Galaktika klaster LCDCS-0829, nagu Hubble'i kosmoseteleskoop täheldas. See galaktikaparv on meist eemaldumas ja vaid mõne miljardi aasta pärast muutub see kättesaamatuks, isegi valguse kiirusel. Kujutise krediit: ESA / Hubble ja NASA.

Kuidas mõistsime kosmilist kuristikku?

Suure, pimeda tundmatu uurimine oli tuhandeid aastaid müsteerium. Enam mitte!

"Teadus ei saa öelda teoloogiale, kuidas luua loomeõpetust, kuid te ei saa luua loomeõpetust, võtmata arvesse universumi vanust ja kosmilise ajaloo evolutsioonilist iseloomu." -John Polkinghorne

Öine taevasse vaatamine tekitab palju küsimusi, mille üle võib iga arukas, uudishimulik inimene küsida:

  • Mis on need taeva valguse punktid?
  • Kas on ka teisi päike nagu meie oma ja kui jah, kas neil on selliseid planeete nagu meil?
  • Kui kaugel on tähed ja kui kaua nad elavad?
  • Mis jääb meie Linnutee galaktikast kaugemale?
  • Milline näeb välja kogu Universum?
  • Ja kuidas see nii sai?

Tuhandeid aastaid olid need küsimused luuletajatele, filosoofidele ja teoloogidele. Kuid teaduslikult ei ole me kõigile nendele küsimustele vastuseid avastanud, vaid vastused on tõstatanud mõned veelgi suuremad, mida me poleks kunagi osanud oodata.

Meie universumi ajaloo standardne kosmiline ajajoon. Pildikrediit: NASA / CXC / M.Weiss.

Kui välja arvata mõned päikesesüsteemi kehad, mis peegeldavad meie Päikese valgust tagasi meie juures, on iga särava valguse punkt, mida me öötaevas näeme, täht. Neid on erinevat värvi, punasest oranžist kollasest valgest siniseni ja erineva heledusega, alates vaid umbes 0,1% niivõrd heledast kui meie Päike kuni sõna otseses mõttes miljonil korral Päikese heledusest. Nad on nii kaugel, et näivad olevat samas olukorras mitte ainult öösel öösel, vaid ka aastast aastasse. Esimene vahemaade mõõtmise katse põhines ühel eeldusel: kui tähed oleksid Päikesega identsed, kui heledad nad oleksid? Tuginedes meie arusaamale, kuidas heledust kaugus mõjutab, oli öine taeva eredaim täht Sirius hinnanguliselt 0,4 valgusaasta kaugusel, mis on tohutu kaugus. Kui nad oleksid 1600. aastatel teadnud, mitu korda heledam Sirius oli kui Päike, oleks kauguseprognoos olnud vähem kui 10%.

Meie päike on G-klassi täht. Kuigi suuremad, heledamad on muljetavaldavamad, on neid arvuliselt palju vähem. A-klassi täht Sirius on 20–25 korda heledam kui meie Päike, ometi moodustavad O, B ja A tähed galaktikas ainult 1% tähtedest * kokku *. Kujutise krediit: Wikimedia Commonsi kasutaja LucasVB.

Seda, et teised tähed on päikesed, nagu meie oma, ei tõestatud enne spektroskoopia leiutamist, kus me saaksime valguse eraldada üksikuteks lainepikkusteks ja näha signaale aatomite ja molekulide olemasolust. Umbes 90% tähtedest on väiksemad ja õhemad kui meie oma, umbes 5% on massiivsemad ja heledamad ning umbes 5% oma massist, suurusest ja heledusest on Päikese-sarnased. Viimase 25 aasta jooksul oleme avastanud, et planeedid on tähtede ümber norm, kinnitades enam kui 3000 planeedi, mis asuvad väljaspool meie enda päikesesüsteemi. NASA kosmoselaev Kepler on vaieldamatult suurim planeedi leidmise tööriist, mida me eales kasutanud oleme - see avastas umbes 90% meie teadaolevatest eksoplaneetidest.

Oma tähtede asustatavates tsoonides avastatud 21 Kepleri planeeti, mis ei ole suuremad kui kaks korda suurem Maa läbimõõdust. (Proxima b, mida Kepleriga ei avastatud, suurendab arvu kuni 22-ni.) Enamik neist maailmadest orbiidil punaseid kääpi, lähemal graafiku “põhjale”. Kujutise krediit: NASA Ames / N. Batalha ja W. Stenzel.

Mõõtes seda, kuidas täht oma planeetide gravitatsioonilise puksiiri tõttu liigub, saame järeldada nende masse ja orbitaalperioode. Mõõtes seda, kui palju tähevalgus hämardub selle ees liikuva planeedi tõttu, saame mõõta nii selle perioodi kui ka füüsilist suurust. Siiani on nende tähtede ümber "potentsiaalselt asustatavates" tsoonides leitud enam kui 20 kivist, umbes Maa-suurust maailma, mis tähendab, et kui nendes maailmades on Maa-sarnane atmosfäär, on neil vedelale veele sobivad temperatuurid ja rõhk nende pinnal. Viimati on leitud, et Proxima Centauri, meie Päikesele lähim täht, asub kõige rohkem Maa-laadne planeet, kõigest 4,2 valgusaasta kaugusel.

Proxima Centauri kunstniku üleviimine maailma rõnga alt Proxima b. Vaadatuna. See oleks üle 3-kordse läbimõõdu ja 10-kordse pindala, mille meie päike võtab. Alpha Centauri A ja B (näidatud) oleksid päeva jooksul nähtavad. Kujutise krediit: ESO / M. Kornmesser.

Tähtede kauguse täpseks mõõtmiseks on parim viis mõõta nende asukohti terve aasta jooksul võimalikult täpselt. Kui Maa liigub oma orbiidil ümber Päikese, liikudes kuus kuud enne selle asukohta 300 miljoni kilomeetri kaugusele, paistavad lähimad tähed nihkuvat, samamoodi näib ka pöidla nihkumine, kui hoiate seda käe pikkusest ja sulgete alguses silm, siis avage see ja sulgege teine.

Parallaksmeetod, mida kasutab GAIA, hõlmab läheduses asuva tähe asukoha nähtava muutuse märkimist kaugemate tagantpoolt tulevate tähtede suhtes. Kujutise krediit: ESA / ATG medialab.

Seda parallaksina tuntud nähtust mõõdeti kõigepealt täpselt 19. sajandi keskpaigani, andes meile kauguse lähimate tähtedeni. Kui teate, kui täht on kaugel, ja mõõdate selle muid omadusi, saate selle teabe abil tuvastada teised tähed, nagu talle meeldib, ja seega määrata, kui kaugel kõik, mida te universumis näete, on. Saame liikuda lähimatest tähtedest kõigi galaktikas olevate tähtede juurde täheteni galaktikates, mis asuvad kaugemal kui meie enda oma, kuni kõige kaugemate jälgitavate galaktikateni.

Hubble'i eXtreme'i sügavväli (XDF), mis paljastas umbes 50% rohkem galaktikaid ruutmeetri kohta kui eelmine ülimalt sügav väli. Kujutise krediit: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee ja P. Oesch, California ülikool, Santa Cruz; R. Bouwens, Leideni ülikool; ja HUDF09 meeskond.

See toimib nagu redel, kus astute esimesel astmel ja kasutate seda sammu järgmise astmeni jõudmiseks ning iga kord, kui te oma teekonnal natuke kaugemale jõuate. 2013. aastal käivitatud Euroopa Kosmoseagentuuri satelliit GAIA püüab mõõta miljonite tähtede parallaksiasemeid, andes meile kõigi aegade kõige kindlama “esimese astme” kosmilise distantsi redelil.

Linnutee ja ümbritseva taeva tähetiheduse kaart, millel on selgelt näha Linnutee, suured ja väikesed Magellaani pilved ning kui vaadata lähemalt, NGC 104 vasakul SMC-st, NGC 6205 veidi kõrgemal ja vasakul galaktiline tuum ja NGC 7078 veidi allpool. Kujutise krediit: ESA / GAIA.

Tähed põlevad läbi oma kütuse just nagu Päike: muutes vesiniku nende tuumas heeliumiks. See tuumasünteesi protsess eraldab Einsteini poolt E = mc ^ 2 tohutult energiat, kuna iga heeliumituum, mille te toodete neljast vesiniku tuumast, on 0,7% kergem kui see, millega alustasite. Meie Päikese 4,5 miljardi aasta pikkuse ajaloo jooksul on see kaotanud umbes Saturni massi, et muuta seda säravamaks. Kuid mingil hetkel saab Päike ja kõik universumi tähed selle tuumas kütus otsa.

Päikese anatoomia, sealhulgas sisemine tuum, mis on ainus koht, kus toimub sulandumine. Pildikrediit: NASA / Jenny Mottar.

Kui see juhtub, laieneb see ja muutub punaseks hiiglaseks, sulatades heeliumi süsinikuks. Isegi massiivsemad tähed sulatavad süsiniku hapnikuks, hapniku räni, väävli ja magneesiumi ning kõige massiivsemad tähed sulatavad räni raua, koobalti ja nikli külge. Tähed, nagu meie Päike, surevad pehmelt, puhudes nende väliskihtidelt välja planetaarses udus, ja kõige massiivsemad tähed surevad katastroofilises supernoova plahvatuses, kusjuures mõlemad ringlevad rasked elemendid tagasi tähtedevahelisse keskkonda.

Meie Päikese kogu kasutusiga on umbes 12 miljardit aastat, samas kui madalaima massiga tähed (umbes 8% meie Päikese massist) põlevad kütuse läbi kõige aeglasemalt, elades enam kui 10 triljonit aastat: mitu korda Universumi praegune vanus. Kuid kõige massiivsemad tähed põlevad kütuse läbi kiiremini, mõned tähed elavad alles mõni miljon aastat enne surma ja suunavad oma rasked elemendid tagasi universumisse.

Supernoova jäänuk N 49, mis on leitud meie enda Linnuteelt. Kujutise krediit: NASA / ESA ja Hubble Heritage Team (STScI / AURA).

Need rasked elemendid, nagu süsinik, hapnik, lämmastik, fosfor, räni, vask ja raud, pole olulised mitte ainult teadmiseks-eluks, vaid ka kiviste planeetide loomiseks. Maakera moodustamiseks on vaja mitu põlvkonda tähti, kes elavad, põlevad läbi oma kütuse, surevad ja taaskasutavad need koostisosad kosmosesse, kus nad aitavad moodustada järgmisi tähtede põlvkondi. Ja siin oleme oma vaatenurgast vaadanud läbi Universumi, mitte ainult suurte kosmiliste vahemaade taga, vaid ka Universumi minevikku.

Galaktika NGC 7331 koos kaugemate galaktikatega ja lähemate esiplaanitähtedega ka kaadris. Pildikrediit: Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / Arizona ülikool.

See, et valguse kiirus on piiratud ja püsiv, kiirusel 299 792 458 m / s, ei tähenda ainult seda, et signaalide saatmine väga suurte vahemaade taha viibib. See tähendab, et vaadates kaugel asuvaid objekte, ei näe me neid mitte sellisena, nagu nad on täna, vaid sellisena, nagu nad olid tagasi Universumi kaugesse minevikku. Vaadake 20 valgusaasta kaugusel asuvat tähte ja näete seda nii, nagu see oli 20 aastat tagasi. Vaadake 20 miljoni valgusaasta kaugusel asuvat galaktikat ja näete seda 20 miljonit aastat tagasi.

Linnuteega sarnased galaktikad nagu varasematel aegadel universumis. Pildikrediit: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale'i ülikool), S. Patel (Leideni ülikool) ja 3D-HST meeskond.

Oleme tänu sellistele võimsatele teleskoopidele nagu Hubble suutnud vaadata nii kaugele tagasi, et oleme suutnud vaadata universumis galaktikaid nii, nagu need olid miljardeid aastaid tagasi, tagasi, kui universum oli vaid mõni protsent praegusest vanus. Me näeme, et galaktikad olid minevikus väiksemad, vähem massiivsed, sisemise värviga sinisemad, moodustades tähed kiiremini ja olid vähem rasked nende raskete elementide osas, mida peame planeetide moodustamiseks. Samuti näeme, et aja jooksul need galaktikad sulanduvad, moodustades suuremad struktuurid. Saame kogu selle pildi kokku panna ja visuaalselt näha, kuidas Universum on arenenud, et saada selliseks, nagu ta praegu on.

Kogu Universum on ulatuslik kosmiline veeb, kus nende kosmiliste hõõgniitide ristumiskohas moodustuvad galaktikad ja galaktikate klastrid. Nende vahel on suured kosmilised tühjad, milles puuduvad tähed ja galaktikad, kus tihedamate piirkondade gravitatsioon on selle asja muuks otstarbeks ära kasutanud. Me näeme, et see juhtub meie kohalikul tasandil tänapäeval, kui kohaliku grupi galaktikad liiguvad üksteise poole. Mingil hetkel, neli kuni seitse miljardit aastat tulevikus, ühineb meie lähim suur naaber Andromeda meie Linnuteega, luues hiiglasliku elliptilise galaktika: Milkdromeda.

