Precies 100 jaar geleden was ons concept van het universum heel anders dan nu. Mensen wisten van de sterren in de Melkweg af en wisten van de afstanden tot hen, maar niemand wist wat er achter hen lag. Het universum werd als statisch beschouwd, spiralen en ellipsen aan de hemel werden beschouwd als objecten van ons eigen sterrenstelsel. De Newtoniaanse zwaartekracht is nog niet overtroffen door Einsteins nieuwe theorie, en wetenschappelijke ideeën zoals de oerknal, donkere materie en donkere materie zijn nog niet gehoord. Maar toen begonnen letterlijk elk decennium doorbraken na doorbraken plaats te vinden, enzovoort tot op de dag van vandaag. Dit is de Medium.com-kroniek van Ethan Siegel die laat zien hoe ons begrip van het universum de afgelopen honderd jaar is veranderd.
De resultaten van de Eddington-expeditie in 1919 toonden aan dat de algemene relativiteitstheorie de kromming van sterlicht nabij massieve objecten beschrijft.
1910s: Einsteins theorie wordt bevestigd. De algemene relativiteitstheorie werd beroemd door het doen van voorspellingen die de theorie van Newton niet kon geven: de precessie van de baan van Mercurius rond de zon. Maar het was niet genoeg dat een wetenschappelijke theorie eenvoudig iets uitlegde dat we al hadden waargenomen; ze moest voorspellingen doen over wat we nog niet hadden gezien. Hoewel er de afgelopen honderd jaar veel zijn geweest - gravitationele tijddilatatie, sterke en zwakke lenswerking, gravitationele roodverschuiving, enzovoort - was de eerste de kromming van sterlicht tijdens een totale zonsverduistering, die Eddington en zijn collega's in 1919 waarnamen. De snelheid van de kromming van het licht rond de zon was in overeenstemming met de voorspellingen van Einstein en niet met de theorie van Newton. Sindsdien is ons begrip van het universum voor altijd veranderd.
Hubble's ontdekking van de variabele Cepheid in het Andromedastelsel, M 31, opende het universum voor ons
Jaren 1920. We wisten nog niet dat er een universum was buiten de Melkweg, maar dat veranderde allemaal in de jaren 1920 met het werk van Edwin Hubble. Door enkele spiraalvormige nevels in de lucht te observeren, was hij in staat om individuele variabele sterren van hetzelfde type dat bekend is in de Melkweg te lokaliseren. Alleen hun helderheid was zo laag dat het direct miljoenen lichtjaren tussen ons aangaf, waardoor ze ver buiten de grenzen van ons melkwegstelsel werden geplaatst. Hubble stopte daar niet. Hij mat de snelheid van recessie en de afstand van tientallen sterrenstelsels, waardoor de grenzen van het bekende universum aanzienlijk werden uitgebreid.
Twee heldere grote sterrenstelsels in het centrum van de Comacluster, NGC 4889 (links) en iets kleinere NGC 4874 (rechts), zijn elk meer dan een miljoen lichtjaar groot. Aangenomen wordt dat een enorme halo van donkere materie door het hele cluster loopt.
Jaren 30. Men heeft lang gedacht dat als je alle massa in sterren zou kunnen meten, en misschien gas en stof zou toevoegen, je alle materie in het universum zou kunnen tellen. Door sterrenstelsels in een dichte cluster (zoals de Comacluster) te observeren, toonde Fritz Zwicky echter aan dat sterren en zogenaamde "gewone materie" (dwz atomen) niet voldoende zijn om de interne beweging van deze clusters te verklaren. Hij noemde de nieuwe materie donkere materie (dunkle materie) en zijn observaties werden grotendeels genegeerd tot de jaren zeventig. Daarna bestudeerden ze gewone materie beter en het bleek dat er in individuele roterende sterrenstelsels best veel donkere materie zit. Nu weten we dat donkere materie vijf keer zo zwaar is als gewone materie.
Jaren 40. Hoewel de meeste experimentele en waarnemingsbronnen naar verkenningssatellieten, rakettechniek en nucleaire technologie-ontwikkeling gingen, bleven theoretisch fysici onvermoeibaar werken. In 1945 creëerde Georgy Gamow een volledige extrapolatie van het uitdijende universum: als het universum vandaag uitdijt en afkoelt, zou het op een bepaald moment in het verleden dichter en heter moeten zijn geweest. Daarom was er eens in het verleden een tijd dat het universum te heet was en neutrale atomen zich niet konden vormen, en daarvoor konden die atoomkernen zich niet vormen. Als dit zo is, dan begon de materie van het heelal vóór de vorming van een ster met de lichtste elementen, en in onze tijd kan men het nagloeien van die temperatuur in alle richtingen waarnemen - slechts een paar graden boven het absolute nulpunt. Tegenwoordig staat deze theorie bekend als de Big Bang-theorie.en in de jaren veertig wisten ze niet eens hoe mooi ze is.
