało.
Do tej pory brak dodatkowych wymiarów
Jedną z konsekwencji odkrycia fali grawitacyjnej było to, że umożliwiło naukowcom poszukiwanie dodatkowych wymiarów, wykraczających poza zwykłe trzy. Według teoretyków fale grawitacyjne powinny być zdolne do przechodzenia w nieznane wymiary, jeśli te wymiary istnieją. W październiku 2017 r. Naukowcy wykryli fale grawitacyjne po zderzeniu dwóch gwiazd neutronowych. Zmierzyli czas, w którym fale podróżowały z gwiazd na Ziemię, i nie znaleźli żadnych dowodów na wyciek w innych wymiarach.
Wyniki opublikowane w lipcu 2018 r. W Journal of Cosmology and Astroparticle Physics sugerują, że jeśli istnieją jakieś inne wymiary, są one niewielkie - wpłynęłyby na obszary wszechświata o wielkości mniejszej niż 1 mila (1,6 kilometra). Oznacza to, że teoria strun, która zakłada, że wszechświat składa się z drobnych wibrujących strun i przewiduje co najmniej 10 wymiarów teensy, może być nadal prawdziwa.
Przyspieszenie ekspansji…
Jednym z najdziwniejszych odkryć w fizyce jest to, że wszechświat nie tylko się rozszerza, ale rozszerza się w przyspieszającym tempie.
Odkrycie sięga 1998 roku, kiedy fizycy ogłosili wyniki kilku długotrwałych projektów, w których mierzono szczególnie ciężkie supernowe zwane supernowymi typu Ia. Wyniki (które zwyciężyli naukowcy Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt i Adam G. Reiss w nagrodę Nobla w 2011 r.) Ujawniły słabsze niż oczekiwano światło z najodleglejszej z supernowych. To słabe światło pokazało, że sama przestrzeń się rozszerza: wszystko we wszechświecie stopniowo odsuwa się od wszystkiego innego.
Naukowcy nazywają kierowcę tej ekspansji „ciemną energią”, tajemniczym silnikiem, który może stanowić około 68% energii we wszechświecie. Ta ciemna energia wydaje się być kluczowa dla stworzenia teorii początku obserwacji wszechświata, które są obecnie prowadzone, takich jak te wykonane przez NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), instrument, który stworzył najbardziej dokładną mapę kosmiczną tło mikrofalowe jeszcze.
… Jeszcze szybciej niż oczekiwano
Nowe wyniki z teleskopu Hubble'a, wydanego w kwietniu 2019 r., Pogłębiły zagadkę rozszerzającego się wszechświata. Pomiary z teleskopu kosmicznego pokazują, że ekspansja wszechświata jest o 9% szybsza niż oczekiwano na podstawie poprzednich obserwacji. Według NASA co do galaktyk każda odległość 3,3 miliona lat świetlnych od Ziemi przekłada się na dodatkowe 46 mil na sekundę (74 km na sekundę) szybciej niż przewidywano wcześniej.
Dlaczego to ma znaczenie dla początków wszechświata? Ponieważ fizycy muszą coś przeoczyć. Według NASA mogły wystąpić trzy osobne „wybuchy” ciemnej energii podczas Wielkiego Wybuchu i wkrótce potem. Wybuchy te przygotowały grunt pod to, co widzimy dzisiaj. Pierwszy mógł rozpocząć początkową ekspansję; sekunda mogła wydarzyć się znacznie szybciej, działając jak ciężka stopa wciśnięta na pedał gazu wszechświata, powodując, że wszechświat rozszerza się szybciej, niż wcześniej sądzono. Ostateczny wybuch ciemnej energii może wyjaśnić przyspieszającą ekspansję wszechświata.
Nic z tego nie zostało udowodnione - jeszcze. Ale naukowcy szukają. Naukowcy z University of Texas w Austin McDonald Observatory używają nowo ulepszonego instrumentu, teleskopu Hobby-Eberly'ego, aby bezpośrednio szukać ciemnej energii. W ramach projektu Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX) mierzy słabe światło z galaktyk w odległości nawet 11 miliardów lat świetlnych, co pozwoli badaczom zaobserwować wszelkie zmiany przyspieszenia wszechświata w czasie. Będą również badać echa zakłóceń we wszechświecie liczącym 400 000 lat, stworzonym w gęstej zupie cząstek, która wszystko skomponowała zaraz po Wielkim Wybuchu. To także ujawni tajemnice ekspansji i wyjaśni ciemną energię, która je napędzała.