Fotode seeria, mis näitab Linnutee ja Andromeda ühinemist ning kuidas taevas ilmub Maast erinevalt, nagu see juhtub. Kujutise krediit: NASA; Z. Levay ja R. van der Marel, STScI; T. Hallas; ja A. Mellinger.

Ja vahepeal laieneb Universum jätkuvalt külmema, tühjema ja kaugema saatuse suunas. Kohalikust rühmast väljaspool olevad galaktikad taanduvad meie endi ja üksteise eest. Asjad, mis on omavahel gravitatsiooniliselt seotud - planeedid, tähed, päikesesüsteemid, galaktikad ja galaktikaparved -, jäävad seotuks nii kaua, kui tähed meie universumis põlevad. Kuid iga üksik galaktikarühm või klaster taandub kõigist teistest, kuna aja möödudes muutub Universum külmemaks ja üksildasemaks.

Lubatud on universumi neli võimalikku saatust, milles on ainult mateeria, kiirgus, kõverus ja kosmoloogiline konstant. Alumist “saatust” toetavad tõendid. Pildikrediit: E. Siegel oma raamatust „Beyond The Galaxy“.

Mis tähendab, et kui me pöördume tagasi algusesse ja küsime, kuidas see kõik juhtus, siis on meil:

  • jälgitav universum, mis sai alguse kuuma, tiheda, enamasti ühtlase olekuga, mida tuntakse Suure Paugu nime all;
  • see jahtus, võimaldades ainel ja antimaterjalil hävida, jättes järele vaid pisikese koguse ainet;
  • see jahtus edasi, võimaldades prootonitel ja neutronitel sulanduda heeliumisse ilma lõhkamiseta;
  • see jahtus veelgi, võimaldades luua stabiilseid, neutraalseid aatomeid;
  • kus gravitatsioonilised ebatäiused kasvasid ja kasvasid, põhjustades mõnes piirkonnas gaasi kogunemist, mis muutus esimeste tähtede moodustamiseks piisavalt tihedaks;
  • kus kõige massiivsemad tähed põlesid läbi nende kütuse, surid ja viisid nende raskemad elemendid tagasi tähtedevahelisse keskkonda;
  • väikesed täheparved ja galaktikad ühinesid ja kasvasid, vallandades uued tähtede moodustumise lained;
  • kus miljardite aastate pärast moodustuvad uued tähed, millel on kivised planeedid ja eluks vajalikud koostisosad;
  • kus galaktikad, mis neid majutavad, kasvasid spiraalseteks ja elliptilisteks hiiglasteks, mis meil täna on;
  • ja kus 9,2 miljardit aastat pärast suurt pauku moodustub eraldunud spiraalgalaktikas vesiveski täheparv, kus 2% elementidest on nüüd raskemad kui vesinik ja heelium;
  • millest üks juhtub olema meie Päike;
  • ja kus pärast täiendava 4,54 (või nii) miljardi aasta möödumist tekib arukas liik, kes võib hakata kokku panema meie kosmilise ajaloo tükke, saades aru, kust me esimest korda tuleme.
Galileo Galilei Bertini fresko, mis näitab Veneetsia doge, kuidas kasutada teleskoopi, 1858.

Veel on asju, mida oleme õppinud, ja kõigis nendes küsimustes on põhjalikum uurida. (Minu esimene raamat "Beyond The Galaxy" teeb täpselt seda.) Jah, on veel küsimusi, mille kallal me praegu töötame, näiteks kuidas tekkis mateeria / antimaterjalide asümmeetria, kuidas Suur Pauk üles seati ja käivitus ning kuidas täpselt, Universum saab oma lõpliku saatuse vastu. Kuid küsimustele, kuidas universum välja näeb, kuidas see selliseks kujunes ja mida see füüsiliselt teeb, on vastatud: mitte filosoofid, luuletajad ega teoloogid, vaid teaduslikud püüdlused. Ja kui uutele suurtele küsimustele tuleb vastata - need, millele vastused eelmistele suurtele küsimustele kerkisid -, siis jällegi näitab see meile teadust.

See postitus ilmus esmakordselt Forbes ja meie Patreoni toetajad on teile reklaamivabad. Kommenteerige meie foorumit ja ostke meie esimene raamat: Beyond The Galaxy!