התצפית של SDSS באינפרא אדום - עם APOGEE - של גלקסיית שביל החלב, מבט לעבר המרכז. לפני מאה שנה זו הייתה תפיסתנו את היקום כולו. אשראי תמונה: סקר סקיי דיגיטלי של Sloan.

11 התקדמות מדעית של מאה השנים האחרונות סיפקה לנו את כל היקום שלנו

מיקום שלא הלך וגדול מדרך החלב שלנו לטריליוני הגלקסיות ביקום המתרחב שלנו, הידע שלנו גדל צעד אחד בכל פעם.

"גמוב היה פנטסטי ברעיונותיו. הוא צדק, הוא טעה. לעתים קרובות יותר שגוי מאשר צודק. תמיד מעניין; ... וכאשר הרעיון שלו לא היה שגוי זה לא רק היה נכון, הוא היה חדש. " -דולר טלר

לפני 100 שנה בדיוק, תפיסת היקום שלנו הייתה שונה בהרבה ממה שהיא כיום. הכוכבים בנתיב החלב היו ידועים, ונודעו שהם נמצאים במרחקים של עד אלפי שנות אור משם, אך לא היה ניתן לחשוב כי דבר רחוק יותר. היקום היה אמור להיות סטטי, שכן ההנחות של הספירלות והאליפטיות בשמיים היו עצמים הכלולים בגלקסיה שלנו. התורה החדשה של איינשטיין עדיין לא הוטלה על ידי כוח המשיכה של ניוטון, ורעיונות מדעיים כמו המפץ הגדול, החומר האפל והאנרגיה האפלה עדיין לא הובחנו. אך במהלך כל עשור חלו התקדמות עצומה, עד היום. להלן דגש על האופן בו כל אחד העביר את ההבנה המדעית שלנו את היקום קדימה.

תוצאות משלחת אדינגטון מ -1919 הראו, ללא ספק, כי תורת היחסות הכללית תיארה את כיפוף אור הכוכב סביב חפצים מאסיביים, והפיל את התמונה הניוטונית. קרדיט תמונה: חדשות הלונדון המאוירות, 1919.

1910 - התיאוריה של אינשטיין אושרה! היחסות הכללית הייתה מפורסמת בכך שהסבירה כי כוח המשיכה של ניוטון לא יכול היה: הכרת המסלול של מרקורי סביב השמש. אבל לא די בתיאוריה מדעית כדי להסביר משהו שכבר צפינו; עליו לחזות משהו שהוא טרם נראה. אמנם היו רבים במהלך המאה האחרונה - התרחבות זמן כבידה, עדשות חזקות וחלשות, גרירת מסגרות, משמרת אדומה של הכבידה וכו '- הראשון היה כיפוף של אור הכוכבים במהלך ליקוי חמה מוחלט, שנצפה על ידי אדינגטון ומשתפי הפעולה שלו בשנת 1919. הכמות שנצפה בכיפוף של אור הכוכבים סביב השמש הייתה בקנה אחד עם איינשטיין ולא עולה בקנה אחד עם ניוטון. בדיוק כך, השקפתנו על היקום תשתנה לנצח.

התגלית של האבל על משתנה Cepheid בגלקסיית אנדרומדה, M31, פתחה בפנינו את היקום. קרדיט תמונה: א. האבל, נאס

שנות העשרים - עדיין לא ידענו שיש שם יקום מעבר לשביל החלב, אבל הכל השתנה בשנות העשרים עם עבודתו של אדווין האבל. תוך כדי התבוננות בכמה מערפילי הספירלה בשמיים, הוא הצליח לאתר נקודות כוכבים משתנות מאותו סוג שהיו ידועות בנתיב החלב. רק, בהירותם הייתה כה נמוכה עד שהם היו צריכים להיות במרחק של מיליוני שנות אור, והציבו אותם הרחק מחוץ לגודל הגלקסיה שלנו. האבל לא עצר שם, מודד את מהירות המיתון ואת המרחקים במשך למעלה מתריסר גלקסיות, וגילה את היקום העצום והמתפשט המוכר לנו כיום.

שתי הגלקסיות הבהירות והגדולות במרכז אשכול הקומא, NGC 4889 (משמאל), וה- NGC 4874 הקטנות מעט יותר (מימין), גודלות כל אחת ממיליון שנות אור. אך הגלקסיות בפאתי, המרוכזות כל כך במהירות, מצביעות על קיומה של הילה גדולה של חומר אפל לאורך כל האשכול. קרדיט תמונה: אדם בלוק / הר למון סקיי סנטר / אוניברסיטת אריזונה.

שנות השלושים - נהוג היה לחשוב שאם הייתם יכולים למדוד את כל המסה הכלולה בכוכבים, ואולי להוסיף את הגז והאבק, הייתם נותנים דין וחשבון לכל העניין ביקום. עם זאת, על ידי התבוננות בגלקסיות בתוך אשכול צפוף (כמו אשכול הקומא, למעלה), פריץ צוויקי הראה שכוכבים ומה שאנחנו מכירים כ"חומר נורמלי "(כלומר אטומים) אינם מספיקים בכדי להסביר את התנועות הפנימיות של אשכולות אלה. הוא כינה את החומר החדש הזה חומר מטונף, או חומר אפל, תצפית שהתעלמה ברובה עד שנות השבעים, אז הובנו טוב יותר חומר רגיל, והוכח כי חומר אפל קיים בשפע רב בגלקסיות אינדיבידואליות, מסתובבות. כעת אנו יודעים זאת על מנת להתעלם מחומר רגיל ביחס של 5: 1.

ציר הזמן של תולדות היקום הצפוי שלנו, בו החלק הצפוי מתרחב לגדלים גדולים יותר וגדולים ככל שאנו מתקדמים בזמן הרחק מהמפץ הגדול. קרדיט תמונה: צוות המדע של NASA / WMAP.

שנות הארבעים - בעוד שרובם המוחלט של משאבי הניסוי והתצפית נכנסו ללווייני ריגול, טילים ופיתוח טכנולוגיה גרעינית, פיסיקאים תיאורטיים עדיין היו קשה בעבודה. בשנת 1945 עשה ג'ורג 'גמוב את האקסטרפולציה האולטימטיבית של היקום המתרחב: אם היקום מתרחב ומתקרר היום, כנראה שהוא היה חם וצפוף בעבר. בהחזרה לאחור, בטח הייתה תקופה בה היה כל כך חם וצפוף, עד כי אטומים ניטרליים לא יכלו להיווצר, ולפני כן גרעינים אטומיים לא יכלו להיווצר. אם זה היה נכון, אז לפני שכוכבים כלשהם יצרו אי פעם, לחומר שהיקום בו התחיל צריך להיות יחס ספציפי בין היסודות הקלים ביותר, והיה צריך להיות זוהר שנשאר חלחל לכל הכיוונים ביקום רק כמה מעלות מעל האפס המוחלט כיום. . מסגרת זו ידועה כיום בשם המפץ הגדול, והייתה הרעיון הגדול ביותר שיצא משנות הארבעים.

חתך זה מציג את האזורים השונים במשטח הפנים ובשמש, כולל הליבה, ושם מתרחש היתוך גרעיני. תהליך ההתמזגות, בכוכבים דמויי שמש כמו גם בבני דודיו המסיביים יותר, הוא המאפשר לנו לבנות את היסודות הכבדים הקיימים כיום ברחבי היקום. קרדיט תמונה: משתמש ויקימדיה Commons Kelvinsong.

שנות החמישים - אבל רעיון מתחרה למפץ הגדול היה המודל של סטיידי סטייט, שהוצג על ידי פרד הויל ואחרים באותה תקופה. באופן מרהיב, שני הצדדים טענו שכל היסודות הכבדים יותר שנמצאים כיום על כדור הארץ נוצרו בשלב מוקדם יותר של היקום. מה שטען הויל ומשתפי הפעולה שלו הוא שהם נוצרו לא במצב מוקדם, חם וצפוף, אלא בדורות כוכבים קודמים. הויל, יחד עם משתפי הפעולה ווילי פאולר וג'פרי ומרגרט בורברידג ', פירטו בדיוק כיצד יסודות יבנו את הטבלה המחזורית מאיחוי גרעיני המתרחש בכוכבים. באופן המרהיב ביותר הם חזו היתוך הליום לפחמן באמצעות תהליך שלא נצפה לפני כן: התהליך המשולש-אלפא, הדורש מצב חדש של פחמן. מדינה זו התגלתה על ידי פאולר כמה שנים לאחר שהוצעה על ידי הויל, והיא ידועה כיום בשם מדינת הויל של פחמן. מכאן למדנו כי כל היסודות הכבדים הקיימים כיום על כדור הארץ חייבים את מקורם לכל דורות הכוכבים הקודמים.

אם היינו יכולים לראות אור במיקרוגל, שמי הלילה היו נראים כמו הסגלגל הירוק בטמפרטורה של 2.7 K, כאשר ה

שנות השישים - לאחר כעשרים שנה של ויכוח, נחשפה התצפית העיקרית שתחליט את ההיסטוריה של היקום: גילוי הזוהר שנשאר החזוי מהמפץ הגדול, או הרקע המיקרוגל הקוסמי. מדי הקרינה, 2.725 K, התגלה בשנת 1965 על ידי ארנו פנציאס ובוב ווילסון, איש מהם לא הבין מה גילו בהתחלה. אולם עם הזמן נמדד הספקטרום המלא השחור של הקרינה הזו ואפילו תנודותיה, מה שהראה לנו שהיקום התחיל עם "מפץ" אחרי הכל.

השלבים המוקדמים ביותר ביקום, לפני המפץ הגדול, הם אלו שקובעים את התנאים הראשוניים שמהם אנו רואים היום התפתח. זה היה הרעיון הגדול של אלן גוט: אינפלציה קוסמית. קרדיט תמונה: א. סיגל, עם תמונות הנגזרות מ- ESA / Planck וכוח המשימה הבין-תאי של DoE / NASA / NSF על מחקר CMB.

שנות השבעים - בסוף 1979, למד מדע צעיר את הרעיון של חיים שלמים. אלן גוט, מחפש דרך לפתור כמה מהבעיות הבלתי מוסברות של המפץ הגדול - מדוע היקום היה שטוח כל כך במרחב, מדוע זו אותה טמפרטורה לכל הכיוונים, ומדוע לא היו שרידים אנרגטיים במיוחד-אנרגטיים - הגיע על רעיון המכונה אינפלציה קוסמית. הוא אומר שלפני שהיקום התקיים במצב חם וצפוף, הוא היה במצב של התפשטות מעריכית, שם כל האנרגיה נקשרה במרקם המרחב עצמו. דרוש מספר שיפורים ברעיונות הראשוניים של גוט כדי ליצור את התיאוריה המודרנית של האינפלציה, אך תצפיות שלאחר מכן - כולל התנודות ב- CMB, על המבנה הגדול בקנה מידה של היקום ועל אופן גושי הגלקסיות, האשכול והצורה - כולם מצדיקים את תחזיות האינפלציה. לא רק שהיקום שלנו התחיל במפץ, אלא שהייתה מצב שהיה לפני המפץ הגדול הלוהט אי פעם.

שריד הסופרנובה 1987a, שנמצא בענן המגלני הגדול, מרחק של כ- 165,000 שנות אור. זו הייתה הסופרנובה הקרובה ביותר לכדור הארץ ביותר משלוש מאות שנים. קרדיט תמונה: נואל קרבוני וה- ESA / ESO / NASA Photoshop FITS Liberator.

שנות השמונים - זה אולי לא נראה כמו הרבה, אבל בשנת 1987, הסופרנובה הקרובה ביותר לכדור הארץ התרחשה ביותר ממאה שנה. זו הייתה גם הסופרנובה הראשונה שהתרחשה כאשר היו לנו גלאים ברשת שיכולים למצוא נייטרינו מהאירועים האלה! למרות שראינו הרבה סופרנובות בגלקסיות אחרות, מעולם לא התרחשנו כזו קרוב כל כך שאפשר היה לצפות בנייטרינים ממנה. נייטרינו-עשרים אלה בערך סימנו את תחילתה של אסטרונומיה של נייטרינו, והתפתחויות שלאחר מכן הובילו מאז לגילוי תנודות נייטרינו, מסות נייטרינו ונייטרינו מסופרנובות שהתרחשו יותר ממיליון שנות אור משם. אם הגלאים הנוכחיים במקום עדיין פועלים, בסופרנובה הבאה בגלקסיה שלנו יתגלו ממאה אלף נייטרינים ממנה.

ארבעת הגורל האפשרי של היקום, כאשר הדוגמה התחתונה מתאימה לנתונים בצורה הטובה ביותר: יקום עם אנרגיה אפלה. זה נחשף לראשונה בתצפיות סופרנובה רחוקות. קרדיט תמונה: א. סיגל / מעבר לגלקסיה.

שנות התשעים - אם חשבתם שחומר אפל וגילית איך היקום התחיל היה עניין גדול, אתם יכולים רק לדמיין איזה זעזוע היה זה בשנת 1998 לגלות איך היקום עומד להסתיים! דמיינו היסטורית שלושה גורלים אפשריים:

  • שההתרחבות של היקום לא תספיק בכדי להתגבר על המשיכה הכבידה של הכל, והיקום יתחלף מחדש במפגע גדול.
  • שההתרחבות של היקום תהיה גדולה מדי עבור הכבידה המשולבת של הכל, וכל מה ביקום יברח אחד מהשני, וכתוצאה מכך הקפאה גדולה.
  • או שנמצא ממש על הגבול בין שני המקרים האלה, ושיעור ההרחבה היה אסימפוט לאפס אך לעולם לא ממש מגיע אליו: יקום ביקורתי.

עם זאת, במקום זאת, סופרנובות רחוקות הצביעו על כך שההתרחבות של היקום מאיצה וככל שחלף הזמן, גלקסיות רחוקות הגדילו את מהירותן זו מזו. לא רק שהיקום יקפא, אלא שכל הגלקסיות שאינן קשורות זו לזו ייעלמו בסופו של דבר מעבר לאופק הקוסמי שלנו. מלבד הגלקסיות בקבוצה המקומית שלנו, אף גלקסיה אחרת לא תתקל אי פעם בדרך החלב שלנו, וגורלנו יהיה אכן קר, בודד. בעוד מאה מיליארד שנים נוספות, לא נוכל לראות גלקסיות מעבר לשלנו.

התנודות ברקע המיקרוגל הקוסמי נמדדו לראשונה במדויק על ידי COBE בשנות התשעים, ואז בצורה מדויקת יותר על ידי WMAP בשנות ה -2000 ו- Planck (למעלה) בשנות העשרים. תמונה זו מקודדת כמות עצומה של מידע על היקום המוקדם. אשראי תמונה: ESA ושיתוף פעולה עם פלאנק.

