Хиљадама година људи су посматрали звезде и питали се како настаје универзум. Али тек у годинама Првог светског рата истраживачи су развили прве инструменте за посматрање и теоријске алате како би та велика питања претворили у прецизно поље проучавања: космологију.
"Ја мислим да је космологија један од најстаријих предмета људског интереса, али као једна од најновијих наука," рекао је Паул Стеинхардт, космолог са Универзитета Принцетон, који проучава да ли време има почетак.
Козмологија, укратко, проучава космос као једну целину, уместо да посебно анализира звезде, црне рупе и галаксије које га испуњавају. Ово поље поставља велика питања: Одакле свемир? Зашто у њему постоје звезде, галаксије и галаксије? Шта ће се даље догодити? "Козмологија покушава да направи веома велику слику природе свемира", рекао је Гленнис Фаррар, физичар честица са Универзитета у Њујорку.
Пошто се ова дисциплина бори са многим појавама, од честица у вакууму до ткива простора и времена, космологија се снажно привлачи на многим пољима, укључујући астрономију, астрофизику и, све више, физику честица.
"Козмологија има њене делове који су у потпуности у физици, делове који су у потпуности у астрофизици, и делове који се враћају напред-назад", рекао је Стеинхардт. "То је део узбуђења."
Историја историје универзума
Интердисциплинарна природа терена помаже објаснити његов релативно касни почетак. Наша модерна слика универзума почела се сакупљати тек 1920-их, убрзо након што је Алберт Еинстеин развио теорију опште релативности, математички оквир који описује гравитацију као последицу савијања простора и времена.
"Пре него што схватите природу гравитације, не можете заиста да направите теорију о томе зашто су ствари такве какве јесу", рекао је Стеинхардт. Друге силе имају веће ефекте на честице, али гравитација је главни играч у арени планета, звезда и галаксија. Исаков Невтон-ов опис гравитације често делује и у том царству, али он простор (и време) третира као круту и непромењиву позадину на којој се мере догађаји. Аинстеиново дело показало је да се сам простор може проширити и уговарати, премештајући свемир из фазе у глумца и доводећи га у судбину као динамичан предмет за проучавање.
Средином 1920-их, астроном Едвин Хуббле направио је опажања са недавно изграђеног 100-инчног (254 центиметара) Кукеровог телескопа у опсерваторију Моунт Вилсон у Калифорнији. Покушавао је да реши дебату о локацији одређених облака у свемиру које астрономи могу да виде. Хуббле је доказао да те „маглице“ нису биле мали, локални облаци, већ су били огромни, далеки звездасти кластери слични нашем млечном путу - „острвским свемирима“ у тадашњем говору. Данас их називамо галаксијама и знамо да их броји у билионима.
Највећи немири у космичкој перспективи тек су дошли. Хубблеов рад касних 1920-их сугерирао је да се галаксије у сваком смјеру убрзавају од нас, што је покренуло десетљеће даље расправе. Евентуална мерења космичке микроталасне позадине (ЦМБ) - светлост преостала из раних година свемира и од тада се протезала у микроталасе - 1960-их су доказала да се стварност подудара са једном од могућности које предлаже општа релативност: почевши од малог и врућег, универзум има постају све већи и хладнији од тада. Концепт је постао познат као теорија Великог праска и уздрмао је космологе јер је наговештавао да чак и универзум може имати почетак и крај.
Али барем су они астрономи могли видети кретање галаксија у својим телескопима. Фаррар, један од највећих сеизмичких помака космологије, је идеја да је велика већина ствари направљена од нечег другог, нечега потпуно невидљивог. Материјал који видимо износи нешто више од грешке космичког заокруживања - само око 5% свега у свемиру.
Први становник осталих 95% свемира, који ће се звати "мрачни сектор", подигао је главу 1970-их. Тада је астрономка Вера Рубин схватила да се галаксије врте око себе тако брзо да би се требале раздвојити. Фаррар је рекао да више од тешко разумљиве материје, ствари које држе галаксије заједно морају бити нешто потпуно непознато физичарима, нешто што - осим свог гравитацијског повлачења - потпуно игнорише обичну материју и светлост. Касније мапирање открило је да су галаксије које видимо једноставно језгре у центру колосалних сфера „тамне материје“. Влакна видљиве материје која се протежу широм свемира виси на тамном оквиру који надмашује видљиве честице пет до један.