Promotie video:
Jaren 50. Een rivaliserend idee met de oerknal-hypothese was het stationaire model van het universum dat door Fred Hoyle en anderen naar voren werd gebracht. Veelbetekenend was dat beide partijen beweerden dat alle zware elementen die vandaag op aarde aanwezig zijn, tijdens het vroege heelal werden gevormd. Hoyle en zijn collega's voerden aan dat ze niet in een vroege, hete en dichte staat waren gemaakt, maar eerder in eerdere generaties sterren. Hoyle legde samen met collega's Willie Fowler en Margaret Burbidge in detail uit hoe de elementen het periodiek systeem op één lijn brengen tijdens kernfusie in sterren. Vreemd genoeg voorspelden ze de synthese van koolstof uit helium in een proces dat we nog nooit eerder hadden gezien: een drievoudig alfaproces waarvoor een nieuwe koolstoftoestand nodig is. Deze toestand werd ontdekt door Fowler enkele jaren na de oorspronkelijke voorspelling van Hoyle en staat tegenwoordig bekend als de koolstofstaat van Hoyle. We ontdekten dus dat alle zware elementen die op aarde bestaan, hun oorsprong te danken hebben aan alle vorige generaties sterren.
Als we microgolflicht zouden kunnen zien, zou de nachthemel eruit zien als een groen ovaal met een temperatuur van 2,7 Kelvin, met "ruis" in het midden van hete bijdragen van ons galactische vlak. Deze gelijkmatige straling met een blackbody spectrum duidt op het nagloeien van de oerknal: dit is de kosmische microgolfachtergrond
Jaren 60. Na twintig jaar discussie werd een belangrijke observatie gedaan die de geschiedenis van het universum zou bepalen: de ontdekking van de voorspelde nagloeiing van de oerknal, of de kosmische microgolfachtergrond. Deze gelijkmatige straling met een temperatuur van 2725 Kelvin werd in 1965 ontdekt door Arno Penzias en Bob Wilson, die geen van beiden onmiddellijk wisten wat ze tegenkwamen. Pas met de tijd werd het zwartelichaamsspectrum van deze straling en zijn fluctuaties gemeten en toonden aan dat ons heelal begon met een "explosie".
De vroegste fase van het heelal, zelfs vóór de oerknal, legde alle oorspronkelijke voorwaarden vast voor alles wat we vandaag zien. Het was het grote idee van Alan Guth: kosmische inflatie
Jaren 70Helemaal eind 1979 broedde de jonge wetenschapper op zijn idee. Alan Guth was op zoek naar een manier om enkele van de onverklaarbare problemen van de oerknal op te lossen - waarom het universum zo plat is in de ruimte, waarom het in alle richtingen dezelfde temperatuur heeft en waarom er geen overblijfselen van de hoogste energieën in zitten - en kwam op het idee van kosmische inflatie. Volgens dit idee was er voordat het universum een hete dichte staat binnenging, een staat van exponentiële expansie, toen alle energie inherent was aan het weefsel van de ruimte. Er waren verschillende verfijningen van de oorspronkelijke ideeën van Guth nodig om de huidige inflatietheorie te vormen, maar daaropvolgende waarnemingen - inclusief fluctuaties in de kosmische microgolfachtergrond - hebben de voorspellingen ervan bevestigd. Het universum begon niet alleen met een explosie, maar het had ook een andere speciale toestand voordat deze oerknal plaatsvond.
Supernovaresten 1987a bevinden zich in de Grote Magelhaense Wolk op 165.000 lichtjaar afstand. Gedurende meer dan driehonderd eeuwen was het de dichtstbijzijnde waargenomen supernova bij de aarde
Jaren 80. Het lijkt misschien dat er niets ernstigs is gebeurd, maar het was in 1987 dat de dichtstbijzijnde supernova vanaf de aarde werd waargenomen. Dit gebeurt eens in de honderd jaar. Het was ook de eerste supernova die plaatsvond toen we detectoren hadden die neutrino's van dergelijke gebeurtenissen konden detecteren. Hoewel we veel supernovae in andere sterrenstelsels hebben gezien, hebben we ze nog nooit zo dichtbij gezien om er neutrino's van te zien. Deze ongeveer twintig neutrino's markeerden het begin van de neutrinoastronomie en de daaropvolgende ontwikkelingen die leidden tot neutrino-oscillaties, de detectie van neutrinomassa's en neutrino-neutrino's van supernovae die voorkomen in sterrenstelsels miljoenen lichtjaren verwijderd. Als onze moderne detectoren op het juiste moment zouden werken, zou de volgende supernova-explosie het mogelijk maken honderdduizenden neutrino's te vangen.
Vier mogelijke bestemmingen van het universum, waarvan de laatste het beste bij de gegevens past: een universum met donkere energie. Het werd voor het eerst ontdekt dankzij observaties van verre supernovae
Jaren 1990. Als je dacht dat donkere materie en de ontdekking van het begin van het universum belangrijke ontdekkingen waren, stel je dan de schok voor in 1998 toen ze ontdekten dat het universum op het punt stond te eindigen. Historisch gezien hebben we ons drie mogelijke bestemmingen voorgesteld:
- De uitbreiding van het universum zal niet voldoende zijn om de aantrekkingskracht van alles en iedereen te overwinnen, en het universum zal weer samentrekken in de grote compressie
- De uitbreiding van het universum zal te veel zijn, en alles verenigd door de zwaartekracht zal uiteenvallen en het universum zal bevriezen
- Ofwel bevinden we ons op de grens van deze twee uitkomsten en zal de expansiesnelheid asymptotisch neigen naar nul, maar nooit bereiken: Critical Universe
In plaats daarvan hebben verre supernovae echter aangetoond dat de uitdijing van het universum versnelt en dat naarmate de tijd verstrijkt, verre melkwegstelsels steeds sneller van elkaar af bewegen. Het universum zal niet alleen bevriezen, maar alle melkwegstelsels die niet met elkaar verbonden zijn, zullen uiteindelijk achter onze kosmische horizon verdwijnen. Afgezien van de sterrenstelsels in onze lokale groep, zullen geen sterrenstelsels de Melkweg ontmoeten, en ons lot zal koud en eenzaam zijn. In 100 miljard jaar zullen we geen andere sterrenstelsels zien dan de onze.
Jaren 2000. Onze metingen van fluctuaties (of onvolkomenheden) tijdens het nagloeien van de oerknal hebben ons ongelooflijke dingen geleerd: we hebben precies geleerd waaruit het universum is gemaakt. De COBE-gegevens vervangen de WMAP-gegevens, die op hun beurt werden verbeterd door Planck. Alles bij elkaar hebben gegevens van grootschalige structuren van onderzoeken naar grote sterrenstelsels (zoals 2DF en SDSS) en gegevens van verre supernovae ons een modern beeld van het universum opgeleverd:
- 0,01% straling in de vorm van fotonen, - 0,1% neutrino's, die licht bijdragen aan de zwaartekrachthalo's die sterrenstelsels en clusters omringen, - 4,9% van de gewone materie, waaronder alles dat uit atomaire deeltjes bestaat, - 27% donkere materie, of mysterieuze, niet-interactie (anders dan gravitatie) deeltjes die het universum voorzien van de structuur die we waarnemen, - 68% donkere energie, die inherent is aan de ruimte zelf.
2010e. Dit decennium is nog niet voorbij, maar we hebben onze eerste potentieel bewoonbare aardachtige planeten al gevonden (zij het zeer ver weg), tussen de duizenden en duizenden nieuwe exoplaneten die zijn ontdekt door NASA's Kepler-missie. Dit is misschien niet de grootste ontdekking van het decennium, omdat LIGO's directe detectie van zwaartekrachtgolven het beeld bevestigde dat Einstein in 1915 maakte. Meer dan een eeuw nadat Einsteins theorie Newton voor het eerst uitdaagde, heeft de algemene relativiteitstheorie alle beproevingen en tests doorstaan.
Er wordt nog steeds wetenschappelijke geschiedenis geschreven en er valt nog veel te ontdekken in het universum. Maar deze 11 stappen brachten ons uit een universum van onbekende ouderdom, niet groter dan ons melkwegstelsel, dat grotendeels uit sterren bestaat, naar een zich uitbreidend, afkoelend universum dat wordt geregeerd door donkere materie, donkere energie en onze gewone materie. Het heeft veel potentieel bewoonbare planeten, het is 13,8 miljard jaar oud en het begon met de oerknal, die zelf voortkwam uit kosmische inflatie. We leerden over de oorsprong van het heelal, over zijn lot, over het uiterlijk, de structuur en de grootte - en al meer dan 100 jaar. Misschien zullen de komende 100 jaar vol verrassingen zijn die we ons niet eens kunnen voorstellen.
Ilya Khel