שנות האלפיים - הגילוי של רקע המיקרוגל הקוסמי לא הסתיים בשנת 1965, אך המדידות שלנו על התנודות (או הפגמים) בזוהר השארית של המפץ הגדול לימדו אותנו משהו פנומנלי: בדיוק מהיקום היה עשוי ממנו. נתונים מ- COBE הוחלפו על ידי WMAP, אשר בתורו שופרה על ידי פלאנק. בנוסף, נתוני מבנה בקנה מידה גדול מסקרי גלקסיות גדולים (כמו 2dF ו- SDSS) ונתוני סופרנובה רחוקים השתלבו והעניקו לנו את התמונה המודרנית שלנו על היקום:

  • קרינה של 0.01% בצורת פוטונים,
  • 0.1% נייטרינים, התורמים מעט כל כך להילות הכבידה שמסביב לגלקסיות ואשכולות,
  • חומר רגיל של 4.9%, הכולל כל מה שעשוי מחלקיקים אטומיים,
  • 27% חומר אפל, או החלקיקים המסתוריים, שאינם אינטראקציה (פרט לכבידה) שנותנים ליקום את המבנה שאנו צופים בהם,
  • ואנרגיה אפלה של 68%, הטבועה בחלל עצמו.
המערכות של קפלר -186, קפלר -452 ומערכת השמש שלנו. בעוד שכוכב הלכת סביב כוכב ננס אדום כמו קפלר -186 מעניין בזכויותיהם שלהם, Kepler-452b עשוי להיות הרבה יותר דומה לכדור הארץ על ידי מספר מדדים. אשראי תמונה: NASA / JPL-CalTech / R. כאב.

שנות ה -2010 - העשור עוד לא הסתיים, אך עד כה גילינו כבר כוכבי לכת ראשונים העשויים להיות דמוי כדור הארץ, בין אלפי אלפי האקסופלאנטים החדשים שהתגלו על ידי משימת קפלר של נאס"א, בין היתר. עם זאת, ניתן לטעון כי זהו אפילו לא התגלית הגדולה ביותר של העשור, שכן הגילוי הישיר של גלי הכבידה מ- LIGO לא רק מאשר את התמונה שאיינשטיין צייר לראשונה, בכוח הכובד, עוד בשנת 1915. יותר ממאה שנים לאחר התיאוריה של איינשטיין התחרה לראשונה ביחס לניוטון לראות מהם כללי הכבידה של היקום, תורת היחסות הכללית עברה כל מבחן שנזרק עליו, והצליחה למורכבויות הקטנות ביותר שנמדדו או נצפו אי פעם.

איור של שני חורים שחורים המתמזגים, בעלי מסה דומה למה שראתה LIGO. הציפייה היא שצריך להיות מעט מאוד בדרך לאות אלקטרומגנטי שנפלט ממיזוג כזה, אך נוכחות של חומר מחומם מאוד סביב חפצים אלה עלולה לשנות זאת. קרדיט תמונה: SXS, פרויקט ה- Simulating eXtreme Spacetime (SXS) (http://www.black-holes.org).

הסיפור המדעי עדיין לא נעשה, מכיוון שיש עוד הרבה מהיקום לגלות. עם זאת, 11 הצעדים האלה לקחו אותנו מיקום בן עידן לא ידוע, שאינו גדול יותר מהגלקסיה שלנו, המורכב ברובו מכוכבים, ליקום מתרחב ומתקרר המופעל על ידי חומר אפל, אנרגיה אפלה וחומר נורמלי משלנו, שופע תכולה שיש לבחירה. כוכבי לכת וזה בן 13.8 מיליארד שנה, שמקורו במפץ הגדול אשר עצמו הוקם על ידי אינפלציה קוסמית. אנו יודעים מה מקור היקום שלנו, זה גורלו, איך הוא נראה היום ואיך זה היה כך. מאי 100 השנים הבאות יחזיקו באותה מידה כמו התקדמות מדעית, מהפכות והפתעות לכולנו.

Starts With A Bang נמצא כעת בפורבס, והופץ מחדש בבינוני בזכות תומכי הפטרון שלנו. איתן כתב שני ספרים, מעבר לגלקסיה, וטרקנולוגיה: המדע של מסע בין כוכבים מטריקוורסנס ועד וורפ דרייב.