Хуббле свемирски телескоп тада је открио знакове неочекиване разноликости енергије - за коју космолози сада кажу да преостало 70% свемира, након што представља тамну материју (25%) и видљиву материју (5%) - у деведесетима, када је увећао експанзију свемира убрзавајући попут одбежног воза. "Тамна енергија", вероватно врста енергије својствена самом простору, гура свемир брже него што гравитација може сабрати космос. За три билиона година, сви астрономи који остану на Млечном путу наћи ће се у правом острвском универзуму, окруженом мраком.
"Налазимо се на прелазној тачки у историји универзума, одакле доминира материја до места где доминира нови облик енергије", рекао је Стеинхардт. "Тамна материја одредила је нашу прошлост. Мрачна енергија одређује нашу будућност."
Савремена и будућа космологија
Актуелна космолошка паковања ова врхунска открића представљају своје врхунско достигнуће, Ламбда-ЦДМ модел. Понекад се назива стандардни модел космологије, овај пакет једначина описује свемир од његове прве секунде па надаље. Модел претпоставља одређену количину тамне енергије (ламбда, за њено представљање у општој релативности) и хладне тамне материје (ЦДМ) и прави слична нагађања о количини видљиве материје, облику свемира и другим карактеристикама, а све то се одређује експериментима и запажања.
Играјте тај филм за бебе-свемир напред 13,8 милијарди година, а космолози добијају снимак који „статистички има све што можемо измерити до одређеног тренутка“, рекао је Стеинхардт. Овај модел представља циљ коју треба победити док космолози гурају своје описе универзума све дубље у прошлост и будућност.
Колико год био успешан Ламбда-ЦДМ, још увек има доста проблема који треба да се разраде. Козмолози добијају сукобљене резултате када покушавају да проуче тренутну експанзију универзума, зависно од тога да ли га мере директно у оближњим галаксијама или закључују из ЦМБ. Ни овај модел не говори ништа о шминкању тамне материје или енергије.
Онда је ту проблематична прва секунда постојања, када је свемир вероватно прешао из бесконачне минималне мрље у релативистички добро водени балон. "Инфлација" је популарна теорија која покушава да изађе на крај са овим периодом, објашњавајући како је један кратак тренутак још брже експанзије разнио малене исконске варијације у велике неравнине данашњих галаксија, као и како су Ламбда-ЦДМ уноси добили своје вредности .
Нико, међутим, не зна како је инфлација детаљно деловала или зашто се зауставила тамо где се вероватно ради. Стеинхардт је рекао да би инфлација требала да се настави у многим регионима свемира, имплицирајући да је наш универзум само један делић "мултиверзума" који садржи сваку могућу физичку стварност - непоколебљиву идеју коју многи експерименталисти сматрају узнемиреном.
Да би постигли напредак у питањима попут ових, космолози траже прецизна мерења из свемирских телескопа попут свемирског телескопа Хуббле и надолазећег свемирског телескопа Јамес Вебб, као и експерименте у новонасталој астрономији гравитационог таласа, као што је Национална фондација за науку Опсерваторија гравитационог таласа Ласер Интерферометар. Козмолози се такође придружују физичарима честица и астрофизичарима у интердисциплинарној трци за детекцију честица тамне материје.
Као што космологија не би могла да започне све док друге гране физике не сазреју, она неће моћи да доврши откривање историје свемира све док друга подручја не буду потпунија. "Да бисте исправили причу, морате у основи да разрадите све закони физике на свим нивоима енергије и у свим условима ", рекао је Стеинхардт. "А промена било које од њих могла би радикално да промени космолошку причу."
Фаррар је рекла да не зна да ли ће се то догодити, али чуди се како су људи схватили сложеност универзума онолико колико имају. „Невјероватно је да је људски мозак еволуирао до те мјере да се на ова питања очигледно могу дати одговори“, рекла је. "Барем неки од њих."
Додатни ресурси:
